結(jié)合超星泛雅的電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)模式改革

陸文駿

（安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

電磁場(chǎng)與電磁波課程是研究物質(zhì)電磁屬性存在的性質(zhì)及電磁波運(yùn)動(dòng)形式及其規(guī)律的課程 ．它不僅是微波技術(shù)與天線、電磁輻射與電磁兼容的理論基礎(chǔ)，而且各類現(xiàn)代通信技術(shù)，如移動(dòng)通信技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)、光纖通信技術(shù)，以及通信、微波、雷達(dá)等各類專門學(xué)科，都是采用電磁波裝載信息并輻射的．而通信電子線路、射頻電路的設(shè)計(jì)中更是充滿了電磁場(chǎng)與電磁波的問題．因此，電磁場(chǎng)與電磁波是眾多學(xué)科的理論基礎(chǔ)，是電類專業(yè)的一門重要的理論課程，它是多個(gè)相關(guān)學(xué)科的理論基礎(chǔ)，是信息與通信類專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程[2]．

對(duì)于通信工程專業(yè)的學(xué)生來說，光纖通信技術(shù)課程中需要利用電磁場(chǎng)理論精確求解光在光纖中傳輸特性，確定光纖單?；蚨嗄９ぷ鳁l件和特性；移動(dòng)通信技術(shù)課程中，需要利用天線理論確定電磁波在手機(jī)與基站之間傳播時(shí)的功率損耗，蜂窩扇區(qū)的半徑和覆蓋情況也取決于基站天線的方向圖和增益．所以電磁場(chǎng)與電磁波是通信工程專業(yè)射頻通信技術(shù)、光纖通信技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)和無線通信技術(shù)等專業(yè)方向課的先修課程．同時(shí)，電磁場(chǎng)與電磁波也為電子信息工程專業(yè)的學(xué)生從事射頻電路和電磁兼容設(shè)計(jì)等工作打下基礎(chǔ)．

1 課程現(xiàn)狀

電磁場(chǎng)與電磁波課程是安徽三聯(lián)學(xué)院通信工程和電子信息工程2個(gè)專業(yè)的一門公共專業(yè)核心課，還是多個(gè)學(xué)科的交叉融合點(diǎn)．前修課程有高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等（見圖1），這些課程對(duì)本課程的學(xué)習(xí)起著基礎(chǔ)鋪墊作用[3]．后續(xù)課程有射頻通信技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、光纖通信技術(shù)和無線通信技術(shù)等，這些課程內(nèi)都有本課程基礎(chǔ)知識(shí)的具體應(yīng)用，為后續(xù)課程提供了理論和實(shí)踐的支撐．

圖1 課程地位

1.1 課程內(nèi)容

該課程的理論學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)，主要的教學(xué)內(nèi)容包括：（1）掌握靜電場(chǎng)和恒磁場(chǎng)的基本性質(zhì)和基本方程；（2）要求學(xué)生正確理解和掌握麥克斯韋方程在時(shí)變場(chǎng)和電磁波基本性質(zhì)及規(guī)律分析中的應(yīng)用；（3）掌握電磁波在空間中輻射的基本規(guī)律；（4）學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波的一般應(yīng)用問題進(jìn)行綜合分析和簡(jiǎn)單計(jì)算[4]．

1.2 學(xué)情分析

（1）已掌握的基礎(chǔ)知識(shí)：已經(jīng)掌握高等數(shù)學(xué)的基本方法，具備矢量微分運(yùn)算能力；已經(jīng)學(xué)習(xí)了大學(xué)物理中電磁學(xué)部分，知道電生磁和磁生電的基本知識(shí)．（2）學(xué)生的特點(diǎn)：對(duì)移動(dòng)教學(xué)的學(xué)習(xí)充滿興趣，易于接受視頻、圖像信息；自學(xué)為主、點(diǎn)串為輔的大學(xué)學(xué)習(xí)模式還沒有深入人心．（3）認(rèn)知結(jié)構(gòu)：對(duì)如何解釋宏觀的電磁現(xiàn)象，也就是產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的源到底有哪些，學(xué)生的認(rèn)識(shí)還很模糊，同時(shí)對(duì)理論的應(yīng)用還存有疑問．

2 混合式教學(xué)模式改革思路

2.1 結(jié)合物理模型的教學(xué)

關(guān)于梯度和方向?qū)?shù)的關(guān)系問題可以引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自身爬山的經(jīng)歷進(jìn)行理解，所謂梯度的方向是在給定點(diǎn)處令方向?qū)?shù)的值增加最快的方向[5]；或者說在給定點(diǎn)處朝梯度方向運(yùn)動(dòng)，方向?qū)?shù)的值將變化的最劇烈．最大的變化率，也就是斜率等于梯度的模長(zhǎng)．如果把方向?qū)?shù)看作爬山，方向?qū)?shù)上的給定點(diǎn)是你站立的位置，那么梯度方向就是向上爬山時(shí)最陡峭的地方，梯度垂直方向就是站立點(diǎn)的等高線．在等高線上，梯度總是指向值最大的方向．課上結(jié)合攀巖運(yùn)動(dòng)的視頻進(jìn)一步講解梯度和方向?qū)?shù)的概念．

課后針對(duì)這一問題可以組織討論和知識(shí)拓展：請(qǐng)學(xué)生們搜集資料自學(xué)關(guān)于爬山算法的基本思路和步驟，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真．爬山的目的就是要逐步登上山頂，想要到達(dá)山頂，每一步應(yīng)該是向著山頂邁進(jìn)的，經(jīng)過一步一個(gè)腳印終于到達(dá)了山頂，就能真正體會(huì)到什么是“會(huì)當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小”的豪邁姿態(tài)．當(dāng)然了也別忘了“山外有山”，也許所登山峰在當(dāng)?shù)厥亲罡叻?，但再高也沒有珠穆朗瑪峰高．說明了爬山算法的優(yōu)缺點(diǎn)，爬山算法可以很好地求解局域（當(dāng)?shù)兀O大或極小值，但并不能求解全局（全世界）最大或最小值[6]．

2.2 課程思政

隔空點(diǎn)燈背后的實(shí)驗(yàn)裝置：特斯拉線圈，以美籍塞爾維亞裔發(fā)明家尼古拉·特斯拉的名字命名的．課堂上請(qǐng)學(xué)生以講座的形式介紹他的生平事跡，主要體現(xiàn)在 11次讓賢諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的提名，可以看出比科學(xué)成就和社會(huì)貢獻(xiàn)更重要的是應(yīng)該具備優(yōu)良的思想品德，“德才兼?zhèn)?、以德為先”．同時(shí)特斯拉短短幾十年就有700多項(xiàng)發(fā)明專利問世，鼓勵(lì)學(xué)生特斯拉為榜樣，積極開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)，以自身行動(dòng)響應(yīng)和投身到新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義的偉大實(shí)踐中來．

GPS系統(tǒng)也是一個(gè)很好的課程思政案例：通過 26年前的銀河號(hào)事件，我國(guó)航天人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)主動(dòng)權(quán)在美國(guó)人手中，他們可以決定誰在何時(shí)可以使用GPS．為了改變這個(gè)局面，我國(guó)航天人奮發(fā)圖強(qiáng)，目前已完成北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航基本系統(tǒng)．結(jié)合這個(gè)案例和正在開展的“不忘初心、牢記使命”主題教育活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的使命感和愛國(guó)熱情．

2.3 案例式教學(xué)與科研成果進(jìn)課堂

雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)例引入本課內(nèi)容：二戰(zhàn)前夕，飛機(jī)成為戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)攻的主角，各國(guó)競(jìng)相研制一種地面防空預(yù)警系統(tǒng)，所以雷達(dá)成為整個(gè)二戰(zhàn)期間電磁場(chǎng)理論應(yīng)用最活躍的部分．以參與完成的科研項(xiàng)目成果（通信頻率監(jiān)測(cè)與指配系統(tǒng)，見圖2）分析出發(fā)[7]，大規(guī)模小范圍的通信電臺(tái)使用需要預(yù)先指配信道，否則會(huì)造成無線電信號(hào)的擁塞，使學(xué)生深入理解頻率指配的意義，并從系統(tǒng)應(yīng)用的功能需求，到系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，再到分系統(tǒng)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)的基本思路，灌輸工程理念．

其中結(jié)合雷達(dá)波段的劃分方法及命名規(guī)則（L，S，X，C，K，Ku，Ka等）課前可布置學(xué)生進(jìn)行線上討論[8]，課上選取幾位學(xué)生的回答進(jìn)行解釋（見圖3）．

圖2 通信頻率監(jiān)測(cè)與指配系統(tǒng)組成

圖3 線上討論

2.4 學(xué)科間的交叉融合

在講解麥克斯韋方程組的物理意義[9]時(shí)，教師課前可安排預(yù)習(xí)任務(wù)分析其特點(diǎn)：并用口訣“三三、六六”進(jìn)行歸納總結(jié)．其中“三三”是指電生磁和磁生電，“六六”是指磁場(chǎng)是無源場(chǎng)和電荷激發(fā)電場(chǎng)．隨后引導(dǎo)學(xué)生從2個(gè)不同的角度理解麥克斯韋方程組中背后的哲學(xué)思想（橫看成嶺側(cè)成峰、遠(yuǎn)近高低各不同），能夠透過現(xiàn)象看本質(zhì)：（1）時(shí)變電磁場(chǎng)的電和磁構(gòu)成一個(gè)整體即電磁場(chǎng)，同時(shí)又可以相互激發(fā)在空間中傳播即電磁波，它們之間是對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系．（2）電（或磁）場(chǎng)的時(shí)間變化會(huì)轉(zhuǎn)化成磁（或電）場(chǎng)地點(diǎn)的變化，從通信的角度來看，就是用時(shí)間換空間，反之亦然．

另外一個(gè)案例是隔空點(diǎn)燈．由2個(gè)問題引入：隔空點(diǎn)燈是真的嗎？隔空點(diǎn)壞燈還是真的嗎？教學(xué)中引入了中國(guó)大學(xué) MOOC：華中科技大學(xué)黃佳慶副教授主講的通信電子線路片段——隔空點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)[10]，并引出隔空點(diǎn)燈背后的實(shí)驗(yàn)裝置——特斯拉線圈（見圖4）．

由這一案例布置課后作業(yè)（分組任務(wù)見圖 5）——隔空點(diǎn)燈的工作原理和運(yùn)用高頻電子技術(shù)課程中的方法分析特斯拉線圈的等效電路（體現(xiàn)了課程之間的交叉融合）．

2.5 PBL教學(xué)

根據(jù)課程的知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)應(yīng)用中的問題，提前公布講座選題[11]，部分選題見表 1．安排分組任務(wù)，2人一組進(jìn)行資料準(zhǔn)備，課上合作進(jìn)行講座實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂．

圖4 引入金課視頻

圖5 發(fā)布分組任務(wù)

表1 講座選題和關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)

2.6 移動(dòng)智慧教學(xué)

依托超星泛雅網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)推廣應(yīng)用多項(xiàng)教學(xué)方法，以培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提高能力素質(zhì)、擴(kuò)大信息量、拓寬知識(shí)面為教學(xué)目的，綜合運(yùn)用啟發(fā)式、互動(dòng)式、探究式、討論式等多種教學(xué)方法．根據(jù)課程內(nèi)容體系重點(diǎn)講授基本概念、基本原理和方法（技術(shù)），采用多種教學(xué)形式，提出“自主、互動(dòng)、探究式”移動(dòng)智慧教學(xué)新模式．該模式緊密結(jié)合一平三端資源[12]，打破原有的教學(xué)模式，合理運(yùn)用信息技術(shù)、數(shù)字資源、教學(xué)平臺(tái)和信息化教學(xué)環(huán)境．通過充分使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)調(diào)用資源，教學(xué)符號(hào)、多媒體、文字、批注等制作教學(xué)課件并對(duì)課件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)．學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)調(diào)用課件，課件資源也可在一定范圍內(nèi)共建共享，教學(xué)效果突出，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率．其主要特點(diǎn)是：多種現(xiàn)代化教學(xué)方法綜合，學(xué)生素質(zhì)得到全面提高；實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)學(xué)習(xí)方式向主動(dòng)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變；培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力；突出教學(xué)過程中學(xué)生的主體意識(shí)．

3 課程效果綜合評(píng)價(jià)

3.1 成績(jī)分析

采用的混合式教學(xué)模式改革從2016級(jí)相關(guān)專業(yè)開始試點(diǎn)，以近3期學(xué)生（分別為2015級(jí)、2016級(jí)和2017級(jí)電子信息工程專業(yè)1班、2班和通信工程專業(yè)學(xué)生，其中2015級(jí)為對(duì)照）的卷面成績(jī)和綜合成績(jī)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2．

表2 近3年學(xué)生的課程成績(jī)

綜合成績(jī)的構(gòu)成包括卷面成績(jī)和平時(shí)成績(jī)，2部分各占 50%．其中平時(shí)成績(jī)由4個(gè)部分組成：簽到（10%）、課內(nèi)外表現(xiàn)（40%，參與投票、問卷、搶答、選人、討論、測(cè)驗(yàn)和分組任務(wù)等課程活動(dòng)）、課堂筆記和作業(yè)（30%，學(xué)生通過拍照的方式上傳至線上作業(yè)中）和學(xué)生講座（20%）．從結(jié)果對(duì)比來看，近3年各教學(xué)班的成績(jī)穩(wěn)中有升．

3.2 學(xué)生評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)

以近3期學(xué)生（分別為2015級(jí)、2016級(jí)和2017級(jí)電子信息工程專業(yè)1班、2班和通信工程專業(yè)學(xué)生，其中2015級(jí)為對(duì)照）的評(píng)教得分再次進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3．

評(píng)教得分為各年級(jí) 2個(gè)專業(yè)的參評(píng)學(xué)生的總平均分．從結(jié)果對(duì)比來看，混合式教學(xué)的新模式越來越深得人心．

表3 近3年學(xué)生的評(píng)教得分

3.3 階段性成果

目前混合式教學(xué)改革已取得階段性成果，任課教師依托線上工具開展線上線下混合式教學(xué)，取得了一些成績(jī)．本課程的線上資源包括任務(wù)點(diǎn)152個(gè)、PPT480份、教學(xué)短視頻871段、文檔1200個(gè)、試題237道、試卷4套，也已成功申報(bào)超星示范教學(xué)包，目前引用量為60人次．2019年6月以團(tuán)隊(duì)形式參加了校第一屆“超星杯”移動(dòng)教學(xué)大賽暨智慧課堂教學(xué)創(chuàng)新大賽獲一等獎(jiǎng)，12月代表學(xué)校參加了安徽省應(yīng)用型高校聯(lián)盟第三屆“超星杯”智慧教學(xué)創(chuàng)新大賽獲得二等獎(jiǎng)．

綜上所述，經(jīng)過2年的教學(xué)模式改革，雖然已取得初步成效，但還存在線上教學(xué)資源和學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)需求如何智能匹配，資源的推送如何智能化，線上線下時(shí)間比例如何分配對(duì)于提升教學(xué)質(zhì)量更有效等相關(guān)問題．

4 結(jié)語

電磁場(chǎng)與電磁波課程創(chuàng)新實(shí)踐了線上線下混合式教學(xué)新模式，基于超星一平三端運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)字化教學(xué)工具，結(jié)合學(xué)校實(shí)際對(duì)課程進(jìn)行改革．安排30%的教學(xué)時(shí)間實(shí)施學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)完成線上任務(wù)點(diǎn)，與線下課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合開展混合式教學(xué)，打造線上課程與線下面授相融合的混合式“金課”．

課程教學(xué)的創(chuàng)新性體現(xiàn)為：課程知識(shí)點(diǎn)的設(shè)計(jì)緊緊圍繞電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用案例，通過對(duì)比分析和歸納總結(jié)等多種方法探尋公式中所蘊(yùn)含的物理意義和哲學(xué)思想，通過應(yīng)用案例的分析加強(qiáng)學(xué)生分析能力．

通過引入金課視頻培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，通過分組任務(wù)加強(qiáng)思維能力的鍛煉．

（1）積極將科研成果引入課堂教學(xué)，灌輸工程設(shè)計(jì)的理念和思路，引導(dǎo)學(xué)生查找資料完成文獻(xiàn)綜述．

（2）部分教學(xué)設(shè)計(jì)中引入課程思政案例，呈現(xiàn)了多方面的思政元素，力求圍繞立德樹人貫徹落實(shí)“不忘初心、牢記使命”主題教育活動(dòng)成果．