“新工科”背景下《電磁場(chǎng)與電磁波》教學(xué)新思考

梁快 胡順仁 鄭大青 李雙 劉偉

“摘要：“新工科”的建設(shè)與發(fā)展對(duì)高校工程教育的建設(shè)及發(fā)展提出了新目標(biāo)，對(duì)專業(yè)課程教育提出了新要求。在新工科背景下，文章對(duì)通信工程專業(yè)課程《電磁場(chǎng)與電磁波》的教學(xué)改革進(jìn)行了深入的分析與思考。首先，電磁場(chǎng)與電磁波應(yīng)明確在通信工程人才培養(yǎng)方案中的定位，注重其在課程體系中銜接關(guān)系;然后通過(guò)仿真工具，克服解決電磁場(chǎng)與電磁波理論難點(diǎn);其次，通過(guò)電磁場(chǎng)與電磁波工程應(yīng)用及研究前沿分析，激發(fā)學(xué)生興趣，導(dǎo)出電磁波的基本特性和傳播規(guī)律;最后，強(qiáng)化教師雙師型培養(yǎng)，教師科研引入教學(xué)課堂，從而最終達(dá)到使學(xué)生在新工科背景下理解及掌握電磁場(chǎng)與電磁波基本理論規(guī)律。

關(guān)鍵詞：新工科;電磁場(chǎng)與電磁波;課程定位;教學(xué)改革;雙師培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：T01? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）36-0128-02

Abstract： The construction and development of "New Subject" put forward new goals for the construction and development of Engineering Education in Colleges and universities， and put forward new requirements for professional curriculum education. Under the background of new engineering， this paper makes a thorough analysis and Reflection on the teaching reform of the course "Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave" for the major of electronic information. Firstly， the orientation of electromagnetic field and wave should be clearly defined in the training program of electronic information talents， and the connection between them should be emphasized in the course system; then， the theoretical difficulties of electromagnetic field and wave should be overcome by means of simulation tools; secondly， the students'interest should be aroused through the application and research frontier analysis of electromagnetic field and wave engineering. Finally， we should strengthen the training of double-qualified teachers and introduce scientific research into the classroom， so that students can understand and master the basic theory of electromagnetic field and electromagnetic wave under the background of new engineering.

Key words： new engineering; electromagnetic field and electromagnetic wave; course orientation; teaching reform;double division training

1 概述

自從2017年2月教育部在復(fù)旦大學(xué)發(fā)布了《新工科建設(shè)復(fù)旦共識(shí)》[1]，要求地方高校根據(jù)地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，結(jié)合本地企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新要求，根據(jù)各行業(yè)對(duì)專業(yè)人才需求的實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合學(xué)校的本地資源和自身社會(huì)優(yōu)勢(shì)，深化產(chǎn)學(xué)研合作，加強(qiáng)校企協(xié)同合作達(dá)到強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)具有行業(yè)背景知識(shí)及工程實(shí)踐的應(yīng)用型和技術(shù)型人才[2，3]。新工科背景下，通信工程專業(yè)以“厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)”為培養(yǎng)目標(biāo)，既有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論、較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)和外語(yǔ)應(yīng)用能力，熟練掌握通信與信息系統(tǒng)、信息處理和通信網(wǎng)絡(luò)等方面的專業(yè)理論和工程技術(shù)，又具備在信息與通信工程領(lǐng)域從事科學(xué)研究，工程設(shè)計(jì)，設(shè)備制造、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)和管理工作，具有一定創(chuàng)新精神和研發(fā)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。這需要在通信工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案、課程體系及課程建設(shè)中進(jìn)行相應(yīng)的變革。針對(duì)新工科對(duì)地方應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)提出的新要求，通信工程專業(yè)的傳統(tǒng)課程電磁場(chǎng)與電磁波，如何改革發(fā)展來(lái)適應(yīng)新形勢(shì)的變化呢？

2 電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)改革思考

在通信工程專業(yè)課程建設(shè)中，電磁場(chǎng)與電磁波作為傳統(tǒng)通信工程專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程，為適應(yīng)新工程對(duì)人才培養(yǎng)的需要，培養(yǎng)適應(yīng)新工科人才要求的具有行業(yè)背景知識(shí)及工程實(shí)踐的應(yīng)用型和技術(shù)型人才，我們從課程在培養(yǎng)體系定位、課程教學(xué)仿真、課程工程應(yīng)用和教師雙師培養(yǎng)等四個(gè)方面進(jìn)行了分析與探索。

2.1 明確課程體系定位，注意前后銜接課程

地方高校專業(yè)建設(shè)的課程體系建設(shè)定位中應(yīng)以緊密結(jié)合新工科建設(shè)主線，以“大國(guó)工匠”精神，以地方綜合性高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)為依托，緊緊圍繞國(guó)家對(duì)高校教育立德樹人的根本要求，建立多元協(xié)同的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的人才培養(yǎng)體系。通信工程課程體系建設(shè)，以及電磁場(chǎng)與電磁波課程在通信工程專業(yè)中的定位，都應(yīng)圍繞新工科人才培養(yǎng)要求的人才培養(yǎng)體系來(lái)構(gòu)建[4]。根據(jù)新工科人才培養(yǎng)要求及工程教育認(rèn)證要求，我校通信工程專業(yè)課程體系分為了通識(shí)教育類課程、公共基礎(chǔ)類課程、專業(yè)類基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心類課程、專業(yè)方向類課程及專業(yè)實(shí)踐類課程等六大類課程體系。從通信工程課程體系結(jié)構(gòu)中可以看出，電磁場(chǎng)與電磁波定位為通信工程專業(yè)類基礎(chǔ)課程，建立在公共基礎(chǔ)類課程平臺(tái)基礎(chǔ)之上，它的前續(xù)課程為高等數(shù)學(xué)、普通物理、電路、模擬電子技術(shù)。同時(shí)電磁場(chǎng)與電磁波為專業(yè)核心類課程、專業(yè)方向類課程及專業(yè)實(shí)踐課程提供相應(yīng)的理論支撐，其后續(xù)課程為微波技術(shù)、移動(dòng)通信、光纖通信、射頻技術(shù)等。電磁場(chǎng)與電磁波主要講述電磁波與天線的基本概念、理論，掌握基本分析方法，同時(shí)培養(yǎng)正確的思維方式，提高分析問(wèn)題的能力，對(duì)通信工程專業(yè)人才培養(yǎng)起到相當(dāng)支撐作用。因此在通信工程專業(yè)課程建設(shè)和教學(xué)中，讓學(xué)生了解電磁場(chǎng)與電磁波在通信工程專業(yè)課程體系中的重要地位、承前啟后作用，會(huì)激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性、重視程度及學(xué)習(xí)動(dòng)力。

2.2 通過(guò)仿真實(shí)踐工具，解決抽象理論難題

電磁場(chǎng)與電磁波的理論分析及計(jì)算涉及較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)物理知識(shí)，而地方性高校學(xué)生進(jìn)校之初要比985，211等高?；A(chǔ)要低，進(jìn)入地方性高校后也由于不同原因造成通信工程專業(yè)學(xué)生的高校數(shù)學(xué)、普通物理基礎(chǔ)不是太牢。從學(xué)校歷年通信工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)與電磁波的反饋來(lái)看，多數(shù)學(xué)生感覺難學(xué)的原因主要是電磁場(chǎng)與電磁波的需要較高的數(shù)學(xué)物理知識(shí)的同時(shí)，不直觀、抽象難懂也是另一個(gè)重要的原因。為解決這兩方面難題，通過(guò)引入MATLAB/ANSOFT MAXWELL等仿真實(shí)驗(yàn)工具[5]，針對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波存在的數(shù)學(xué)物理方面的公式，我們可以通過(guò)MATLAB及MAXWELL仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，仿真軟件工具能夠直觀地實(shí)現(xiàn)各種電磁理論的計(jì)算及分析，模擬各種復(fù)雜的電磁問(wèn)題及現(xiàn)象，如通過(guò)仿真工具直觀地觀察具體的靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)以及時(shí)變電磁波的電磁場(chǎng)分布等問(wèn)題，使電磁理論更加形象直觀，使抽象的理論顯得簡(jiǎn)易明了、清晰易懂。同時(shí)，借助仿真工具，可以探索未知的、復(fù)雜的電磁問(wèn)題，用電磁場(chǎng)與電磁波仿真結(jié)果來(lái)指導(dǎo)電磁場(chǎng)與電磁波的科學(xué)研究及應(yīng)用，如通過(guò)仿真軟件研究高頻電路中的電磁干擾與電磁兼容問(wèn)題，這些問(wèn)題難以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)手段加以解決，但電磁仿真軟件工具可以形象的分析其可能存在的復(fù)雜電磁問(wèn)題并用于工程實(shí)踐，這樣能大幅度地提高學(xué)生的興趣及通過(guò)仿真驗(yàn)證的動(dòng)力。

2.3 以工程應(yīng)用為抓手，導(dǎo)出電磁基本規(guī)律

新工科要求學(xué)生從工程應(yīng)用出發(fā)，運(yùn)用通信專業(yè)基礎(chǔ)理論解決工程中的實(shí)際問(wèn)題[6]。但多數(shù)教師在授課過(guò)程中主要從電磁基本理論出發(fā)去分析靜電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)及時(shí)變電磁波基本現(xiàn)象及問(wèn)題，與實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)合較少，這造成電磁理論與工程實(shí)際有較大的脫節(jié)現(xiàn)象，使學(xué)生在理解電磁理論上感覺抽象，不接電磁波工程應(yīng)用的地氣。針對(duì)這一較為普遍存在的問(wèn)題，在授課過(guò)程中，以工程應(yīng)用為抓手，首先針對(duì)課程中的每一個(gè)基本知識(shí)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的工程應(yīng)用結(jié)合，在應(yīng)用中把握電磁基本理念。如在靜電場(chǎng)中，電容就是一個(gè)典型的真空中的靜電場(chǎng)及介質(zhì)極化現(xiàn)象的典型運(yùn)用，從電容的基本定義，通過(guò)針對(duì)具體電容的電磁計(jì)算，從計(jì)算中去把握電壓電位與電場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)強(qiáng)度與電能密度、真空中的靜電場(chǎng)基本方程、極化后的極化強(qiáng)度與極化后的靜電場(chǎng)基本方程等相關(guān)靜電場(chǎng)基本理論及計(jì)算方法;通過(guò)恒定磁場(chǎng)中的電感、時(shí)變電磁場(chǎng)中的法拉第電磁感應(yīng)定律等工程問(wèn)題，解決電磁場(chǎng)與電磁波中一個(gè)個(gè)理論點(diǎn)與工程應(yīng)用的結(jié)合問(wèn)題。另一方面，針對(duì)近年來(lái)在通信中的電磁場(chǎng)與電磁波應(yīng)用研究熱點(diǎn)，與基本電磁波理論結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)及研究興趣。如在當(dāng)今的第四代、第五代移動(dòng)通信中無(wú)線寬帶接入、多天線陣列、電磁兼容及電磁對(duì)抗存在很多理論研究應(yīng)用分析應(yīng)用難點(diǎn)，吸引了大批科學(xué)家、工程應(yīng)用人才的參與。但上述熱點(diǎn)仍然包含電磁場(chǎng)與電磁波中的基本理論中，在教學(xué)課堂上可以對(duì)上述電磁問(wèn)題簡(jiǎn)單分析，讓學(xué)生對(duì)電磁研究前沿有一定把握，同時(shí)，更要讓學(xué)生對(duì)上述熱點(diǎn)的電磁問(wèn)題理論難點(diǎn)及研究方向有一定的基本了解。通過(guò)上述兩方面的電磁理論及工程問(wèn)題的結(jié)合學(xué)習(xí)，使學(xué)生從工程問(wèn)題的分析中體驗(yàn)電磁場(chǎng)與電磁波的理論內(nèi)核，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

2.4 強(qiáng)化教師雙師培養(yǎng)，科研引入專業(yè)課堂

新工科需要高校、科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)打造工程教育共同體，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化合作、科研教育協(xié)同合作，鼓勵(lì)相關(guān)行業(yè)的公司企業(yè)參與及滲透到高等學(xué)校專業(yè)教育及專業(yè)教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中，促進(jìn)高校人才培養(yǎng)緊密結(jié)合各行業(yè)產(chǎn)業(yè)的需要及發(fā)展趨勢(shì)[7-8]。但由于高校存在行業(yè)、地域、優(yōu)勢(shì)學(xué)科的差異化，各行業(yè)企業(yè)高校人才培養(yǎng)的要求、企業(yè)對(duì)人才的需求的特殊性，高校的人才培養(yǎng)過(guò)程往往較難與企業(yè)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的匹配與對(duì)接，造成高校、研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)的工程教育共同體難以實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)學(xué)研一體化在一定程度上難以在全國(guó)所有高校完全推廣。針對(duì)這一難題，學(xué)校通信工程專業(yè)教師結(jié)合與中國(guó)通信行業(yè)企業(yè)龍頭之一的中興通信公司共建第四代移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)室的良機(jī)，利用中興通信公司的培訓(xùn)教育平臺(tái)，每年選派年輕教師參加移動(dòng)通信相關(guān)培訓(xùn)及合作，強(qiáng)化教師雙師培養(yǎng)，使專業(yè)教師掌握通信工程應(yīng)用前沿的同時(shí)，也對(duì)無(wú)線通信、微波通信、光通信領(lǐng)域有較為深入的把握，專業(yè)教師在教授電磁場(chǎng)與電磁波理論課程過(guò)程中能把在中興通信等相關(guān)通信企業(yè)的電磁理論工程應(yīng)用及發(fā)展前景展現(xiàn)與課堂。同時(shí)，教師在課程教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)及引導(dǎo)對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波學(xué)習(xí)有極為濃厚興趣的學(xué)生，引導(dǎo)他們參加學(xué)校教師的電磁場(chǎng)與電磁波方向相關(guān)的研究及工程應(yīng)用課題，如射頻技術(shù)、雷達(dá)等課程。另外，讓參加科研及應(yīng)用研究的學(xué)生，引導(dǎo)專業(yè)其余學(xué)生了解其從事的電磁場(chǎng)與電磁波的研究及應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，面對(duì)新工科時(shí)代，對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)提出了新的教學(xué)變革要求。針對(duì)新工科對(duì)學(xué)生工程能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的要求出發(fā)，對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波在通信工程專業(yè)定位及通信行業(yè)需求進(jìn)行合理的定位，加強(qiáng)教師能力的培養(yǎng)，改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，加強(qiáng)新手段、新方法在教學(xué)中的應(yīng)用及學(xué)生科研及工程能力培養(yǎng)，全方位的提高學(xué)生素質(zhì)、學(xué)習(xí)能力、工程能力及創(chuàng)新能力，最終達(dá)到學(xué)生學(xué)以致用、對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚興趣，以提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)對(duì)國(guó)家有用的人才。

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[通聯(lián)編輯：王力]