高 等 学 校 电 路 和 信 号 系 统 电 磁 场 教 学 与 教 材 研 究 会 第 七 届 年 会 2010 年 8 月 7 日 吉 林 市 电 磁 场 类 课 程 的 国 内 外 发 展 现 状 与 展 望 崔 翔 ( 华 电 ) 李 慧 奇 ( 华 电 ) 卢 斌 先 ( 华 电 ) 袁 建 生 ( 清 华 )
内 容 1/21 一 背 景 二 国 外 情 况 三 国 内 情 况 四 展 望 五 结 束 语
一 背 景 2/21 任 务 来 源 : 教 育 部 高 校 电 子 电 气 基 础 课 程 教 学 指 导 分 委 员 会 完 成 单 位 : 华 北 电 力 大 学 清 华 大 学 课 程 的 挑 战 性 :(1) 数 学 知 识 深 奥, 物 理 量 抽 象 ;(2) 电 磁 场 无 处 不 在, 却 很 难 直 接 感 受 到 ;(3) 学 生 有 畏 难 情 绪, 觉 得 很 难 学 习 ;(4) 教 师 积 累 少, 缺 乏 授 课 的 信 心 和 生 动 性 课 程 的 重 要 性 : 是 一 门 非 常 重 要 的 技 术 基 础 课 程, 涉 及 领 域 非 常 广 泛, 尺 度 从 纳 米 到 千 米, 电 压 从 微 伏 到 兆 伏, 功 率 从 微 瓦 到 亿 瓦, 频 率 从 直 流 到 光 频 等 它 不 仅 为 后 续 课 程 奠 定 理 论 基 础, 也 为 学 生 毕 业 后 从 事 科 学 研 究 和 技 术 创 新 提 供 理 论 支 撑
一 背 景 3/21 调 研 方 法 :(1) 国 外 课 程 网 站 ;(2) 访 问 学 者 听 课 感 受 ;(3) 与 国 外 来 访 同 行 的 教 学 交 流 英 国 南 安 普 顿 大 学 Jan Sykulski 教 授 来 校 交 流 美 国 UIUC 金 建 铭 教 授 来 校 交 流 特 别 参 考 了 英 国 南 安 普 顿 大 学 Jan Sykulski 教 授 2008 年 来 华 北 电 力 大 学 讲 学 和 在 西 安 市 第 四 届 电 子 电 气 课 程 报 告 论 坛 上 的 演 讲 英 国 电 磁 场 理 论 课 程 的 过 去 现 在 和 未 来 中 的 一 些 思 考 和 观 点
二 国 外 情 况 4/21 1. 调 研 范 围 美 国 : 九 所 大 学 麻 省 理 工 学 院 俄 亥 俄 州 立 大 学 伊 利 诺 伊 大 学 香 槟 分 校 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 克 莱 姆 森 大 学 佐 治 亚 理 工 学 院 弗 吉 尼 亚 理 工 大 学 伦 斯 勒 理 工 学 院 德 州 A&M 大 学 英 国 : 五 所 大 学 剑 桥 大 学 艾 塞 克 斯 大 学 萨 里 大 学 南 安 普 敦 大 学 曼 彻 斯 特 大 学
二 国 外 情 况 5/21 2. 课 程 体 系 名 称 不 统 一, 多 数 用 电 磁 学, 少 数 用 电 磁 场 或 电 磁 场 与 波 本 报 告 暂 统 一 用 电 磁 学 电 磁 学 基 础 课 程 : 电 磁 学 电 磁 学 I 电 磁 学 核 心 课 程 : 电 磁 学 扩 展 课 程 : 电 磁 学 电 磁 学 II 应 用 电 磁 学 电 磁 场 与 波 工 程 电 磁 场 微 波 技 术 基 础 天 线 与 传 播 电 磁 场 数 值 计 算
二 国 外 情 况 6/21 3. 主 要 内 容 主 要 集 中 在 电 磁 场 的 基 本 理 论 和 电 磁 波 的 传 播 特 性 矢 量 分 析 静 态 电 磁 场 动 态 电 磁 场 麦 克 斯 韦 方 程 组 平 面 电 磁 波 导 行 电 磁 波 ( 含 传 输 线 ) 线 天 线 主 要 内 容 基 本 稳 定 学 时 呈 下 降 趋 势 教 学 深 度 和 要 求 呈 下 降 趋 势 一 般 安 排 4-6 学 时 演 示 实 验 物 理 实 验 或 仿 真 实 验, 有 的 几 乎 没 有 实 验 采 用 归 纳 法 或 演 绎 法 更 偏 重 于 动 态 电 磁 场 和 电 磁 波 传 播 特 性 一 般 含 传 输 线 的 教 学 内 容
二 国 外 情 况 7/21 4. 其 他 师 生 互 动 : 讲 座 讨 论 指 导 网 络 MIT( 电 磁 学 及 其 应 用 ): 每 周 讲 座 2 次 ( 每 次 1 小 时 ) 每 周 讨 论 2 次 ( 每 次 1 小 时 ) 每 周 指 导 1 次 ( 每 次 1 小 时 ) 2009 年 共 有 24 次 讲 座 27 次 讨 论, 这 两 部 分 总 计 51 小 时 实 例 案 例 : 注 重 应 用 电 磁 场 理 论 解 释 电 路 等 课 程 的 基 本 概 念 日 常 和 工 程 中 的 实 例, 以 提 高 学 生 习 兴 趣 动 画 图 像 : 动 画 演 示 或 高 质 量 照 片 图 像
二 国 外 情 况 8/21 成 绩 评 定 : 平 时 作 业 随 堂 测 验 期 末 考 试 重 视 平 时 作 业 和 随 堂 测 验 的 成 绩, 比 重 一 般 高 于 期 末 考 试 更 注 重 学 生 平 时 对 知 识 的 理 解 和 掌 握 情 况, 督 促 学 生 平 时 必 须 认 真 学 习 学 生 平 时 很 忙, 除 了 做 作 业 就 是 要 忙 于 准 备 每 隔 2 3 周 左 右 一 次 的 随 堂 测 验 UIUC MIT 平 时 作 业 15% 学 生 总 成 绩 随 堂 测 验 60% (3 次 测 验 ) 期 末 考 试 25%
三 国 内 情 况 9/21 1. 课 程 体 系 电 专 业 : 电 气 工 程 ( 电 能 类 ) 电 子 工 程 ( 信 息 类 ) 课 程 设 置 : 电 磁 场 电 磁 场 与 电 磁 波 独 立 管 理 和 建 设, 教 学 大 纲 教 学 基 本 要 求 和 教 材 等 都 是 分 开 的 ; 前 者 侧 重 静 态 电 磁 场 后 者 侧 重 电 磁 波 课 程 更 接 近 美 英 的 电 磁 学 核 心 课 程 电 磁 场 : 随 着 信 息 技 术 的 广 泛 应 用, 适 当 减 少 了 静 态 电 磁 场 的 教 学 内 容, 增 加 了 动 态 电 磁 场 以 及 电 磁 波 传 播 的 教 学 内 容
三 国 内 情 况 2. 主 要 内 容 电 磁 场 矢 量 分 析 静 电 场 恒 定 电 场 恒 定 磁 场 时 变 电 磁 场 平 面 电 磁 波 电 磁 辐 射 48-56 学 时 ( 含 4 学 时 实 验 ) 电 磁 场 与 电 磁 波 矢 量 分 析 静 态 电 磁 场 时 变 电 磁 场 平 面 电 磁 波 导 行 电 磁 波 线 天 线 56-72 学 时 ( 含 4-6 学 时 实 验 ) 10/21 多 数 学 校 在 电 路 课 程 中 讲 授 传 输 线, 少 数 学 校 在 电 磁 场 课 程 中 讲 授, 还 有 一 些 学 校 放 在 微 波 技 术 基 础 课 程 中 讲 授
三 国 内 情 况 11/21 3. 近 年 来 的 改 革 趋 势 学 时 电 磁 场 : 64-72 => 48-56( 个 别 32-40) 电 磁 场 与 电 磁 波 : 88-96 => 64-72( 个 别 48-56) 还 有 一 些 学 校 甚 至 取 消 了 电 磁 场 类 课 程 内 容 (1) 教 学 内 容 和 教 学 基 本 要 求 基 本 稳 定 (2) 压 缩 或 删 减 了 边 值 问 题 等 解 析 方 法 (3) 降 低 或 删 减 了 对 某 些 经 典 问 题 的 教 学 要 求, 例 如 电 轴 法 感 应 电 场 涡 流 场 圆 波 导 谐 振 腔 口 径 天 线 等 内 容 如 何 用 较 少 的 学 时 讲 授 电 磁 场 类 课 程, 使 学 生 掌 握 的 知 识 不 缩 水, 成 为 国 内 外 电 磁 场 类 课 程 共 同 面 临 的 一 个 重 要 的 亟 待 解 决 的 问 题
三 国 内 情 况 12/21 3. 近 年 来 的 改 革 趋 势 改 革 趋 势 (1) 注 重 面 向 工 程 很 多 大 学 将 课 程 名 称 改 为 工 程 电 磁 场 和 工 程 电 磁 场 与 波, 并 反 映 在 教 材 名 称 上 ; 教 学 内 容 与 工 程 应 用 相 结 合 ; 教 材 中 给 出 很 多 工 程 应 用 实 例, 有 的 教 材 甚 至 专 门 开 辟 章 节 给 出 工 程 应 用 的 背 景 知 识 内 容 (2) 关 注 数 值 方 法 为 加 强 学 生 应 用 计 算 机 求 解 电 磁 场 的 能 力, 在 课 程 中 增 加 了 电 磁 场 数 值 计 算 的 内 容 一 些 大 学 还 开 设 了 16-32 学 时 的 电 磁 场 数 值 计 算 选 修 课, 讲 授 电 磁 场 数 值 计 算 方 法 ( 如 有 限 差 分 法 有 限 元 法 矩 量 法 等 ) 以 及 常 用 计 算 软 件 ( 如 ANSYS 等 )
三 国 内 情 况 13/21 4. 其 他 几 乎 没 有 期 中 考 试 和 随 堂 测 验, 成 绩 评 定 主 要 依 据 平 时 作 业 和 期 末 考 试 的 成 绩 几 乎 没 有 师 生 互 动 的 教 学 过 程, 每 周 安 排 一 次 的 课 程 答 疑 也 很 少 有 学 生 参 加 一 些 学 校 探 索 了 基 于 互 联 网 的 网 络 答 疑 方 式, 但 效 果 并 不 显 著
四 展 望 14/21 1. 困 惑 与 机 遇 困 惑 : 课 程 学 时 在 减 小 教 学 要 求 在 下 降 学 生 基 础 知 识 不 够 充 分, 数 学 基 础 薄 弱 并 呈 现 出 越 来 越 薄 弱 的 趋 势 机 遇 :(1) 社 会 发 展 对 电 磁 场 知 识 的 需 求 日 益 增 长, 要 求 学 生 掌 握 更 多 的 电 磁 场 理 论 和 技 能, 工 业 界 需 要 懂 得 电 磁 场 理 论 的 各 种 层 次 专 业 人 才 越 来 越 迫 切 ; (2) 电 磁 场 可 视 化 软 件 的 出 现, 使 电 磁 场 能 够 得 以 直 观 的 表 示 出 来, 有 利 于 学 生 理 解 概 念 通 过 电 磁 场 仿 真 程 序 包, 可 以 给 学 生 讲 授 过 去 难 以 讲 授 的 工 程 电 磁 场 的 设 计 问 题, 增 强 学 生 应 用 电 磁 场 理 论 解 决 工 程 问 题 的 能 力
四 展 望 15/21 2. 感 受 主 要 内 容 : 国 内 外 基 本 一 致, 但 各 有 特 点 和 差 异 总 体 评 价 : 现 阶 段 我 国 课 程 难 度 略 高 于 国 外, 我 国 培 养 了 相 当 数 量 的 电 磁 场 基 础 很 好 的 人 才, 并 有 一 部 分 到 国 外 发 展 不 能 简 单 地 说 谁 优 谁 劣, 与 国 内 外 教 育 体 制 师 生 比 专 业 设 置 等 因 素 密 切 相 关 例 如, 美 国 大 学 中 很 多 从 事 电 磁 场 研 究 的 教 授, 很 难 招 到 美 国 本 土 毕 业 的 学 生 作 为 研 究 生, 招 到 的 学 生 很 多 来 自 亚 洲 国 家 再 如, 美 国 大 学 中 电 磁 场 方 面 有 突 出 贡 献 的 学 者 中 有 很 多 是 我 国 大 学 的 毕 业 生
四 展 望 16/21 3. 挑 战 与 趋 势 挑 战 : 如 何 用 少 学 时 讲 授 并 满 足 社 会 发 展 对 电 磁 场 知 识 需 求? 趋 势 : (1) 是 把 电 磁 场 理 论 作 为 教 学 重 点, 还 是 把 电 磁 场 仿 真 软 件 包 作 为 教 学 重 点? 应 该 认 识 到 数 学 方 法 仍 然 是 学 习 电 磁 场 理 论 的 基 本 方 法, 学 生 需 要 深 入 地 理 解 电 磁 场 理 论 因 此, 只 是 对 电 磁 场 进 行 描 述 而 不 给 出 严 密 的 数 学 推 导 的 方 法 是 不 可 行 的 但 是 也 必 须 考 虑 到 目 前 计 算 机 仿 真 软 件 在 实 际 工 程 中 使 用 越 来 越 广 泛, 在 电 磁 场 问 题 的 求 解 中 起 到 越 来 越 重 要 的 作 用, 所 以 在 现 有 技 术 条 件 下 也 不 宜 过 多 地 强 调 解 析 方 法, 解 析 方 法 只 要 能 够 起 到 理 解 电 磁 场 方 程 和 边 值 问 题, 并 求 解 简 单 电 磁 场 问 题 就 可 以 了
四 展 望 17/21 (2) 是 将 教 学 内 容 的 重 点 继 续 延 伸 到 梯 度 散 度 和 旋 度 等 数 学 问 题 进 而 深 入 讲 解 麦 克 斯 韦 方 程 组, 还 是 仅 限 于 描 述 电 磁 现 象 和 电 磁 场 分 布? 应 该 指 出 梯 度 散 度 和 旋 度 等 的 数 学 方 法 依 然 是 揭 示 电 磁 场 本 质 和 基 本 规 律 的 数 学 方 法, 绕 开 这 些 数 学 方 法 而 通 过 其 他 方 法 是 难 以 全 面 准 确 理 解 电 磁 场 的 基 本 规 律 的 因 此, 在 教 学 中 仍 然 需 要 用 梯 度 散 度 旋 度 等 数 学 方 法 描 述 电 磁 场 的 基 本 规 律 (3) 是 否 能 够 通 过 电 磁 场 建 模 和 借 助 电 磁 场 仿 真 软 件 包 解 决 问 题, 同 时 又 不 失 对 电 磁 场 基 本 理 论 的 理 解? 在 教 学 中 必 须 意 识 到 教 学 过 程 不 是 讲 授 如 何 使 用 电 磁 场 仿 真 软 件 包, 但 电 磁 场 仿 真 软 件 包 可 以 很 好 地 用 于 促 进 学 生 理 解 电 磁 场 理 论
四 展 望 18/21 (4) 教 学 过 程 中 有 必 要 引 入 更 多 的 工 程 实 例, 以 增 加 学 生 对 电 磁 场 课 程 的 学 习 兴 趣 (5) 加 强 演 示 实 验 物 理 实 验 和 仿 真 实 验 等 动 手 实 践 环 节, 加 深 学 生 对 电 磁 场 的 认 识, 使 电 磁 场 类 课 程 变 得 更 加 有 趣 4. 启 示 与 展 望 必 须 提 高 授 课 教 师 的 整 体 水 平 :(1) 具 备 良 好 的 数 学 和 物 理 基 础, 熟 悉 电 磁 场 理 论 体 系 ;(2) 了 解 电 气 与 电 子 工 程 专 业 的 学 科 体 系, 熟 悉 电 磁 场 理 论 的 发 展 史 ;(3) 掌 握 电 磁 场 的 主 要 数 值 计 算 方 法, 熟 练 使 用 电 磁 场 仿 真 软 件 包 ;(4) 具 有 电 磁 场 科 研 或 工 程 研 究 设 计 经 历 等
四 展 望 19/21 更 加 注 重 基 本 概 念 基 本 方 程 边 值 问 题 : 淡 化 电 磁 场 的 解 析 方 法, 适 当 增 加 电 磁 场 数 值 方 法 电 磁 场 数 值 方 法 会 被 越 来 越 多 的 大 学 作 为 一 门 独 立 选 修 课 程, 并 成 为 电 磁 场 课 程 与 工 程 实 践 的 一 门 接 口 课 程 增 加 实 验 教 学 : 除 了 物 理 实 验 外, 仿 真 实 验 特 别 是 具 有 虚 拟 现 实 的 三 维 电 磁 场 高 展 示 度 和 动 画 效 果 的 仿 真 实 验, 将 越 来 越 受 到 重 视 丰 富 网 络 资 源 : 网 络 教 学 资 源 将 越 来 越 丰 富, 可 以 预 计 今 后 将 出 现 一 批 具 有 互 动 性 三 维 动 画 视 觉 良 好 的 教 学 软 件, 以 及 可 以 支 持 教 师 与 学 生 互 动 的 教 学 系 统 和 考 试 系 统 互 动 化 教 学 : 在 大 众 化 高 生 师 比 下, 如 何 开 展 师 生 互 动 的 课 程 教 学? 是 本 课 程 和 其 他 课 程 面 临 的 共 同 问 题, 值 得 探 索
五 结 束 语 20/21 国 内 外 电 磁 场 类 课 程 体 系 和 教 学 内 容 基 本 稳 定, 没 有 实 质 性 的 变 化 国 外 更 偏 向 于 信 息 类 专 业 的 培 养 需 要, 而 我 国 仍 根 据 电 能 类 与 信 息 类 专 业, 分 设 电 磁 场 和 电 磁 场 与 电 磁 波 课 程 国 内 外 电 磁 场 类 课 程 的 学 时 和 教 学 要 求 都 有 所 降 低, 我 国 电 磁 场 类 课 程 的 名 称 更 加 规 范 如 何 提 高 教 学 质 量 满 足 社 会 发 展 需 求, 是 国 内 外 共 同 面 临 的 挑 战 (1) 需 要 提 高 授 课 师 资 的 整 体 水 平 ; (2) 需 要 更 加 注 重 基 本 概 念 基 本 方 程 边 值 问 题, 淡 化 解 析 方 法 适 当 增 加 电 磁 场 数 值 计 算 方 法 的 内 容 ; (3) 需 要 完 善 实 验 环 节, 除 物 理 实 验 外, 增 加 仿 真 实 验 特 别 是 具 有 虚 拟 现 实 的 三 维 电 磁 场 高 展 示 度 和 动 画 效 果 的 仿 真 实 验 ; (4) 需 要 开 发 和 利 用 网 络 教 学 资 源 ; (5) 需 要 探 索 适 应 大 众 化 高 师 生 比 下 师 生 互 动 的 教 学 方 法
21/21 雷 银 照 教 授 对 本 报 告 ( 初 稿 ) 提 出 了 很 好 的 修 改 意 见, 特 致 感 谢! 欢 迎 各 位 同 行 批 评 指 正! 谢 谢!