浅谈学生为中心的电磁场教学方法论文

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  一、引言

  “电磁场”是电子/通信/电气工程专业的一门必修专业基础课程。设置本课程的目的是让学生从整体上掌握电磁场的基本理论和基本分析方法,了解电磁场的理论在电气信息类的应用,是通往后续专业课的桥梁,也是电类学生进行科技创新的理论基石。但“电磁场”课程理论强、公式多,要求学生具有较强的空间想象力、抽象思维能力和逻辑推理能力,历来被电类专业的学生认为是“天书”,导致还未开课就已经产生了惧怕情绪。

  近年来,我国高校综合素质教育要求的不断提高,专业基础课程普遍存在学时压缩的情况,随之出现了“电磁场”教学内容多而课时数少的矛盾。对教师来讲,如何在短学时里使教学内容要点清晰、能突出复杂工程问题中的理论基础,如何在短学时内的理论教学过程中,激发学生的主动学习和动手能力极其关键。

  二、建立立体化教材

  面对学时压缩的压力,课时量和教学内容的矛盾是首先要解决的矛盾,而教材的选取显得尤为重要。在教材的选取过程中,“电磁场”课程组在研读经典的电磁场理论方面的教材《电磁场与电磁波》(谢处方/饶克谨着)、《工程电磁场导论》(冯慈璋/马西奎着)、《工程电磁场(英文版)》(Hayt,W.H着)]的基础上,充分结合本校电类专业的特点,对“电磁场”课程的教材资源进行整合,配合武汉大学出版了《工程电磁场(第一版),2007》。随后,又出版了《工程电磁场(第二版),2011》,此教材以充分结合工程应用为主,教材结构安排和知识点阐述清晰简洁便于学生自学,教材中重点内容设置完整,与授课学时匹配。随后课程组提供了的《工程电磁场》立体化教材,包括光盘、课程网站等,列出每节课的教学重点和难点并根据教学内容设计相应的教学方法,提供教学大纲及授课教案、指导教材及电子课件、疑难解答、主讲教师的授课录像等。近两年,在立体化教材基础上,着重进行“电磁场”资料库的建设,包括电磁场的发展历史、对电磁学发展有突出贡献的人物传记(例如:《麦克斯韦:改变一切的人》、法拉第(科学家传记)等)、当前的电磁学的研究热点期刊/着作/视频、利用电磁学理论的手工制作(例如:莱顿瓶、电磁炮、特斯拉线圈等),拟建成一个以学生为中心,丰富多彩的教学资源为基础的开放型网络资源共享平台。

  三、以学生为主的教学方法的探讨

  (一)第一堂课的重要性

  文献中提到“每门功课都应该这样开始。使它能引起学生的真正爱好,向他们证明它是如何美好、有用、快意、是如何需要”,第一堂课的重要性不言而喻。在“电磁场”的教学中我们从以下几个方面,以激发学生的学习兴趣为目的开展第一堂课:

  1.从大家熟知的生活用品,到国防领域,到各种炫酷的高科技产品或体验,让学生切身感受到电磁场理论在生活中的无处不在。

  2.拿出初高中乃至小学就涉及到的简单的电磁学实验,让大家各抒己见谈谈对电磁学的认识以及对生活中的其他电磁现象进行举例,让学生对这门课感到熟悉。

  3.提出问题,让学生总结一些这些基本的实验与之前生活中的各种应用之间到底具有怎样的相同点?是什么样的东西存在,使得所有的这些看似不挂钩的应用却具有相同的本质?4.给出解释,现象与理论之间是靠建立物理模型建立起联系。而如何将这些应用转变为物理模型便是本课程的主要研究的内容。随后引出学习电磁场理论所需要的数学基础(场论,适量分析)以及学习方法(类比法,举例法等),最后列出本课程的总体框架图(场和源的关系,时变与时不变的联系)。

  (二)强调本课程与其他课程的联系“电磁场”与“数学”的联系。

  “电磁场”之所以难学,很大程度上是因为数学占了很大的比例。例如在讲解矢量场的散度和旋度时,如果只讲数学概念,学生会觉得很枯燥。若将这些数学概念有机地与物理模型相结合,例如在讲解散度时提出散度是描述一个场中的实验电荷是否会受到源电荷对它的排斥或吸引作用,而旋度则是描述实验电荷是否会围绕源进行的旋转运动,深挖数学和“电磁场”概念之间内在逻辑关系,使之从繁杂的数学公式中明确主要的物理概念。“电磁场”与“电路”的联系。“电磁场”是研究微观电荷的作用。“电路”则强调路中电流、电压,是一种宏观的描述。虽然表现形式不同,实质上相互补充相互联系。例如在讲解恒定电场中,从两个基本方程可以推导出电路中的基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律。而时变场中的坡印廷定理,很好的解释了电路中的能量传输问题。

  (三)激发学生总结归纳的能力

  大学前的教育,学生习惯于被动的接收知识,这就导致学生缺乏总结归纳的能力,而这种总结归纳能力恰巧能体现学生对知识点的掌握情况。而电磁场课程概念、公式多,如果学生能理解课程中的知识脉络结构和知识点之间的因果关系,对于后续概念的吸收以及公式的推导会起到有事半功倍的效果。

  在本课程的教学过程,应该有意的激发大家的这种归纳总结的能力。例如,在第一堂课最后,对整个电磁场的理论用一个框架进行描述,图中通过用直线和虚线代表时不变和时变,用箭头表示相互之间的生成关系。在后续每章的教学过程中,为了加强有关知识点之间的相互联系,也可以充分利用框图来表示知识之间的衔接关系,第一章静电场的框架图,清晰的列出了本章知识点之间的衔接关系,体现了教学过程中从理论到工程实践的过渡。由于场分析的相似性,在后续的几章中鼓励学生自己画出类似的框图,对所学习的知识点进行归纳整理。

  四、结束语

  本文以“电磁场”立体化教材为基础,探讨了“电磁场”理论与先修和后续课程的联系。在具体的教学方法中,引导和鼓励学生自己进行知识总结,目的在于激发学生主动学习性。但电磁场理论博大精深,我们还需不断努力以实现培养创新人才的艰巨任务。