少学时下工程电磁场教学效果提升方法研究

白小玲

摘  要：工程电磁场作为电气工程专业的重要基础课程，其内容具有理论性强、数学推导多、理解难度大等特点，针对少学时情况下，提出了提高该课程教学效果的方法：注重课程引导、工程实例讲解，提高学生学习积极性;教学内容整合、讲解精简有别，帮助学生构架课程知识体系;有限元软件辅助教学，帮助学生更深入理解，并进一步提高学生实践动手能力。

关键词：工程电磁场  少学时  效果提升

中图分类号：TM15-4;G642    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（a）-0095-03

Abstract： As an important basic course of electrical engineering major， the content of engineering electromagnetic field has the characteristics of strong theory， many mathematical deductions and great difficulty to understand， etc. This paper aims at studying the methods to improve the teaching effect with fewer classes. Such as through paying attention to course guidance， studying engineering examples to improve students' enthusiasm for learning， integrating the teaching contents to help the students construct curriculum knowledge system， and auxiliary teaching of the finite element software to help the students to understand more deeply and further improve the practical ability of the students.

Key Words： Engineering electromagnetic field; Fewer classes; Improve the teaching effect

“工程电磁场”是电气工程与自动化专业的专业必修课程，以“大学物理”“高等数学”等课程为基础，让学生获得场的基本理论及分析方法知识，以培养学生对工程中的电磁现象具有分析问题、解决问题的综合素质。同时，“工程电磁场”也是作为“电机与拖动”“电力系统继电保护”“电力传动控制系统-运动控制”“控制电机与特种电机及其控制系统”“电力系统分析”等一系列课程的先修基础课程，可见其重要性。该文从“工程电磁场”教学内容理论性强、数学推导多、理解难度大等特点出发，针对少学时情况下，探索提升该课程教学效果的方法：主要从课程引入、课程知识体系构建、讲解精简有别、内容关联讲解几方面进行内容整合，另外，结合实际应用分析以及有限元仿真工具丰富教学方法提高学生学习兴趣，达到提升教学效果的目的。

1  注重课程引入

学生对一门课程的初步印象和定位，对于后续教学过程中的接受程度以及教学效果等尤为重要，而“工程电磁场”的“难，挂科率高”的印象在学生中早已名聲在外，像这样还没有开始就已经有很大的思想包袱，在课堂上就愈加感到学习困难，特别是在32/40学时的少学时、内容多的情况下，学生接受起来更加困难，甚至有学生直接放弃学习，认为这门课本来就很难，学不学都一样弄不懂，大家都学不懂也没有什么好担心的。因此，在课程开始前，一方面，可以借助先修课程的先验知识基础，尽可能地向学生说明课程的主要学习内容、学习方法、学习目的，以及与先修课程先验知识的关联性、延伸性，多采用提问启示、实验演示、悬念设计或事例引入等方法，调动学生学习兴趣和积极性;另一方面，“工程电磁场”的“难”很大部分在于抽象难于理解，因此，在教学环节中，可广泛借助三维建模、动画展示、实例视频等多媒体演示方法，帮助学生理解，比如，在学习散度定理和斯托克斯定理时，其中的通量、环量概念、闭合面构成体、闭合路径构成面元的理解，对于这两个定理的数学表达就显得尤为重要，而这两个定理的掌握情况，又可以关联到后续麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式变换中。因此，即使在少学时情况下，仍然需要保证基础知识点剖析和知识点关联引入的讲解时间。

2  课程内容精简有别、结构整合统一

“工程电磁场”这门课程主要是运用电磁场论的物理建模以及数学理论，对静电场、恒定磁场、时变电磁场、电场波等场问题进行分析，在这过程中，涉及到的库伦定律、安培定律、电磁感应定律，以及数学分析中的矢量分析、坐标变换、场的梯度等知识在先修课程大学物理以及高等数学中都有讲解，因此，在少学时情况下，这些内容简要说明即可。对于场源—媒质—场量、散度定理、斯托克斯定理、亥姆霍兹定理、麦克斯方程组等知识点，应重点放在帮助学生理解其物理含义，以及如何进行应用方面。除此之外，对于电场能量、磁场能量、电场力、磁场力、不同媒质边界条件等相似分析方法的知识点，也可以在教学推导过程中精讲一个就行。

另外，针对静电场、静磁场以及动态电场和动态磁场问题，麦克斯韦方程组作为理论指导主线[1，2]，是整个宏观电磁场理论核心，掌握好该方程组，结合亥姆霍兹定理、散度定理和斯托克斯定理，对于几个典型电磁场环境的分析和模型建立就容易得多[3，4]，因此，这部分内容应放在重中之重进行讲解。

例如：在麦克斯韦第一方程式（1）中，第一项取决于导电媒质中的传导电流，第二项用于描述真空、惰性气体等空间中运动电荷形成的运流电流，第三项为考虑电场和磁场间的耦合作用，即用于动态电磁场问题，由于传导电流和运流电流存在的物质条件不同，因此，式（1）中第一项和第二项不能同时存在;对于恒定磁场，场源恒定电流不随时间变化，式（1）中描述的与时间相关的物理项就应该舍去（或考虑为零），就很容易得到导电媒质通过恒定电流引起的恒定磁场的数学模型可表示为式（2）。因此，应加强麦克斯韦方程组的数学形式以及物理意义的讲解，确保学生理解透彻，然后再针对不同的电磁场问题进行学习，就把“工程电磁场”课程的主要教学内容进行了有效关联，也有利于学生理解和运用。典型教材有高等教育出版社出版、由谢处方、饶克谨主编的《电磁场与电磁波》[5]、由倪光正主编的《工程电磁场原理》[6]。

（1）

（2）

3  结合先验知识和应用实例

“工程电磁场”将实际电磁装置中的电磁现象和过程，通过采用电磁场的物理模型，根据产生电场、磁场的场源（电荷、电流），和场源所处的环境也就是媒质，分析场源与场量（电场强度、磁场强度以及相关物理量）间的关系和基本规律;这与在电工电子装置中，采用理想化的电路模型，根据电源、电路元件（电阻、电容、电感）特性，以电压和电流作为基本分析物理量，分析电源激励下电路响应间的关系、基本规律等电路分析中的先验知识有很多共通之处，在教学过程中，注重与先验知识的关联讲解，往往会事半功倍。

比如，在讨论恒定电流形成的恒定电场和恒定磁场问题时，恒定电流可看作由直流电源提供，传导电流可看作直流电路中通过的电流，学生在“大学物理”课程中已经有平行平面电场、传导电流产生的磁场分布等先验知识，再来讨论电极系统、不同媒质分界面电场、磁场的边界条件就更容易理解得多;再比如，在学习电磁场能量问题时，可以结合变压器的铁心结构，分析其材质、尺寸等参数选择的依据，认识涡流损耗和集肤效应的产生以及特性。另外，大量的电磁技术应用视频资料，可借助学习通、雨课堂、智慧课堂等教学平台共享，供学生课下观看学习，既不占用课堂教学时间，还可以进一步地在教学平台上提出问题进行讨论。

4  有限元仿真辅助教学

“工程电磁场”是深入地研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律和分析计算方法，从生活中常见的电磁现象扩展到在雷达、卫星通信、遥感、无线电能传输等应用领域，也让学生了解这门课程的实际应用领域。有限元仿真辅助教学是“工程电磁场”课程形象化教学的重要方法之一[7-10]，有限元仿真工具可以以图表、曲线、场矢量空间分布、动态结果等方式展现电磁场场量，能够让学生更形象更深入的理解电磁场现象，也便于学生在后续相关领域的科研及工作的开展。

在少学时情况下，可先从课程中的典型实例仿真分析入手，让学生熟悉有限元分析中模型构建、边界条件设置、激励（场源）设置、仿真结果提取等分析流程。在这过程中，不但帮助学生理解电磁场分析应考虑的主要因素，还启发学生思考不同因素对电磁场的影响。比如，常见的同轴电缆的电场和磁场分布问题，若按照麦克斯韦方程组分析，需要分区域进行计算;借助有限元仿真工具，建立同轴电缆三维模型（如图1所示），设置场源、求解对象、求解区域，可以很直观地得到各个场量的分布情况和变化曲线（如图2所示），还可以更改三维模型的参数设置，对比不同场量的仿真结果，并用理论进行结果分析。在这过程中，不仅能够加深学生对于电磁场问题场源、场量、场空间三要素的理解，更能锻炼学生的实践动手能力和问题分析能力。

5  结语

工程电磁场课程在电类学科中具有重要地位，而学生在学习该课程时又遇到很多问题，该文针对“工程电磁场”课程内容抽象、数学推导复杂等特点，针对少学时的教学安排，结合自身的教学经验，提出从课程有效引入、课程内容整合、章节关联讲解、课堂穿插有限元仿真等方面，帮助学生理解掌握课程内容，提高学生对电磁场问题的建模分析能力和学习积极性，达到提升少学时下工程电磁课程教学效果的目的。

参考文献

[1] 刘觉平.麦克斯韦方程组的建立及其作用[J].物理，2015，44（12）：810-818.

[2] 李海，于文莉，林忠海，等.麦克斯韦方程组及其电磁场特性分析[J].电子技术与软件工程，2015（13）：161-162.

[3] 王彬，陈德智.浅论亥姆霍兹定理在电磁场理论中的贯穿作用[J].物理与工程，2007，17（5）：18-19.

[4] 董广宇.从麦克斯韦方程组到电磁波方程[J].现代物理知识，2017，29（3）：51-54.

[5] 谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[6] 倪光正.工程电磁场原理[M].北京：高等教育出版社，2016.

[7] 陈执平.本科电磁场教学中引入ANSYS的尝试[J].大学物理，2010，29（7）：32-35.

[8] 陈艳，陈新.基于QI标准线圈的磁諧振无线充电系统仿真研究[J].电脑知识与技术，2015，11（10）：207-209.

[9] 盛洪江，李越林.Ansys在工程电磁场课程教学中的应用[J].电脑知识与技术，2016，12（15）：164-165.

[10] 李亚莎.有限元法及其在《工程电磁场》教学中的应用[A].第七届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集[C].三峡大学，2010：1-4.