《工程电磁场》课程体系的优化

摘 要 ：依据《工程电磁场》课程在电气工程及其自动化专业中的地位,分析了该课程目前的应用教材知识体系,结合兰州交通大学电气工程及其自动化专业的培养计划及教学学时数的压缩的实际情况,明确了课程教学内容体系的优化是提高教学质量的关键,提出了《工程电磁场》课程教学内容体系优化的若干问题,并对该课程教学内容安排、教学方法等环节进行拓展.关 键 词 ：工程电磁场；教学内容；教学方法；课程体系中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0139-02《工程电磁场》是电气工程专业的重要专业基础课程之一.它所涉及的内容是电气工程专业学生应具备的知识结构的必要组成部分,同时又是一些交叉领域的学科增长点和新型边缘科学发展的基础[1].它既有自己的理论体系又有很强的工程实践性.在《工程电磁场》课程的各教学环节中,理论教学是基础,对学生学习课程的知识起着关键性的作用.而理论教学又是以课堂教学为主的形式,课堂教学应是师生共创的活动.但是,该课程概念普遍抽象枯燥、运用数学工具多、理论分析推导繁琐等特点,影响了学生学习所需的认知能力、创新能力的培养,影响了学习该课程的热情和兴趣.所以,如何优化该课程内容以及如何提高课堂教学质量就显得非常迫切和必要.特别是如何在各校调整专业培养计划,压缩技术基础课教学时数的背景下（我校该课程压缩为32学时）提高教学质量,是亟待解决的教学改革问题.一、教学过程最优化体系“教学过程最优化”理论创立者前苏联著名教育理论家巴班斯基曾指出：“教学过程的最优化,就是指通过选择一种适合教育过程具体情况的教学方法,使教师和学生在花费最少的必要时间和精力的情况下,获得最好的效果”,同时强调最优化是在符合教学规律和教学原则的基础上,教师有意识有科学根据的教学方案的选择,其优化体系包括：教学内容的优化体系；课堂目标的优化体系；课堂教学方法的优化体系；教学手段的优化体系；学生课程反馈优化与矫正的体系.二、教学目标与要求《工程电磁场》教学在普通物理电磁学的基础上,使学生通过系统的电磁理论的学习,能够达到以下的学习目标：进一步熟悉宏观电磁场的基本性质和基本规律；对电气工程中的电磁现象和电磁过程,能用场的观点进行初步分析；对一些简单的问题能进行计算；为学习专业或进一步研究电气设备电磁场问题,准备必要的理论基础.教学以静电场、恒流电场和恒定磁场原理为主,结合电磁辐射、电磁污染、电磁兼容、涡流效应等工程技术问题分析,通过课堂教学、实验和虚拟实验教学、习题练习和考试等环节完成整个教学过程.电气工程的电磁场课程研究的是各种电气设备内部电磁场,学习的是工程电磁场的本质.掌握电磁场的产生机理、电磁场的边界条件是学生把握电磁场物理本质的重点.传统的电磁场教学要求在深刻理解重要的物理量电场强度和电位移、电位、电流密度、磁感应强度和磁场强度、矢量磁位、动态位的基础上建立电磁场的重要性质与规律——积分形式和微分形式的电磁场方程组,并解释电磁场的性质和规律.应用高斯通量定理、安培环路定理的积分形式计算对称的简单场,培养学生在分析电磁场问题中能正确寻找并应用边界条件的能力.让学生能够理解电磁场能量的分布及传输,掌握通过能量关系计算电场力、磁场力的方法,了解电路参数的计算原则,掌握平面电磁波在电介质及导电媒质中传播的基本规律[2,3].三、《工程电磁场》教学内容体系传统《工程电磁场》教学内容体系包括静电场、恒定电场、恒定磁场、时变电磁场、准静态电磁场等.《工程电磁场》的主要教学内容中存在两大体系：一种是先静态场后时变场的教材体系.这种传统体系起点较低,学生比较容易接受,但与物理学中电磁学部分重复较多,学生会感到厌烦.同时从这些基本定律出发逐一推演静态场的特性必然费时很多,导致时变场被压缩.另一种是先时变场后静态场并以时变场为主的教材体系.这种体系虽然压缩了静态场,充实了时变场的内容,但起点高,学生不易接受.无论选用哪种体系的教材,对教师来说,至关重要的是如何组织教学、整合与表达教材内容.特别是近几年来,随着我国高校综合素质教育要求的不断提高,专业基础课、专业课普遍存在压缩课时的总趋势.因此,在较短的课时中要讲清要点,精简多练,突出教学内容的工程性,教学组织就显得尤为关键[4].四、教学内容体系的优化针对传统教学内容,教学时数大幅压缩而教学质量不降低,为了解决这一矛盾,我们对教学内容体系采取优化措施.1.优化课堂教学.（1）优化数学内容.电磁场理论是以麦克斯韦方程组为核心的理论体系,所有的电磁规律都有对应的数学模型,会在电磁场理论中大量使用矢量分析与场论、特殊函数和数学物理方程等数学知识,虽然学生已学过这些数学知识,但是在学习时没有具体应用,所以,当需要应用这些数学工具时,学生就会感到很困难.学生本就对电磁理论的学习有畏惧感,如果我们上课时再进行大量的数学推导,一是课时不允许,二是更加剧了学生的畏惧感.根据这一现状,在教学中要简化数学推导,优化数学推导过程,直接给出结论,重点分析数学公式代表的物理意义.（2）优化知识结构内容,减少静态场学时,增加时变场学时.减少静态场学时数后,时变场教学时数增加,内容从电磁感应、麦克斯韦方程组、波动方程到平面波和辐射,学生可以较全面地了解电磁场理论体系,掌握时变场的分析计算方法.从一个新的角度学习电磁理论,更容易激发学生的学习兴趣,有兴趣才有动力,这是保证学习质量的基础.而以往电磁场理论教学中静态场教学时比例偏大,其基本概念学生在电磁学知识中已学过,学生觉得没有新意,只是简单重复,没有学习兴趣,因此静态场教学内容应调整为以讲解重点知识为主.静态场学时、时变场学时占总学时的比例可由75%和25%优化为50%和50%.（3）结合教师的科研成果进行教学.应结合教师的科研工作以及最新的科技成就及其发展趋势,在课堂上向学生介绍电磁学内容在生活和工程中的广泛应用.将当今社会发展中的新设备、新技术贯穿于教学过程.例如在讲到电磁感应时,可以结合生活中的电磁辐射与电磁污染的问题、涡流效应在生产生活中的应用等,来激发学生学习热情.（4）优化教学手段.在教学中采用多元化的辅助教学手段是解决电磁场理论难教、难学问题的有效手段.例如采用多媒体教学手段可以解决以前在黑板上很难讲清楚的问题和那些书写量很大的问题,特别是在课时少的情况下,具有非常大的优势.多媒体课件绘制的图形具有立体化、动态化、色彩化等特点.可根据个人特点、专业需求,以及学生的具体情况对电子教案进行随时实施优化.（5）增加工程电磁场数值计算的教学内容,在电磁理论教学中引入“数值计算方法”的教学内容,教学实践表明,基于深化和加强电磁场工程分析能力,学生对此学习内容有浓厚的学习兴趣,教学效果显著.因此增加此部分内容的教学,对于适应电磁场课程后续教学的需要,加强本科生分析和解决工程电磁场问题的能力非常必要,并使学生不间断地接受计算机辅助分析能力的培养,以满足较高层次本科大学生的培养要求.2.优化实验教学环节.以往的实验教学多在实验室进行,做的实验也往往是一些验证性的实验,学生感觉实验与理论脱节,对促进教学质量的提高帮助不大.为了提高教学质量,有必要优化实验教学内容,挖掘新型实验教学内容,可将一些易于携带、装置简单、轻便的仪器直接带入课堂,采取边讲解边演示的方式,或以适当的方法将部分工程电磁场演示实验拍摄成录像短片,在授课过程中配以使用,也会起到非常好的教学效果.在教学过程中,通过工程电磁场实验演示可以强化学生对理论知识的理解,对电磁理论规律的掌握,培养学生的观察能力和逻辑思维能力,以激发学生学习工程电磁场的兴趣.3.课程的延伸与拓展.课程的延伸与拓展是对课堂教学内容的延伸与补充,如课外答疑,课外习题,电磁场数值和计算机仿真或虚拟仿真实验,电磁场动态建模,电磁兼容的专题研究等.课程的延伸与拓展能培养学生的科研能力和创新能力,使每个学生的能力都得到发展.实践表明,我们开展的课程的延伸与拓展受到了学生的欢迎,对于学生素质能力的培养起到了积极地作用.五、结束语针对《工程电磁场》课程教学时数大幅减少这一事实,我们研究了课程教学内容体系优化等问题.我们紧紧围绕工程磁场的物理实质,将课堂教学、实验教学环节和课程延伸与拓展三部分形成完整的《工程电磁场》教学内容优化体系,在实施过程中注意遵守教学内容的科学性原则,优化教学资源配置,以学生能力养成为本,以21世纪工科人才培养为目标,切实提高《工程电磁场》的教学质量.结合我校该专业的培养计划安排,我们对该专业的《工程电磁场》课程体系理论进行了优化,实践证明,收到了满意的教学效果.参考文献：[1]冯慈璋,马西奎.工程电磁场导论[M].北京：高等教育出版社,2000：1-60.[2]毕德显.电磁场理论[M].北京：电子工业出版社,1985：235-291.[3]谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社,2006：34-78.[4]扬虎,张炜,毛钧杰.“电磁场理论”教学法初探[J].高等教育研究学报,2003,26（4）：56-57.