馬西奎-電磁場與波課程教學的現狀、存在問題和解決方案——簡談《工程電磁場導論》（第2版）的編寫.pdf

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1、電磁場與波課程教學的現狀、存在問題、解決方案和幾點建議-簡談工程電磁場導論(第2版)的編寫馬 西 奎西安交通大學電氣工程學院一、現狀分析二、需要解決的問題三、問題的解決方案四、幾點建議五、簡談工程電磁場導論(第2版)的編寫現狀、存在問題、解決方案和幾點建議一、現狀分析1）幾十年幾乎是一顆恒星電磁場理論作為技術基礎課，經過近百年的礪煉，雖然已形成了完善和嚴格的科學體系，但是無論從教材編寫理念、內容選擇、形式設計等方面，還是在課堂教學組織上，幾十年來都無明顯的改觀，特別是從問題的解決來構建知識體系幾乎沒有涉及。2）應用能力培養深度不夠重視對學生的知識的實際運用能力的訓練在教學大綱、內容安排等方面都

2、不能明顯看出，自身沒有構成一個實際問題的解決方案，學生很難得到有關高度綜合運用所學知識的整體訓練機會。一、現狀分析3）理論與應用間存在鴻溝電磁場理論雖然有它堅實的理論基礎和完整的體系結構，但它與解算工程實際電磁問題之間尚存在一條鴻溝。4）課程的重要性吆喝不夠大學的教學已經變“專業教學”為“工程技術科學基礎教學”，電磁場理論已成為電類學生共同所需的知識大平臺中的一部分，但是其在表現的策略和形式仍嫌薄弱。酒好也要會吆喝，“酒香不怕巷子深”的年代一去不復返了。一、現狀分析5）學生學習環境十分欠缺在今天這個信息時代，學生獲取知識可以通過多種媒體和方式，而不再局限于課堂上，因而應該為學生提供各類學習資料

3、，并創造一種學習環境（討論、案例分析、實驗、分析軟件的使用、制作競賽），讓學生成為學習的主體。但是，對于電磁場理論課程教學來說，這種學習環境十分欠缺。一、現狀分析二、需要解決的問題二、需要解決的問題1）如何以生動的事實讓學生了解電磁場理論及其應用的歷史發展及現狀？其目的是消除學生對電磁場理論知識高深莫測的畏懼感，掌握課程設置的銜接性，避免學生對電磁場理論課程產生片面認識。明確為什么要學習電磁場理論？怎樣學習電磁場理論？二、需要解決的問題2）如何通過精選的案例來復原典型的電磁場工程問題？其目的是在講解這些從實踐中抽取并經過精心改造和設計的案例的過程中，逐步建立起學生應掌握的電磁場理論框架，并對學

4、生實際求解提供足夠的啟示和指導。3）如何在課堂教學組織中將知識獲取和項目實踐兩方面有機結合？其目的是使教師在課堂教學中既培養學生對電磁場理論課程具體內容的理解和掌握能力，又培養學生對整體課程知識運用和融會貫通的能力。二、需要解決的問題4）如何在理論教材體系設計、內容安排、形式設計等方面，把提高學生的實踐能力放到一個更高的高度來考慮？其目的是在教材編寫中貫穿“強化應用、突出能力”這個基本的教學設計原則。5）如何安排基于Ansoft的上機練習，鼓勵學生利用這些軟件從多角度學習？其目的是加強課程實驗和課程設計環節。通過計算機軟件在電磁場理論教學中的應用，通過電磁建模、仿真、修正參數等過程，增強學生獨

5、立探索解決實際問題的動手能力。三、問題的解決方案1）通過基于案例的、基于問題的和基于工程項目的驅動，使學生提高電磁場理論課程學習的目的性和應用能力。今天，教師不再只是簡單地進行知識傳遞，要傳授思想。教師在教學中應區分孤立知識點和可整合知識點，集成一些知識點使之成為案例，表達一定的思想，展示事實讓學生自行判斷，自己得出結論。這些思想應該是學生難以從書本上獲得的，是當知識點已經遺忘仍然能夠保存下來的東西。整合知識點、尋找和設計論題則需要教師長期的甚至畢生的積累。三、問題的解決方案2）將典型工程應用案例貫穿始終、將理論與實踐有機結合、將知識傳授與能力培養相結合、將學習習慣與創新思維培養的有機結合。適

6、量和適當地將案例貫穿于理論講解的始終，應該使經過簡化處理的實用型案例與課程所講述的基本理論相輔相成，是突破理解困難的一個有效武器，其目的是增強初學者對學習電磁場理論的興趣。三、問題的解決方案3）強調對計算機軟件的應用。在教材中每一章的后面安排基于計算機軟件的上機練習，鼓勵學生利用先進的科技手段從多角度學習新知識，增強學生的動手能力。4）使學生“見多識廣”；激發學生的“好奇心”。引導學生主動地進行實驗課學習，使學生擺脫被動的學習狀態。三、問題的解決方案四、幾點建議四、幾點建議1）出版一些有關探究性學習方面的指導用書其目的就是通過具體課程設計的一系列訓練，講解如何將知識獲取和項目實踐兩方面有機結合

7、，使教師在課堂教學中既培養學生對相關課程具體內容的理解和掌握能力，又培養學生對整體課程知識運用和融會貫通的能力。四、幾點建議2）出版一些教學參考書教材改革提倡教材內容的更新，這無疑是正確。但是，對于基礎課與專業課就應加以區別對待。專業課越新越好，而基礎課更新步伐則不宜太快。如果基礎課是全新的，那要么就成了專業課，要么就成了新學科的基礎。四、幾點建議基礎課教材修訂的原則應該是：（1）不能沖淡學生對基礎知識的需要。（2）不能擠走一些學科的基礎。（3）不能產生舍本逐末的效應。近十多年來不斷壓縮課時，電磁場理論若是再大幅度地更換新內容，勢必傷筋動骨，就不適于當做“普及性”的教材，但作為教學參考書是決無

8、問題的，而且是非常重要的參考書。四、幾點建議3）出版一本教師手冊提供完備的教學支持：教學大綱、教學建議、教學難點和重點提示，以及習題和案例的詳細解法。四、幾點建議4）出版一本好的實驗教材對于“強化應用，突出能力”的培養來說，現在的實驗教材明顯單薄。到目前為止，大多數電磁場實驗教材都是很薄的一本，內容很少，介紹過于簡單，往往都是只簡單介紹每個實驗如何去做。關于為什么這樣做實驗，如何去分析實驗結果，得出什么樣的結論，以及學生從實驗中獲得什么啟發，都難在現有電磁場實驗教材中體現出來。而恰恰是以上這些，才是衡量一本實驗教材優與劣的關鍵。一本好的實驗教材對促進學生學習也是有益的。四、幾點建議5）理論教材

9、出版要多層次化大學教材講“統編”和“規劃”，未免有點不合調子，連最講究規范與標準的中小學教材尚能一綱多本。事實上，讓一般本科院校學生與清華、北大學生用同一種教材上課，就像讓NBA球隊與一般的球隊比賽一樣不切實際。特別是要借鑒一些國外教材的特點：國外教材有著非常明顯的優點：印刷精美，圖文并茂；例子很多，注重實用；思維活躍，深淺有致。這些特點都是我們編寫教材應該學習發展的方向。四、幾點建議從表面看國外教材較為簡單。一個并不太難的問題，要翻來覆去地從不同角度講上幾回，練上幾回。其實，這正是國外教材的長處之一。教材就是讓讀者讀懂學會，而不是故弄玄虛。例如，在講解靜電場中的能量分布時，可以不涉及微積分，

10、利用力線管的極限的處理方法，再加上圖文并茂的表現，可以將問題解釋得非常透徹，老師只需略進一步就可以過渡到微積分處理。但從我國現在的教學大綱來看，這似乎“淺”了一些。按我們現在的做法是，一開始就要用微積分，但是這樣子學習效率和效果并不好，老師往往要把較多的精力放在講解數學的應用方面。四、幾點建議從另一方面來看，國外大學的課程設置在深度方面有不如國內大學的地方，這樣的教學設置取向應該引起國內大學的重視。試想，學生如果覺得一門課程太難學，那么學習效果和效率就很難保證。就教材的編寫而言，在給學生打牢理論基礎的同時，更應在教材體系設計、內容安排等方面把提高學生的實踐能力放到一個更高的高度來考慮。簡談工程

11、電磁場導論(第2版)的編寫目前，在高等學校工科電類專業都要求學生必修“電磁場理論”或“電磁場與波”的課程，這是完全必要的。作為一名電工、電子工程師或科研人員，如果不了解或者對“電磁場理論”只有模糊的認識，就不可能對事物的本身有實質性的認識，因而也談不上對工作有所改進或創新。學好本課程，不僅可打好一定的扎實基礎，而且對培養學生思維能力以及運用數學方法分析和解決工程問題能力都起著極為重要的作用。簡談工程電磁場導論(第2版)的編寫1 工程電磁場導論教材的歷史淵源2 我國“電磁場”課程教材現狀的粗估3 工程電磁場導論教材修訂的一點設想4 結束語簡談工程電磁場導論(第2版)的編寫1 工程電磁場導論教材的

12、歷史淵源“電磁場”單獨設課講授是“文革”后的事情?！拔母铩焙蟮?978至1988年這10間，工科電工教材編審委員會組織出版了一批教材。例如，我校馮慈璋教授主持編寫的電磁場教材分別于1979年和1983年由高等教育出版社出了兩版。電磁場教材第1版的出版解決了當時教材的有無問題。1 工程電磁場導論教材的歷史淵源后來，根據當時的教學實踐，對電磁場教材第1版進行了比較大的修訂，出版了電磁場教材第2版。在第2版中，刪去了“等離子體中的電磁場”和“運動系統的電磁場”這兩章。這兩版教材都是采用傳統體系編寫的，它基本符合當時我國大學本科生的水平和接受能力，所以得到廣泛采用，為我國電磁場理論廣大教師所熟悉，并取

13、得了好的教學效果。1 工程電磁場導論教材的歷史淵源1997年，為了適應當時面向21世紀高等教育的教學內容和課程體系改革的需要，我們編寫了工程電磁場導論，并于2000年6月由高等教育出版社出版。在這本教材的編寫中，我們的基本考慮是：電磁場課程的基本內容和范圍已大致穩定，其框架仍然是以經典內容為主，也仍然是電類專業技術的基礎。但是，面對科學技術的迅速發展和培養跨世紀人才的需要，從加強基礎、拓寬專業,擴大新技術知識考慮，應該重新審視、選擇和組織教學內容，處理好基礎部分與深入部分內容，傳統方法與現代觀點之間的關系。為此，采取的具體作法有：1 工程電磁場導論教材的歷史淵源1 工程電磁場導論教材的歷史淵源

14、（1）明確本門課程是作為專業學科的基本支撐，為學科方向服務，而不是突出電磁場理論學科自身完整的理論體系。也就是說不宜強調學科性。（2）從“大電工”的角度設定教學內容，打破強、弱電之間的界線，教材試圖兼顧兩方面。突出電磁場的普遍規律，注重教材的基礎性，使學生對基礎知識牢固掌握、靈活運用。注重基本概念、基本規律和基本的分析計算方法。（3）在保持過去教材重視基本內容、基本概念特色的前提下，慎重處理傳統內容，確保教材的科學性、系統性和先進性進一步提高。還有處理好起點高低的問題、內容新舊的問題和定性與定量的問題。（4）在組織課程的教學內容和體系時，突出“主體概念”的教學可以起到以“點”帶“面”，“綱”舉

15、“目”張的效果，使教學效率進一步提高。（5）在例題和習題的選擇上下大功夫，以解決基本理論雖然掌握了，但仍不會做題的局面，使電磁場理論變得容易掌握一些。（6）注意應用性和實踐性（即工科特色）的體現。在趨向實際方面做些邁進，注意培養用“場”的觀點分析問題。重視工程問題的電磁模型的建立和定性分析，有意識地培養學生從定性的方法入手突出問題和方向問題的能力（7）適當反映科學技術的新進展，重視計算機發展的影響。1 工程電磁場導論教材的歷史淵源總之，我們當時的愿望是使“電磁場”和“電磁場與電磁波”課程教學呈現出了貼近工程背景。但是，這一點愿望還遠遠沒有實現。在工程電磁場導論教材中，向“工程”中的“導”和“論

16、”都還很欠缺。1 工程電磁場導論教材的歷史淵源自2000年以來，我國已出版了多于70種電磁場教材。這些教材各有一定的特色。第一，許多大學將課程名稱分別改為工程電磁場和工程電磁場與波；第二，教學內容盡量多地與工程應用相結合；第三，教材中給出了一些工程應用實例，有的教材甚至專門開辟具有工程應用背景知識內容的章節。2 我國“電磁場”課程教材現狀的粗估為了加強學生應用計算機求解電磁場的能力和技能，一些學校還在電磁場和電磁場與電磁波課程中增加了電磁場數值計算的內容，還有一些學校開設了1632學時不等的電磁場數值計算類選修課程，講授求解電磁場的常用數值計算方法（如有限差分法、有限元法、矩量法等）和電磁場常

17、用分析軟件（如ANSYS等）。就目前情況來看，我國“電磁場理論”的教材缺少層次,風格單一，長期以來內容差別不大，特色不明顯。2 我國“電磁場”課程教材現狀的粗估電磁場理論作為技術基礎課，經過近百年的礪煉，雖然已形成了完善和嚴格的科學體系，但是無論從教材編寫理念、內容選擇、形式設計等方面，還是在課堂教學組織上，幾十年來都無明顯的改觀，特別是從問題的解決來構建知識體系幾乎沒有涉及。重視對學生的知識的實際運用能力的訓練在教學大綱、內容安排等方面都不能明顯看出，自身沒有構成一個實際問題的解決方案，學生很難得到有關高度綜合運用所學知識的整體訓練機會。2 我國“電磁場”課程教材現狀的粗估主導思想：試圖通過

18、適量和適當地將案例貫穿于理論講解的始終，使經過簡化處理的實用性案例與課程所講述的基本理論相輔相成，成為學生突破理解困難的有效武器，達到增強初學者對學習電磁場理論的興趣，同時也使授課教師受到啟迪，教學思路豁然開朗的目的。更為重要的是培養學生會用“場”的觀點和方法來分析、解決一些工程問題的初步能力。這是電磁場理論課程教學中不可缺少的重要環節，必須切實加強。3 工程電磁場導論教材修訂的一點設想3 工程電磁場導論教材修訂的一點設想需要解決的主要問題:（1）如何以生動的事實讓學生了解電磁場理論及其應用的歷史發展及現狀，來消除學生對電磁場理論知識高深莫測的畏懼感，掌握課程設置的銜接性，避免學生對電磁場理論

19、課程產生片面認識。明確為什么要學習電磁場理論，怎樣學習電磁場理論，明確學習目的。3 工程電磁場導論教材修訂的一點設想（2）科學的教育不是說教，而是展示事實讓學生自行判斷，自己得出結論。教師不是簡單的知識傳遞，要傳授思想。教師在教學中應區分孤立知識點和可整合知識點，然后集成一些知識點使之成為案例，表達一定的思想，而這些思想應該是學生難以從書本上獲得的，是當知識點已經遺忘仍然能夠保留下來的東西。整合和創作知識點、尋找和設計論題則需要教師長期的甚至畢生的積累。如何通過精選的案例來復原經典的電磁場工程問題，在講解這些從實踐中抽取，并經過精心改造和設計的案例的過程中，逐步建立起學生應掌握的電磁場理論框架

20、，并對學生實際求解提供足夠的啟示和指導，也是需要解決的關鍵問題。3 工程電磁場導論教材修訂的一點設想（3）在課堂教學組織中，如何將知識獲取和項目實踐兩方面有機結合，使教師在課堂教學中，既培養學生對電磁場理論課程具體內容的理解和掌握能力，又培養學生對整體課程知識運用和融會貫通的能力。（4）在理論教材體系設計、內容安排、形式設計等方面，如何把提高學生的實踐能力放到一個更高的高度來考慮，在教材編寫中貫穿“強化應用、突出能力”這個基本的教學設計原則的實現策略和方案。3 工程電磁場導論教材修訂的一點設想（5）對于“強化應用、突出能力”的培養來說，課程實驗和課程設計都是需要加強的環節。特別是計算機軟件在電

21、磁場理論教學中的應用，如何安排基于電磁場仿真軟件包的上機練習，鼓勵學生利用這些軟件從多角度學習，通過電磁建模、仿真、修正參數等過程，增強其獨立探索解決實際問題的動手能力。在計算機普及的今天，利用這些軟件，學生可以隨時將學習到的知識利用計算機搭建一個電磁模型進行分析和檢驗。3 工程電磁場導論教材修訂的一點設想教材編寫的一些具體作法：（1）通過基于案例的、基于問題的和基于工程項目的驅動，使學生提高學科知識學習的目的性和應用能力。（2）貫穿始終的典型工程應用案例，將理論與實踐有機結合，知識傳授與能力培養相結合、學習習慣與創新思維培養的有機結合。（3）以案例或專題來構筑框架（歸納出重要命題）3 工程電

22、磁場導論教材修訂的一點設想（4）使學生“見多識廣”，力求激發學生的“好奇心”，引導學生主動地進行實驗學習，使學生擺脫被動的學習狀態。（5）將工程問題融入理論內容之中。（6）以電磁場理論與分析方法在工程中的應用為主線，以典型工程實例需解決的問題引出各章節內容，使學生在問題的驅動下學習理論和方法。（7）重視問題驅動學習和工程案例學習。3 工程電磁場導論教材修訂的一點設想一點預期：編寫一本關于電磁場理論課程探究性學習方面的教學用書，其目的就是通過具體課程設計的一系列訓練，講解如何將知識獲取和項目實踐兩方面有機結合，使教師在課堂教學中，既培養學生對相關課程具體內容的理解和掌握能力，又培養學生對整體課程知識運用和融會貫通的能力。4 結束語大學的教學已經變“專業教學”為“工程技術科學基礎教學”，電磁場理論已成為電類學生共同所需的知識大平臺中的一部分，但是其在表現的策略和形勢仍嫌薄弱。酒好也要會吆喝，“酒香不怕巷子深”的年代一去不復返了。在今天這個信息時代，學生獲取知識可以通過多種媒體和方式，而不再局限于課堂上，因而應該為學生提供各類學習資料，并創造一種學習環境（討論、案例分析、實驗、電磁場分析軟件的使用、制作競賽），讓學生成為學習的主體。但是，對于電磁場理論課程教學來說，這種學習環境十分欠缺。