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1、电磁场与波课程教学的现状、存在问题、解决方案和几点建议-简谈工程电磁场导论(第2版)的编写马 西 奎西安交通大学电气工程学院一、现状分析二、需要解决的问题三、问题的解决方案四、几点建议五、简谈工程电磁场导论(第2版)的编写现状、存在问题、解决方案和几点建议一、现状分析1)几十年几乎是一颗恒星电磁场理论作为技术基础课,经过近百年的砺炼,虽然已形成了完善和严格的科学体系,但是无论从教材编写理念、内容选择、形式设计等方面,还是在课堂教学组织上,几十年来都无明显的改观,特别是从问题的解决来构建知识体系几乎没有涉及。2)应用能力培养深度不够重视对学生的知识的实际运用能力的训练在教学大纲、内容安排等方面都
2、不能明显看出,自身没有构成一个实际问题的解决方案,学生很难得到有关高度综合运用所学知识的整体训练机会。一、现状分析3)理论与应用间存在鸿沟电磁场理论虽然有它坚实的理论基础和完整的体系结构,但它与解算工程实际电磁问题之间尚存在一条鸿沟。4)课程的重要性吆喝不够大学的教学已经变“专业教学”为“工程技术科学基础教学”,电磁场理论已成为电类学生共同所需的知识大平台中的一部分,但是其在表现的策略和形式仍嫌薄弱。酒好也要会吆喝,“酒香不怕巷子深”的年代一去不复返了。一、现状分析5)学生学习环境十分欠缺在今天这个信息时代,学生获取知识可以通过多种媒体和方式,而不再局限于课堂上,因而应该为学生提供各类学习资料
3、,并创造一种学习环境(讨论、案例分析、实验、分析软件的使用、制作竞赛),让学生成为学习的主体。但是,对于电磁场理论课程教学来说,这种学习环境十分欠缺。一、现状分析二、需要解决的问题二、需要解决的问题1)如何以生动的事实让学生了解电磁场理论及其应用的历史发展及现状?其目的是消除学生对电磁场理论知识高深莫测的畏惧感,掌握课程设置的衔接性,避免学生对电磁场理论课程产生片面认识。明确为什么要学习电磁场理论?怎样学习电磁场理论?二、需要解决的问题2)如何通过精选的案例来复原典型的电磁场工程问题?其目的是在讲解这些从实践中抽取并经过精心改造和设计的案例的过程中,逐步建立起学生应掌握的电磁场理论框架,并对学
4、生实际求解提供足够的启示和指导。3)如何在课堂教学组织中将知识获取和项目实践两方面有机结合?其目的是使教师在课堂教学中既培养学生对电磁场理论课程具体内容的理解和掌握能力,又培养学生对整体课程知识运用和融会贯通的能力。二、需要解决的问题4)如何在理论教材体系设计、内容安排、形式设计等方面,把提高学生的实践能力放到一个更高的高度来考虑?其目的是在教材编写中贯穿“强化应用、突出能力”这个基本的教学设计原则。5)如何安排基于Ansoft的上机练习,鼓励学生利用这些软件从多角度学习?其目的是加强课程实验和课程设计环节。通过计算机软件在电磁场理论教学中的应用,通过电磁建模、仿真、修正参数等过程,增强学生独
5、立探索解决实际问题的动手能力。三、问题的解决方案1)通过基于案例的、基于问题的和基于工程项目的驱动,使学生提高电磁场理论课程学习的目的性和应用能力。今天,教师不再只是简单地进行知识传递,要传授思想。教师在教学中应区分孤立知识点和可整合知识点,集成一些知识点使之成为案例,表达一定的思想,展示事实让学生自行判断,自己得出结论。这些思想应该是学生难以从书本上获得的,是当知识点已经遗忘仍然能够保存下来的东西。整合知识点、寻找和设计论题则需要教师长期的甚至毕生的积累。三、问题的解决方案2)将典型工程应用案例贯穿始终、将理论与实践有机结合、将知识传授与能力培养相结合、将学习习惯与创新思维培养的有机结合。适
6、量和适当地将案例贯穿于理论讲解的始终,应该使经过简化处理的实用型案例与课程所讲述的基本理论相辅相成,是突破理解困难的一个有效武器,其目的是增强初学者对学习电磁场理论的兴趣。三、问题的解决方案3)强调对计算机软件的应用。在教材中每一章的后面安排基于计算机软件的上机练习,鼓励学生利用先进的科技手段从多角度学习新知识,增强学生的动手能力。4)使学生“见多识广”;激发学生的“好奇心”。引导学生主动地进行实验课学习,使学生摆脱被动的学习状态。三、问题的解决方案四、几点建议四、几点建议1)出版一些有关探究性学习方面的指导用书其目的就是通过具体课程设计的一系列训练,讲解如何将知识获取和项目实践两方面有机结合
7、,使教师在课堂教学中既培养学生对相关课程具体内容的理解和掌握能力,又培养学生对整体课程知识运用和融会贯通的能力。四、几点建议2)出版一些教学参考书教材改革提倡教材内容的更新,这无疑是正确。但是,对于基础课与专业课就应加以区别对待。专业课越新越好,而基础课更新步伐则不宜太快。如果基础课是全新的,那要么就成了专业课,要么就成了新学科的基础。四、几点建议基础课教材修订的原则应该是:(1)不能冲淡学生对基础知识的需要。(2)不能挤走一些学科的基础。(3)不能产生舍本逐末的效应。近十多年来不断压缩课时,电磁场理论若是再大幅度地更换新内容,势必伤筋动骨,就不适于当做“普及性”的教材,但作为教学参考书是决无
8、问题的,而且是非常重要的参考书。四、几点建议3)出版一本教师手册提供完备的教学支持:教学大纲、教学建议、教学难点和重点提示,以及习题和案例的详细解法。四、几点建议4)出版一本好的实验教材对于“强化应用,突出能力”的培养来说,现在的实验教材明显单薄。到目前为止,大多数电磁场实验教材都是很薄的一本,内容很少,介绍过于简单,往往都是只简单介绍每个实验如何去做。关于为什么这样做实验,如何去分析实验结果,得出什么样的结论,以及学生从实验中获得什么启发,都难在现有电磁场实验教材中体现出来。而恰恰是以上这些,才是衡量一本实验教材优与劣的关键。一本好的实验教材对促进学生学习也是有益的。四、几点建议5)理论教材
9、出版要多层次化大学教材讲“统编”和“规划”,未免有点不合调子,连最讲究规范与标准的中小学教材尚能一纲多本。事实上,让一般本科院校学生与清华、北大学生用同一种教材上课,就像让NBA球队与一般的球队比赛一样不切实际。特别是要借鉴一些国外教材的特点:国外教材有着非常明显的优点:印刷精美,图文并茂;例子很多,注重实用;思维活跃,深浅有致。这些特点都是我们编写教材应该学习发展的方向。四、几点建议从表面看国外教材较为简单。一个并不太难的问题,要翻来覆去地从不同角度讲上几回,练上几回。其实,这正是国外教材的长处之一。教材就是让读者读懂学会,而不是故弄玄虚。例如,在讲解静电场中的能量分布时,可以不涉及微积分,
10、利用力线管的极限的处理方法,再加上图文并茂的表现,可以将问题解释得非常透彻,老师只需略进一步就可以过渡到微积分处理。但从我国现在的教学大纲来看,这似乎“浅”了一些。按我们现在的做法是,一开始就要用微积分,但是这样子学习效率和效果并不好,老师往往要把较多的精力放在讲解数学的应用方面。四、几点建议从另一方面来看,国外大学的课程设置在深度方面有不如国内大学的地方,这样的教学设置取向应该引起国内大学的重视。试想,学生如果觉得一门课程太难学,那么学习效果和效率就很难保证。就教材的编写而言,在给学生打牢理论基础的同时,更应在教材体系设计、内容安排等方面把提高学生的实践能力放到一个更高的高度来考虑。简谈工程
11、电磁场导论(第2版)的编写目前,在高等学校工科电类专业都要求学生必修“电磁场理论”或“电磁场与波”的课程,这是完全必要的。作为一名电工、电子工程师或科研人员,如果不了解或者对“电磁场理论”只有模糊的认识,就不可能对事物的本身有实质性的认识,因而也谈不上对工作有所改进或创新。学好本课程,不仅可打好一定的扎实基础,而且对培养学生思维能力以及运用数学方法分析和解决工程问题能力都起着极为重要的作用。简谈工程电磁场导论(第2版)的编写1 工程电磁场导论教材的历史渊源2 我国“电磁场”课程教材现状的粗估3 工程电磁场导论教材修订的一点设想4 结束语简谈工程电磁场导论(第2版)的编写1 工程电磁场导论教材的
12、历史渊源“电磁场”单独设课讲授是“文革”后的事情。“文革”后的1978至1988年这10间,工科电工教材编审委员会组织出版了一批教材。例如,我校冯慈璋教授主持编写的电磁场教材分别于1979年和1983年由高等教育出版社出了两版。电磁场教材第1版的出版解决了当时教材的有无问题。1 工程电磁场导论教材的历史渊源后来,根据当时的教学实践,对电磁场教材第1版进行了比较大的修订,出版了电磁场教材第2版。在第2版中,删去了“等离子体中的电磁场”和“运动系统的电磁场”这两章。这两版教材都是采用传统体系编写的,它基本符合当时我国大学本科生的水平和接受能力,所以得到广泛采用,为我国电磁场理论广大教师所熟悉,并取
13、得了好的教学效果。1 工程电磁场导论教材的历史渊源1997年,为了适应当时面向21世纪高等教育的教学内容和课程体系改革的需要,我们编写了工程电磁场导论,并于2000年6月由高等教育出版社出版。在这本教材的编写中,我们的基本考虑是:电磁场课程的基本内容和范围已大致稳定,其框架仍然是以经典内容为主,也仍然是电类专业技术的基础。但是,面对科学技术的迅速发展和培养跨世纪人才的需要,从加强基础、拓宽专业,扩大新技术知识考虑,应该重新审视、选择和组织教学内容,处理好基础部分与深入部分内容,传统方法与现代观点之间的关系。为此,采取的具体作法有:1 工程电磁场导论教材的历史渊源1 工程电磁场导论教材的历史渊源
14、(1)明确本门课程是作为专业学科的基本支撑,为学科方向服务,而不是突出电磁场理论学科自身完整的理论体系。也就是说不宜强调学科性。(2)从“大电工”的角度设定教学内容,打破强、弱电之间的界线,教材试图兼顾两方面。突出电磁场的普遍规律,注重教材的基础性,使学生对基础知识牢固掌握、灵活运用。注重基本概念、基本规律和基本的分析计算方法。(3)在保持过去教材重视基本内容、基本概念特色的前提下,慎重处理传统内容,确保教材的科学性、系统性和先进性进一步提高。还有处理好起点高低的问题、内容新旧的问题和定性与定量的问题。(4)在组织课程的教学内容和体系时,突出“主体概念”的教学可以起到以“点”带“面”,“纲”举
15、“目”张的效果,使教学效率进一步提高。(5)在例题和习题的选择上下大功夫,以解决基本理论虽然掌握了,但仍不会做题的局面,使电磁场理论变得容易掌握一些。(6)注意应用性和实践性(即工科特色)的体现。在趋向实际方面做些迈进,注意培养用“场”的观点分析问题。重视工程问题的电磁模型的建立和定性分析,有意识地培养学生从定性的方法入手突出问题和方向问题的能力(7)适当反映科学技术的新进展,重视计算机发展的影响。1 工程电磁场导论教材的历史渊源总之,我们当时的愿望是使“电磁场”和“电磁场与电磁波”课程教学呈现出了贴近工程背景。但是,这一点愿望还远远没有实现。在工程电磁场导论教材中,向“工程”中的“导”和“论
16、”都还很欠缺。1 工程电磁场导论教材的历史渊源自2000年以来,我国已出版了多于70种电磁场教材。这些教材各有一定的特色。第一,许多大学将课程名称分别改为工程电磁场和工程电磁场与波;第二,教学内容尽量多地与工程应用相结合;第三,教材中给出了一些工程应用实例,有的教材甚至专门开辟具有工程应用背景知识内容的章节。2 我国“电磁场”课程教材现状的粗估为了加强学生应用计算机求解电磁场的能力和技能,一些学校还在电磁场和电磁场与电磁波课程中增加了电磁场数值计算的内容,还有一些学校开设了1632学时不等的电磁场数值计算类选修课程,讲授求解电磁场的常用数值计算方法(如有限差分法、有限元法、矩量法等)和电磁场常
17、用分析软件(如ANSYS等)。就目前情况来看,我国“电磁场理论”的教材缺少层次,风格单一,长期以来内容差别不大,特色不明显。2 我国“电磁场”课程教材现状的粗估电磁场理论作为技术基础课,经过近百年的砺炼,虽然已形成了完善和严格的科学体系,但是无论从教材编写理念、内容选择、形式设计等方面,还是在课堂教学组织上,几十年来都无明显的改观,特别是从问题的解决来构建知识体系几乎没有涉及。重视对学生的知识的实际运用能力的训练在教学大纲、内容安排等方面都不能明显看出,自身没有构成一个实际问题的解决方案,学生很难得到有关高度综合运用所学知识的整体训练机会。2 我国“电磁场”课程教材现状的粗估主导思想:试图通过
18、适量和适当地将案例贯穿于理论讲解的始终,使经过简化处理的实用性案例与课程所讲述的基本理论相辅相成,成为学生突破理解困难的有效武器,达到增强初学者对学习电磁场理论的兴趣,同时也使授课教师受到启迪,教学思路豁然开朗的目的。更为重要的是培养学生会用“场”的观点和方法来分析、解决一些工程问题的初步能力。这是电磁场理论课程教学中不可缺少的重要环节,必须切实加强。3 工程电磁场导论教材修订的一点设想3 工程电磁场导论教材修订的一点设想需要解决的主要问题:(1)如何以生动的事实让学生了解电磁场理论及其应用的历史发展及现状,来消除学生对电磁场理论知识高深莫测的畏惧感,掌握课程设置的衔接性,避免学生对电磁场理论
19、课程产生片面认识。明确为什么要学习电磁场理论,怎样学习电磁场理论,明确学习目的。3 工程电磁场导论教材修订的一点设想(2)科学的教育不是说教,而是展示事实让学生自行判断,自己得出结论。教师不是简单的知识传递,要传授思想。教师在教学中应区分孤立知识点和可整合知识点,然后集成一些知识点使之成为案例,表达一定的思想,而这些思想应该是学生难以从书本上获得的,是当知识点已经遗忘仍然能够保留下来的东西。整合和创作知识点、寻找和设计论题则需要教师长期的甚至毕生的积累。如何通过精选的案例来复原经典的电磁场工程问题,在讲解这些从实践中抽取,并经过精心改造和设计的案例的过程中,逐步建立起学生应掌握的电磁场理论框架
20、,并对学生实际求解提供足够的启示和指导,也是需要解决的关键问题。3 工程电磁场导论教材修订的一点设想(3)在课堂教学组织中,如何将知识获取和项目实践两方面有机结合,使教师在课堂教学中,既培养学生对电磁场理论课程具体内容的理解和掌握能力,又培养学生对整体课程知识运用和融会贯通的能力。(4)在理论教材体系设计、内容安排、形式设计等方面,如何把提高学生的实践能力放到一个更高的高度来考虑,在教材编写中贯穿“强化应用、突出能力”这个基本的教学设计原则的实现策略和方案。3 工程电磁场导论教材修订的一点设想(5)对于“强化应用、突出能力”的培养来说,课程实验和课程设计都是需要加强的环节。特别是计算机软件在电
21、磁场理论教学中的应用,如何安排基于电磁场仿真软件包的上机练习,鼓励学生利用这些软件从多角度学习,通过电磁建模、仿真、修正参数等过程,增强其独立探索解决实际问题的动手能力。在计算机普及的今天,利用这些软件,学生可以随时将学习到的知识利用计算机搭建一个电磁模型进行分析和检验。3 工程电磁场导论教材修订的一点设想教材编写的一些具体作法:(1)通过基于案例的、基于问题的和基于工程项目的驱动,使学生提高学科知识学习的目的性和应用能力。(2)贯穿始终的典型工程应用案例,将理论与实践有机结合,知识传授与能力培养相结合、学习习惯与创新思维培养的有机结合。(3)以案例或专题来构筑框架(归纳出重要命题)3 工程电
22、磁场导论教材修订的一点设想(4)使学生“见多识广”,力求激发学生的“好奇心”,引导学生主动地进行实验学习,使学生摆脱被动的学习状态。(5)将工程问题融入理论内容之中。(6)以电磁场理论与分析方法在工程中的应用为主线,以典型工程实例需解决的问题引出各章节内容,使学生在问题的驱动下学习理论和方法。(7)重视问题驱动学习和工程案例学习。3 工程电磁场导论教材修订的一点设想一点预期:编写一本关于电磁场理论课程探究性学习方面的教学用书,其目的就是通过具体课程设计的一系列训练,讲解如何将知识获取和项目实践两方面有机结合,使教师在课堂教学中,既培养学生对相关课程具体内容的理解和掌握能力,又培养学生对整体课程知识运用和融会贯通的能力。4 结束语大学的教学已经变“专业教学”为“工程技术科学基础教学”,电磁场理论已成为电类学生共同所需的知识大平台中的一部分,但是其在表现的策略和形势仍嫌薄弱。酒好也要会吆喝,“酒香不怕巷子深”的年代一去不复返了。在今天这个信息时代,学生获取知识可以通过多种媒体和方式,而不再局限于课堂上,因而应该为学生提供各类学习资料,并创造一种学习环境(讨论、案例分析、实验、电磁场分析软件的使用、制作竞赛),让学生成为学习的主体。但是,对于电磁场理论课程教学来说,这种学习环境十分欠缺。