電磁場課程在電氣工程及其自動化專業(yè)中的教學(xué)探索與實踐

電磁場課程在電氣工程及其自動化專業(yè)中的教學(xué)探索與實踐

一、教師難教、學(xué)難學(xué)課程《電動汽車》課程是電子表格化專業(yè)領(lǐng)域的一門重要專業(yè)課程。該課程的理論性和邏輯推理性強,向來被公認(rèn)為是教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程。筆者在該課程的教學(xué)實踐中,獲得了一些淺顯的心得,希望與同行交流。二、課程編制的內(nèi)容電磁場作為一門課程,要想教師教好、學(xué)生學(xué)好首先就要明確該課程的教學(xué)地位及教學(xué)目的,以引起師生雙方的重視。鐘啟泉先生將課程定義為:課程是指在遵照教育目的指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動,由學(xué)校有計劃、有組織地編制的教育內(nèi)容。從課程定義可見課程編制的立足點就在于對學(xué)生的“教育目的”,讓學(xué)生明確所學(xué)課程的教學(xué)地位。《電磁場》課程是青島農(nóng)業(yè)大學(xué)電自化本科專業(yè)的一門必修課程,是電工基本理論的主要組成部分之一。該課程旨在在大學(xué)物理電磁學(xué)的基礎(chǔ)上進一步闡述宏觀電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律,介紹其在工程應(yīng)用方面的基本知識,培養(yǎng)學(xué)生能應(yīng)用場的觀點和方法對電工領(lǐng)域中的電磁現(xiàn)象、電磁過程進行定性、定量分析和判斷,為學(xué)生學(xué)習(xí)自動控制系統(tǒng)、電動機、接觸器、繼電器等電磁設(shè)備和器件的分析與設(shè)計及今后解決工程實際問題打下堅實基礎(chǔ)。三、安氏電磁學(xué)—分析教材體系作為教師選擇合適的教材是提高教學(xué)質(zhì)量的重要要素。目前的教材在電磁場理論教學(xué)體系的組織上主要有兩種:一種是先靜態(tài)場后交變場體系,如高等教育出版社馮慈璋、馬西奎先生主編的《工程電磁場導(dǎo)論》教材,該教材從庫侖定律、畢奧—薩伐爾定律及法拉第電磁感應(yīng)定律出發(fā),逐一介紹靜電場、恒定電場、恒定磁場、時變電磁場。這是一種傳統(tǒng)的電磁理論體系,體現(xiàn)了從特殊到一般的認(rèn)知規(guī)律,其特點是起點低、易接受,但與普通物理學(xué)中電磁學(xué)部分內(nèi)容相似,教學(xué)過程中學(xué)生易產(chǎn)生厭煩情緒。另一種是先交變場后靜態(tài)場,從麥克斯韋方程組出發(fā),先論述時變電磁場,后把靜態(tài)場理解為其特殊情況。這種體系體現(xiàn)的是從一般到特殊的認(rèn)知規(guī)律,其特點是壓縮了靜態(tài)場,充實了時變場,但起點高,不易接受。無論選用哪種體系的教材,對教師來說,至關(guān)重要的是如何整合教學(xué)內(nèi)容,如何組織教學(xué)。四、綜合課程和教育內(nèi)容(一)特殊函數(shù)與矢量分析、場論和電磁矢量分析與場論是用來研究電磁場的重要工具。學(xué)生在本課程之前所學(xué)過的關(guān)于矢量分析、場論及其電磁場所用到的一些特殊函數(shù)等知識已忘得差不多。所以要想學(xué)好這門課程,筆者認(rèn)為是必須要先打好矢量分析與場論知識基礎(chǔ)的,否則,在后續(xù)解析電磁場問題時學(xué)生會一頭霧水。(二)電磁學(xué)知識介紹。對于電磁學(xué)知識的課以往電磁場理論教學(xué)中靜態(tài)場學(xué)時比例偏大,其基本概念學(xué)生在電磁學(xué)知識中已學(xué)過,所以這部分中我們以壓縮形式介紹重點知識,以免學(xué)生產(chǎn)生厭煩情緒。(三)時變場教學(xué)的拓展學(xué)習(xí)該課程前學(xué)生對時變場知識僅限于簡單的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,我們壓縮靜態(tài)場學(xué)時后時變場教學(xué)得以充實,內(nèi)容從電磁感應(yīng)、麥克斯韋方程組、波動方程直到平面波和輻射,使學(xué)生較全面地了解了電磁場理論體系,掌握了時變場的分析計算方法。(四)選擇適用的內(nèi)容電磁場數(shù)值分析方法正日漸滲入到許多交叉領(lǐng)域和新興學(xué)科。然而,經(jīng)典的電磁場理論中并不包括這部分內(nèi)容,例入的一些教材也往往只作為備選內(nèi)容。筆者認(rèn)為這部分知識應(yīng)該有選擇的給學(xué)生講授,我們選擇了有限差分和有限元兩種方法,結(jié)合例題介紹本部分知識,使學(xué)生了解這兩種方法的基本思想、理論依據(jù)和求解過程,為進一步學(xué)習(xí)其它電磁場數(shù)值方法打下基礎(chǔ)。(五)天線技術(shù)方面的問題在現(xiàn)代大型自動化控制系統(tǒng)中,越來越多地使用無限傳輸與控制技術(shù)。電磁波的發(fā)射、接收方面的問題已是電自化專業(yè)的學(xué)生不可逃避的;而天線是電磁波發(fā)射與接收的重要部件,是電磁波出入硬件系統(tǒng)的“門戶”,對于電自化專業(yè)其后續(xù)課程沒有相關(guān)知識攝入。為此,我們加強本部分內(nèi)容的講授,為學(xué)生今后的工程實踐打下必要的基礎(chǔ)。五、教學(xué)方法不斷完善電磁場課程教師感覺難教,學(xué)生感覺難學(xué),此現(xiàn)象的出現(xiàn),關(guān)鍵在于,電磁場課程物理概念抽象,邏輯推理性強。正因為如此,該課程可以說是一門培養(yǎng)學(xué)生能力的課程,對培養(yǎng)學(xué)生形成正確的思維方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度大有幫助。用科學(xué)的教學(xué)方法傳授知識易于被學(xué)生有效接授和消化,同時其解決問題的思維方法也在教學(xué)過程中潛移默化地被學(xué)生吸納,并轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N潛在的能力。筆者在教學(xué)過程中,以教學(xué)大綱為準(zhǔn)繩,結(jié)合筆者多年來的教學(xué)經(jīng)驗,充分發(fā)揮所選用教材的優(yōu)勢,又不局限于教材本身,對于教材的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)思想進行合理的整合,通過不斷的教學(xué),實踐—反饋—修正、再實踐—再反饋—再修正,使教學(xué)方法不斷完善。筆者在從事電磁場教學(xué)過程中,經(jīng)常與學(xué)生做溝通,學(xué)生有這樣幾個典型的反饋:“都是些數(shù)學(xué)推導(dǎo),而且還那么難!”“聽課時感覺明白了,一做題就不會!”“概念太抽象了!”“學(xué)這些理論將來哪能用上?”。針對這幾種常見情況,筆者有一些體會,再結(jié)合多年的電磁場教學(xué)實踐經(jīng)驗,希望與同行們在教學(xué)方法上進行交流。(一)“未學(xué)先擔(dān)”:簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo),重點強調(diào)思路分析電磁場理論用到高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、數(shù)理方程和場論等既多又難的數(shù)學(xué)知識。當(dāng)學(xué)生拿到教材看到滿篇繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)時,勢必會產(chǎn)生畏懼感,“未學(xué)先懼”成為歷屆學(xué)生存在的普遍現(xiàn)象。針對這一問題筆者采用的是簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo),注重思路分析,重點強調(diào)結(jié)論的方法。簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)并不是全面回避數(shù)學(xué)內(nèi)容,而是詳略得當(dāng),以重點例題詳講,重視總結(jié)歸納各章內(nèi)容中數(shù)學(xué)分析方法的相同點。力爭“一處講透,別處類比,理清思路,重析結(jié)論”。(二)用戶課程內(nèi)容多為矛盾,但內(nèi)容較少“感覺明白,不會做題”這也是歷屆學(xué)生反映出的問題。這正說明了應(yīng)用電磁場理論解決問題不是單純的數(shù)學(xué)能力,還需要弄清物理概念。我們在教學(xué)中,盡可能多地講解例題,歸納解題方法。但對電磁場這門課程,往往存在學(xué)時較少而內(nèi)容較多的矛盾,不可能有充裕的時間進行全面系統(tǒng)的解題訓(xùn)練。針對這個矛盾問題我們采取的措施是,在有限的課堂授課時間內(nèi)盡量精講典型例題;每章結(jié)束時做小結(jié),提煉本章重點和難點,適當(dāng)安排習(xí)題課,并通過布置不同深度的課外作業(yè)、小測試等方式,加強學(xué)生的解題基本功訓(xùn)練,提高學(xué)生分析解決問題的能力。(三)從教學(xué)中用實例隨著科技飛速發(fā)展,電磁場理論在工程實踐、科學(xué)研究和日常生活中應(yīng)用越來越廣泛和深入。如果,在教學(xué)過程中我們能有意識地善用教學(xué)實例,強化這一點就可以消除學(xué)生的“學(xué)這些理論將來哪能用上?”的疑問。不僅有助于學(xué)生理解電磁場基本原理、基本方法,而且擴大學(xué)生的知識面同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。(四)教學(xué)手段的選擇電磁場理論難教難學(xué)關(guān)鍵在于計算復(fù)雜、概念抽象,過去在黑板上很難講清楚的問題和那些書寫量很大的問題,現(xiàn)在可以采用多媒體教學(xué)手段來解決。這樣既可擴展講課視野,又可使學(xué)生能夠所聞有所見,所見有所得。將抽象的場用計算機軟件仿真出來是電磁場教學(xué)的一大趨勢,也是我們在教學(xué)手段上急需解決的問題。理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合,可以使學(xué)生增加對場和波的感性認(rèn)識,并熟悉工程測量方法。六、建立課程教學(xué)管理體系近些年電磁場課的一個最薄弱的環(huán)節(jié)就是教學(xué)環(huán)節(jié)的管理、教學(xué)資料的積累和教學(xué)經(jīng)驗的總結(jié)與教學(xué)方法的研究,為了適應(yīng)新的教學(xué)大綱和新的教學(xué)手段,我們努力建立適合自己專業(yè)的的課程教學(xué)管理體系;建立完善的考核方法,(下轉(zhuǎn)260頁)(上接259頁)建立電磁場理論習(xí)題庫和試題庫。同時,加強與兄弟院校的交流與合作,努力