苑東偉，李慧奇，趙小軍

(華北電力大學 電氣與電子工程學院 河北保定 071003)

·教 材 建 設·

工程電磁場課程內容調整建議及教改實踐

苑東偉，李慧奇，趙小軍

(華北電力大學 電氣與電子工程學院 河北保定 071003)

針對目前國內高校工程電磁場課程教學內容進行調研，通過調研國內高校通用教材及大學物理電磁學內容，結合在教學中出現(xiàn)的典型疑問進行解答，提出了對工程電磁場課程內容及作業(yè)布置的具體調整意見，在現(xiàn)有學時條件下，強調重點與難點，合理分配學時，輔助配套實驗、大作業(yè)、創(chuàng)新實踐項目等進行輔助教學，更好地開展電氣類工程電磁場教學實踐。

工程電磁場；內容調整；教改實踐；創(chuàng)新實踐

工程電磁場課程是高等院校中電氣及電子工程類及相關專業(yè)本科階段一門重要的專業(yè)基礎課程，與電路理論一起構成了電氣類專業(yè)的“場”與“路”兩大基礎理論。在學生完成高等數(shù)學、大學物理、電路理論等課程后，開設工程電磁場課程。工程電磁場不僅是重要的專業(yè)素質基礎課程，也是能夠衍生出眾多交叉學科問題的來源處。本課程的設置及教學實踐是否成功，影響到對學生專業(yè)基礎培養(yǎng)的問題。電磁場課程由于其自身的抽象性、復雜性，教與學都是一個很艱難的過程，所以本課程的教學實踐改革應是長期深入，不斷改進與研究探索的過程。

1 課程定位

工程電磁場是電氣電工類專業(yè)必不可少的專業(yè)基礎課程，課程重點地位不容置疑。在任何一門電氣專業(yè)課程背后，電磁場的觀念無處不在，例如：電工電路中的儲能元件、無功功率；電力系統(tǒng)中等效電路圖中的等效電感、分布電容參數(shù)的設定，傳輸線參數(shù)及求解；高壓電氣中的電暈分析計算、絕緣分析保護；電機中鐵芯磁路線圈磁路分析，電磁感應變壓變電等。學生在本科、研究生及以后更高階段的學習研究中，均可以發(fā)現(xiàn)電磁場理論的重要地位，應用無處不在，在每一篇電氣電工類文獻專著背后，都是離不開場的思想的。

2 課程內容調研

目前國內高校中，電氣類專業(yè)工程電磁場課程學時普遍在48～64學時，遠遠少于電子通信類電磁波課程學時，而同美國等典型國外高校實施的兩個學期144學時相比，更是相差甚遠。在學時不多的情況下，如何能夠將對數(shù)學物理基礎要求甚高、概念抽象、內容艱深、計算復雜的本門課程內容講清楚，是教學課題組及授課教師必須要解決好的重要問題。國內工磁課程一直是在大學物理課程之后開設，各高校教師教材講義差異不大。課程結構大體分為兩種：1)基于演繹結構。由麥克斯韋方程組出發(fā)，然后針對具體典型場問題加以闡述，最后擴展至動態(tài)電磁波問題。典型教材為高等教育出版社出版、由倪光正等編寫的《工程電磁場原理》[1]。2)基于歸納思想，由各個典型場問題出發(fā)，最終歸納出麥克斯韋方程組，典型教材為清華大學出版社出版，由王澤忠等編寫的《工程電磁場》[2]，通行本《大學物理》，以及由William.H. Hayt,Jr.等編寫的全美高校通行“Engineering Electromagnetics”等經(jīng)典教材[3]。

但在具體的教學過程中，不論采用哪種結構的教材，對在大學物理課完成之后開設的電磁場課程，學生總是提出一個相似的疑問：“為什么很多問題在物理電磁學中，我們已經(jīng)學過，而現(xiàn)在又覺得聽不懂，題目做起來很困難？”“為什么很多題目還都是用高斯定理求解的呢？是不是只要會做高斯定理、安培環(huán)路定律就行了？”這些疑問無疑表明了，學生并沒有真正理解電磁學的內涵和精髓，對電磁問題還沒有建立清楚的認識，而從教學內容本身去看，教學重點的設置應該重新調整。

3 課程內容調整建議

由于學時限制，物理電磁學重復等客觀問題，華北電力大學電氣與工程學院如何在48學時或64學時內，將內容有效整合面對目前最迫切的問題，通過比對物理教學內容，提出以下具體調整意見[4-5]。

3.1 略講及刪去的內容

數(shù)學場論基礎中的細節(jié)推導可略去，如線面積分、梯度散度和旋度、散度定理和斯托克斯定理中的具體坐標展開推導，精講一個即可，其余類似的可略去；電磁感應定律的推導是物理電磁學中精講過的，可不講推導，重點放在全電流定律的解釋上，強化位移電流的概念，明確出電磁耦合的思想。在靜電場和靜磁場部分，略講物理電磁學中重點講授及考察的內容，如高斯定理、安培環(huán)路定律的典型例題計算及應用，具體可以在重新介紹完定理后，只精講一至兩題；將例題進行調整，重點介紹由場源剖分后直接積分求場分布，強化電磁場問題中的由源求場分布的思想，使學生在物理電磁學的基礎上更進一步深化理解。內容思路類似或重復部分注意詳略得當，如磁力線的繪制部分因其與電力線部分類似，可以略講，講到共線方程即可；極化與磁化部分類似，精講極化，略講磁化；電場能量、電場力與磁場能量、磁場力部分也是精講前面即可。

3.2 重點講授及考察內容

精講麥克斯韋方程組的物理意義、各種場的基本方程、電磁波動方程等，加深學生對這些重要基礎問題的理解與應用，將學生從物理電磁學中建立零散的電磁觀點整合統(tǒng)一為場的思想，成為指導其今后從事學術研究的思想觀念；精講邊值問題強化對邊界條件的理解與應用，鼓勵學生多多使用邊值問題去建立電磁模型進行分析計算，適當介紹清楚后續(xù)求解問題，與數(shù)理方程求解建立接口，推薦學生認識簡單數(shù)值計算方法，例如，有限差分法，可通過布置大作業(yè)的形式來輔助學習了解數(shù)值計算的過程；梳理清楚電磁場的基本問題，即源場分布的因果關系：源—媒質—場結果，結合場的方程建立清晰的思想；重點講授電容、電阻(電導)、電感的計算，結合電路及電力專業(yè)課程講授清楚，使學生今后在建立實際工程問題的等值或等效電路模型時能夠正確求解等效電路參數(shù)；適當增加準靜態(tài)場部分內容，將典型電力工程情況如磁屏蔽、集膚效應、鐵芯回路渦流等介紹清楚。

3.3 課程講授中的傾向性

在每一個知識點講授中，教師均應注意與物理電磁學的區(qū)別，整體應該站在場的思想上并結合電氣專業(yè)知識背景進行講授。例如，在介質擊穿場強部分結合高壓絕緣實際情況；電感電容部分結合電路等值參數(shù)的建立與求解；電導部分結合電力系統(tǒng)接地等內容進行具體講授；在動態(tài)電磁波部分，可以借助于動畫演示等手段進行形象展示，以加深學生的理解。

3.4 課程配套實驗改革

在實驗環(huán)節(jié)，可以增加綜合演示實驗及創(chuàng)新工程小實驗,根據(jù)具體實驗室條件，對電磁波的發(fā)射、接收與測量，載流線圈的場分布與自感，電磁測量環(huán)境及儀表等進行展示，充分利用實驗室，盡最大可能地研發(fā)和設置一些實驗環(huán)節(jié)，真正使學生認識并了解具體典型電磁問題及相關現(xiàn)象，幫助其深化對電磁場實際情況的認識與理解。

3.5 課程作業(yè)布置及實踐創(chuàng)新

教材的配套題目本身設計較好，知識點覆蓋完整。但在實際教學中，很多題目與物理電磁學中一些題目非常類似，如果重復布置，對學生而言只是重復練習，并沒有在內容上有更多的更新[6]。根據(jù)這種情況，教師在授課過程中，對例題和作業(yè)題應重新篩選，將結合典型場思想的題目加以強化講授和課后布置，可適當增加學時講授一些具有工程背景的應用類題目，包括數(shù)值計算類例題。教師根據(jù)學生素質情況增加課程綜合類作業(yè)，鼓勵學生結合電氣工程實際開展研究。例如，查閱相關課題文獻，撰寫調研報告；布置一些簡單電磁場建模及數(shù)值求解類型的實踐環(huán)節(jié)，指導學生根據(jù)典型算法如FDTD和有限元等方法進行簡單算法編程計算；布置學生根據(jù)所學知識完成實際電磁類問題的相關調研類、實際工程類綜合性作業(yè)。在創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)中，結合大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類實驗項目等活動，組織創(chuàng)新實驗小組，結合電磁工程問題開展創(chuàng)新設計。通過這些教學實踐，彌補原有教材習題的不足，擴展了學生的專業(yè)知識。

4 結束語

綜上所述， 在工程電磁場教學中，教學團隊結合課程自身的特點應該不斷堅持調整、創(chuàng)新，改進、研究和探索適應學生及工程發(fā)展的實際需要，將教學與實踐更好地結合。

[1]倪光正. 工程電磁場原理[M].2版. 北京:高等教育出版社, 2002.

[2]王澤忠, 全玉忠, 盧斌先. 工程電磁場[M].北京:清華大學出版社, 2004.

[3] William.H.Hayt, Jr, A Buck J. Engineering Electromagnetics[M].7th Edition.The McgGraw-Hill Companics,Inc,2006 .

[4] 傅文珍. 少學時情況下“工程電磁場”教學體系改革[J]. 中國電力教育, 2013(23):66-67.

[5]盧斌先. “工程電磁場”課程教學方法探討[J]. 電氣電子教學學報, 2012,34(3):96-97.

[6] 劉雄英，馬冰然. “電磁場與電磁波”課程教學中的歸納與演繹[J]. 電氣電子教學學報, 2010,32(5):56-57.

Content Adjustment Suggestions and the Education Reform Practice in Engineering Electromagnetic Field Course

YUAN Dongwei, LI Huiqi，ZHAO Xiaojun

(School of Electricaland & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In this paper, we research the current domestic colleges and universities “engineering electromagnetic field” research teaching of teaching content. Through researching the domestic general colleges and universities teaching material and content of university physics electromagnetism, combined with the typical question answer in teaching, we proposed to the “engineering electromagnetic field” course content and work arrangement of specific opinions, under the condition of existing class hours, we emphasize the key point and difficulty, reasonable distribution, an auxiliary experiment, great job on the auxiliary teaching, innovation practice projects, better electrical class engineering electromagnetic field teaching practice.

engineering electromagnetic field; content adjustment; education reform practice; innovation practice

2014-07-11

教育部高等學校專業(yè)綜合改革試點及國家大學生校外實踐教育基地建設工作項目(13011201)。

苑東偉(1980-),女,碩士,講師,主要從事電磁場數(shù)值計算、電磁兼容方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.060