“電磁場與電磁波”可視化教學(xué)法的研究與應(yīng)用

摘 要：文章針對可視化教學(xué)法進行了系統(tǒng)的研究，設(shè)定研究對象、提出研究方法、制訂研究內(nèi)容、分析研究效果，結(jié)合大學(xué)課程“電磁場與電磁波”，提出了應(yīng)用方法并分析了應(yīng)用效果?；诳梢酝瑯舆m用于大學(xué)電類通信類型課程的新型教學(xué)方法的原則，采用完善的可視化教學(xué)模式，結(jié)合傳統(tǒng)的教學(xué)手段，達到更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：可視化教學(xué)法;電磁場與電磁波;教學(xué)效果

一、研究內(nèi)容

本研究通過前期文獻研究，結(jié)合經(jīng)驗分析，學(xué)生問卷調(diào)查等系統(tǒng)研究，想要創(chuàng)建適用于大學(xué)課堂電磁類課程的可視化教學(xué)模式，需要具備三個創(chuàng)建機制：教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計、教學(xué)手段的改變、教學(xué)效果的評估。具體創(chuàng)建思路如下圖。

1.可視化教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

（1）增加趣味性教學(xué)內(nèi)容，按照教學(xué)大綱設(shè)計，電磁場主要教學(xué)內(nèi)容有：矢量分析、電磁場基本規(guī)律、靜態(tài)電磁場、時變電磁場;電磁波主要教學(xué)內(nèi)容有：平面電磁波、導(dǎo)行電磁波、電磁波的輻射等。如果按照課本教材章節(jié)順序進行按部就班地講解，學(xué)生會覺得索然無味，教學(xué)任務(wù)完成后，除了一系列晦澀難懂的公式，對這門課程的由來、創(chuàng)建機制、研究背景一無所知。第一，可視化教學(xué)方法可以在教學(xué)背景中開始滲透，講緒論時，從電磁學(xué)理論的背景由來進行展開，給學(xué)生介紹謝林的故事及其理論，法拉第的實驗方案和他的實踐結(jié)論，麥克斯韋如何將電場與磁場的轉(zhuǎn)換關(guān)系變成理論公式等。通過各位科學(xué)家的故事，吸引學(xué)生的注意力，提高他們的學(xué)習(xí)興趣。第二，在教學(xué)中重視電磁學(xué)理論與其他學(xué)科以及生活實際的相關(guān)聯(lián)系，例如電子顯微技術(shù)、列車磁懸浮技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、核磁共振技術(shù)、雷達定位技術(shù)等，提出電磁學(xué)應(yīng)用的范圍之廣、地位之重要，使學(xué)生對理論與應(yīng)用的聯(lián)系可以理解得更深入一些。

（2）加強知識點之間的聯(lián)系，在講述每章內(nèi)容結(jié)束的時候，一定要總結(jié)前面的知識點，讓學(xué)生了解知識之間的聯(lián)系性，同時要引出接下來的知識點。對電磁場基本規(guī)律等知識結(jié)構(gòu)設(shè)計好先行知識點，可以使學(xué)生注意到新的概念不是憑空而來的，而是建立在自己認知結(jié)構(gòu)中已有概念的基礎(chǔ)上。

（3）教材內(nèi)容改革：目前針對“電磁場與電磁波”的教學(xué)研究，國內(nèi)外學(xué)者主要以奧蘇伯爾的學(xué)習(xí)理論與布魯納的知識結(jié)構(gòu)理論作為指導(dǎo)，成為教材編寫設(shè)計的主要理論依據(jù)，通過對國內(nèi)外院校中“電磁場與電磁波”教材的選定方式的了解，從結(jié)構(gòu)、內(nèi)容以及習(xí)題例題三個方面進行了較詳盡的對比研究，針對本課程教材在體系結(jié)構(gòu)上提出了一種創(chuàng)新的設(shè)計方案，并在此結(jié)構(gòu)上對所有的教學(xué)內(nèi)容進行重新設(shè)計。同時，給學(xué)生推薦一些觀念新穎、內(nèi)容安排合理的國內(nèi)外教材。

2.可視化教學(xué)手段的設(shè)計

（1）由于本課程涉及的公式比較多，課程內(nèi)容又很抽象，如果采用HFSS、CST等微波電磁場分析軟件，應(yīng)用起來可行性不高，所以可以利用學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的MATLAB等仿真軟件進行可視化教學(xué)，可以與學(xué)生產(chǎn)生更多的共鳴。

（2）引入可視化應(yīng)用視頻。視頻的播放，在理論課堂的教學(xué)中，可以激發(fā)學(xué)生的興趣，尤其在課程剛開始的時候，適當(dāng)引入電磁場與電磁波在各個方面的應(yīng)用，比如軍事、通信、電氣、自動化等領(lǐng)域，讓學(xué)生認識到這門課程的重要性。

（3）多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)板書相結(jié)合。本課程理論教學(xué)中，由于公式過多、數(shù)學(xué)的推導(dǎo)復(fù)雜、理論知識抽象、系統(tǒng)性過強。如果單一地采用板書教學(xué)方法，大量的公式推導(dǎo)會占據(jù)過多的教學(xué)時間，而且課堂會顯得枯燥無味。而只采取多媒體教學(xué)手段，學(xué)生又很難跟得上老師的思路，因此，最好的方式是：教師在講理論推導(dǎo)時利用板書，而講更細節(jié)的理論或者分支的理論則以多媒體或紙質(zhì)資料形式分發(fā)給學(xué)生用來輔助教學(xué)。通過這種方式，提高學(xué)生信息搜索能力和知識儲備量。

3.可視化教學(xué)的預(yù)期效果

（1）充分利用MATLAB等仿真軟件的數(shù)值計算功能，快速解決復(fù)雜的高數(shù)知識的相關(guān)問題。

（2）利用繪圖功能實現(xiàn)標(biāo)量場和矢量場的二維圖和三維圖的制作。教學(xué)中重要物理概念可通過作圖軟件得到直觀圖形，有助于加深學(xué)生對相關(guān)概念的理解，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。并對電磁場與電磁波的電場、磁場、平面波等內(nèi)容的教學(xué)具有指導(dǎo)意義。

（3）培養(yǎng)學(xué)生利用計算輔助軟件解決復(fù)雜問題的能力，預(yù)期收到更好的教學(xué)效果。

二、教學(xué)效果分析

學(xué)生可以在有多媒體教學(xué)設(shè)備的教室中進行學(xué)習(xí)，有助于可視化教學(xué)的實踐。學(xué)校為教師的教學(xué)研究工作提供了很好的支持和幫助，學(xué)生和教師均可以在圖書館查閱文獻資料，包括圖文資料和電子文獻資源。

尚缺少實驗教學(xué)條件，因為購買電磁波教學(xué)綜合實驗儀費用昂貴，解決途徑是以教學(xué)小視頻或者仿真軟件進行演示教學(xué)，通過計算繪圖的方式，把對實踐教學(xué)研究從電磁波綜合實驗儀的構(gòu)想，替換到可視化教學(xué)過程中去。

通過將動畫模型和MATLAB仿真引入課堂之后，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高漲起來，課間休息時主動提問的學(xué)習(xí)明顯增多，教學(xué)效果顯著提升。

由于教學(xué)內(nèi)容的相對開放性以及信息時代的到來，學(xué)生可以從很多渠道獲取知識，認知領(lǐng)域大大拓寬。為了更好地完成引導(dǎo)者的角色，教師要不斷提高自我，重視自身素質(zhì)的提高，提高科學(xué)素養(yǎng)，擴展知識結(jié)構(gòu)。將成體系的可視化教學(xué)法，引入“電磁場與電磁波”教學(xué)安排中后，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與性，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生初步的科研興趣和應(yīng)用能力，從而達到更好的教學(xué)效果。

參考文獻：

[1]劉偉波，賈天俊，李榮.基于MATLAB大學(xué)物理可視化教學(xué)模式的實踐與思考——以“牛頓環(huán)干涉”教學(xué)為例[J].物理通報，2015（8）.

[2]姜高揚，王超.基于建模仿真的可視化教學(xué)模式研究[J].實驗室研究與探索，2017（7）.

基金項目：長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院2018年度學(xué)院基金項目（2018JY20）資助。

作者簡介：周橋梁（1986—），女，湖北天門人，講師，碩士，研究方向：信號處理和無線通信。