“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的混合教學(xué)模式研究

湯紅衛(wèi)，仲崇山，薛 惠

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京100083）

0 引言

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)喬伊斯和韋爾最早將教學(xué)模式界定為：試圖系統(tǒng)地探討教育目的、教學(xué)策略、課程設(shè)計(jì)和教材，以及社會(huì)和心理理論之間的相互影響的、以設(shè)法考察一系列可以使教師行為模式化的各種可供選擇的模型，是在一定教學(xué)思想或教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起來(lái)的較為穩(wěn)定的教學(xué)活動(dòng)結(jié)構(gòu)框架和活動(dòng)程序。其中，教學(xué)活動(dòng)結(jié)構(gòu)框架突出了教學(xué)模式從宏觀(guān)上把握教學(xué)活動(dòng)整體及各要素之間內(nèi)部的關(guān)系和功能；活動(dòng)程序則突出了教學(xué)模式的有序性和可操作性［1～3］。

基于不同著重點(diǎn)，教學(xué)模式分類(lèi)不同［2～5］：從概念特征看，有教學(xué)的過(guò)程模式、結(jié)構(gòu)模式和方法模式；從主要理論依據(jù)看，有教學(xué)的哲學(xué)、心理學(xué)、管理學(xué)和社會(huì)學(xué)模式；從邏輯起點(diǎn)看，有從理論到實(shí)踐模式和從實(shí)踐到理論模式；從應(yīng)用范圍看，有一般教學(xué)模式與學(xué)科教學(xué)模式；從主要實(shí)施手段看，有面授教學(xué)模式、遠(yuǎn)程教學(xué)（在線(xiàn)教學(xué)、在線(xiàn)學(xué)習(xí)）模式、面授+網(wǎng)絡(luò)輔助的教學(xué)模式，以及混合教學(xué)模式。

近年來(lái)，混合教學(xué)模式受到教育學(xué)術(shù)界高度關(guān)注，界定為：在混合教育思想、學(xué)習(xí)理論和教學(xué)理論指導(dǎo)下，在混合教學(xué)環(huán)境中，教學(xué)系統(tǒng)要素在時(shí)間上動(dòng)態(tài)展開(kāi)形成的較為穩(wěn)定的教學(xué)活動(dòng)安排［6～9］。

1 課程存在問(wèn)題及解決方案

1.1 存在問(wèn)題

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程，是電子信息工程專(zhuān)業(yè)和通信工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，這門(mén)課程具有理論性強(qiáng)、概念抽象、邏輯性嚴(yán)密、數(shù)學(xué)工具應(yīng)用多、涉及應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等特點(diǎn)。僅40學(xué)時(shí)，涉及9章內(nèi)容［10］。如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)帶給學(xué)生生動(dòng)有趣的課堂內(nèi)容和課堂形式是本文作者自2002年擔(dān)任本課程教學(xué)以來(lái)一直不斷探求的目標(biāo)。

雖然取得長(zhǎng)足進(jìn)步但仍存在如下問(wèn)題：課程與“大學(xué)物理”課程聯(lián)系密切，部分內(nèi)容比如靜電場(chǎng)的高斯通量定律，“大學(xué)物理”課程中學(xué)習(xí)過(guò)它的積分形式，本課程中又引入它的微分形式，類(lèi)似情況很多。會(huì)降低學(xué)生對(duì)本課程的好奇心，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，況且鑒于知識(shí)的連貫性和整體性，又不宜只講述其微分形式，從它的積分形式講起既重復(fù)又浪費(fèi)，有待進(jìn)一步解決這一矛盾。

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程一直以來(lái)采用傳統(tǒng)的面授方式，教學(xué)中雖然也使用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)發(fā)布課件，僅此而已，實(shí)質(zhì)上還是傳統(tǒng)課程。近幾年增加了學(xué)生綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，即Presentation環(huán)節(jié)，但是課堂形式仍是傳統(tǒng)面授形式，缺乏討論互動(dòng)，難免枯燥、不夠生動(dòng)，也難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.2 解決方案

1）線(xiàn)上線(xiàn)下與課堂面授及Presentation結(jié)合

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程共9章內(nèi)容。其中，第1章為矢量分析，第2章至第7章每一章里都有部分內(nèi)容與“大學(xué)物理”課程相對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)關(guān)聯(lián)。將這部分基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)容錄制成微視頻轉(zhuǎn)移到線(xiàn)上，利用多種媒體形式如ppt、微視頻講解（“微課”）等呈現(xiàn)，并結(jié)合在線(xiàn)測(cè)試、問(wèn)答以及Presentation環(huán)節(jié)，使課堂形式豐富多樣化，從而帶動(dòng)學(xué)生的興趣。

2）教學(xué)課件的高度凝練與美觀(guān)

無(wú)論是線(xiàn)上教學(xué)還是傳統(tǒng)面授，教學(xué)課件的高度凝練與美觀(guān)能夠讓學(xué)生直擊重點(diǎn)，吸引學(xué)生的好奇心與注意力，使學(xué)生能夠?qū)Ｐ穆?tīng)課的必備條件之一。

3）教學(xué)內(nèi)容的精心設(shè)計(jì)

鑒于“電磁場(chǎng)與電磁波”課程有些基礎(chǔ)知識(shí)在“大學(xué)物理”已初步學(xué)習(xí)過(guò)，每節(jié)課按如下三種情形授課：一是每節(jié)課按50分鐘全部面授，其間穿插有個(gè)別思考和提問(wèn)，共16學(xué)時(shí)；二是每節(jié)課按40分鐘面授，下課前利用雨課堂進(jìn)行10分鐘隨堂測(cè)試和講解，共20學(xué)時(shí)；三是每節(jié)課內(nèi)容梳理成若干知識(shí)點(diǎn)，錄播制成20～30分鐘的教學(xué)視頻，供學(xué)生自學(xué)，共4學(xué)時(shí)。

4）隨堂測(cè)試的精心設(shè)計(jì)

隨堂測(cè)試的精心設(shè)計(jì)能夠跟學(xué)生很好地互動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)興趣。是線(xiàn)上教學(xué)不可或缺的教學(xué)環(huán)節(jié)，也是傳統(tǒng)面授教學(xué)環(huán)節(jié)的重要補(bǔ)充。

2 “電磁場(chǎng)與電磁波”課程的混合教學(xué)模式實(shí)施模型

格里菲斯大學(xué)（Griffith University）在充分開(kāi)展混合教學(xué)時(shí)間的基礎(chǔ)上，提出了混合教學(xué)五階段模型（Bath，Bourke，2010）。清華大學(xué)在該模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)國(guó)情和多數(shù)院校現(xiàn)有的課程教學(xué)模式，提出了“混合課程的教學(xué)實(shí)施模型”，其實(shí)施過(guò)程分為前期分析、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施、支持與保障、評(píng)估與優(yōu)化六個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示［11］。

圖1 混合課程教學(xué)的實(shí)施模型

前期分析：對(duì)課程基本情況進(jìn)行前期分析，以確定本課程是否適合開(kāi)展混合式教學(xué)。包括：課程現(xiàn)狀分析、現(xiàn)存主要問(wèn)題分析以及教學(xué)環(huán)境分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)立混合課程及教學(xué)的主要目標(biāo)。

混合課程及其教學(xué)的規(guī)劃：確立規(guī)劃原則、規(guī)劃內(nèi)容，以及選擇混合教學(xué)模式等。

混合課程及其教學(xué)的設(shè)計(jì)：包括確立設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)流程、教學(xué)資源的分解與混合設(shè)計(jì)，以及混合教學(xué)活動(dòng)的分解與混合設(shè)計(jì)、線(xiàn)上線(xiàn)下的內(nèi)容分配等［12～14］。

混合課程及其教學(xué)的實(shí)施：包括實(shí)施的原則、實(shí)施的步驟以及實(shí)施的策略等。

支持與保障：主要包括教學(xué)準(zhǔn)備保障、學(xué)?；A(chǔ)設(shè)施保障以及教學(xué)規(guī)章制度等。

3 “電磁場(chǎng)與電磁波”課程混合教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)計(jì)劃的進(jìn)一步調(diào)整和完善

課程教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)的調(diào)整也是本核心課程建設(shè)的重要內(nèi)容之一，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在之前的多輪教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)改革基礎(chǔ)上［15，16］，并結(jié)合本課程教材［10］及參考教材［17，18］，對(duì)教學(xué)計(jì)劃進(jìn)一步作了調(diào)整和完善。詳見(jiàn)表1。

表1 教學(xué)計(jì)劃的調(diào)整和完善（40學(xué)時(shí)）

由表1可知，2016年第1章矢量分析由4學(xué)時(shí)改為1學(xué)時(shí)，教學(xué)內(nèi)容的安排也有較大的改變和調(diào)整。這是因?yàn)榈?章矢量分析雖然是“電磁場(chǎng)與電磁波”課程內(nèi)容的重要基礎(chǔ)，但也是“高等數(shù)學(xué)”課程里學(xué)過(guò)的內(nèi)容，本課程中不宜作詳細(xì)講述授，只對(duì)一些常用且重要的知識(shí)點(diǎn)如梯度、散度與旋度等略作深入，并同時(shí)將它們與電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H結(jié)合起來(lái)，如講解梯度時(shí)，可以引入電位的梯度負(fù)值就是電場(chǎng)強(qiáng)度（即E=-Δφ），枯燥的數(shù)學(xué)公式就附有有了具象的內(nèi)容。延用至今；第2章靜電場(chǎng)，其部分內(nèi)容在大學(xué)物理課程中學(xué)習(xí)過(guò)，簡(jiǎn)單作刪減由8學(xué)時(shí)改調(diào)整為5學(xué)時(shí)；增加了Presentation環(huán)節(jié)6學(xué)時(shí)，該環(huán)節(jié)設(shè)置了近20個(gè)選題內(nèi)容，包括均勻傳輸線(xiàn)、磁懸浮列車(chē)、電磁波的極化以及潛艇通信和多普勒雷達(dá)測(cè)速等。2018年又將Presentation環(huán)節(jié)分散引入教學(xué)過(guò)程中，并將集中Presentation環(huán)節(jié)調(diào)整為2學(xué)時(shí)。在2020年的又一輪教學(xué)過(guò)程中，考慮到培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，將與實(shí)際工程有著緊密聯(lián)系的一些概念，如電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)、電容（器）等，相應(yīng)地引入若干工程案例進(jìn)行計(jì)算和分析，又將第2章靜電場(chǎng)調(diào)整為7學(xué)時(shí)，并配合隨堂測(cè)試和在線(xiàn)測(cè)試環(huán)節(jié)，類(lèi)似舉措都一一列舉，雖然學(xué)時(shí)非常有限，卻能夠在保證課程內(nèi)容完整性、豐富性，以及教學(xué)形式多維、立體和多樣性方面取得有突破性改進(jìn)。

3.2 學(xué)習(xí)單元的劃分和導(dǎo)學(xué)案設(shè)計(jì)

在進(jìn)行導(dǎo)學(xué)案設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先進(jìn)行學(xué)習(xí)單元的劃分和拆分。

1）學(xué)習(xí)單元?jiǎng)澐趾筒鸱?/p>

將課程按章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行單元?jiǎng)澐趾筒鸱?，每一章劃為一個(gè)單元，共9章劃為9個(gè)單元，再加上集中Presentation環(huán)節(jié)共10個(gè)單元。1到9單元每一個(gè)單元根據(jù)教學(xué)計(jì)劃和單元內(nèi)容又劃分為若干子單元，如表2所示。

表2 學(xué)習(xí)單元?jiǎng)澐峙c拆分

2）導(dǎo)學(xué)案的設(shè)計(jì)

導(dǎo)學(xué)案以“學(xué)”為出發(fā)點(diǎn)，主要從“學(xué)”的角度設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)活動(dòng)。它包括課程導(dǎo)學(xué)案、單元導(dǎo)學(xué)案和子單元導(dǎo)學(xué)案。

——課程導(dǎo)學(xué)案設(shè)計(jì)

本課程導(dǎo)學(xué)案的設(shè)計(jì)立足于課程教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，在認(rèn)真研究教材、參考書(shū)及課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，挖掘課程的核心知識(shí)和重點(diǎn)知識(shí)，圖2為所設(shè)計(jì)的課程導(dǎo)學(xué)案，以引導(dǎo)學(xué)生明確本課程的全貌、學(xué)習(xí)目標(biāo)、重點(diǎn)知識(shí)，以及學(xué)習(xí)方法和考核方式等，成為學(xué)生學(xué)習(xí)的路線(xiàn)圖。

圖2 課程導(dǎo)學(xué)案

——單元導(dǎo)學(xué)案和子單元導(dǎo)學(xué)案的設(shè)計(jì)

本課程按照每章劃分單元，第1章矢量分析為單元1、第2章靜電場(chǎng)為單元2，以此類(lèi)推。單元導(dǎo)學(xué)案和子單元導(dǎo)學(xué)案的設(shè)計(jì)思想和理念同前述課程導(dǎo)學(xué)案，圖3為單元2的導(dǎo)學(xué)案中的一部分，圖4為某一子單元的導(dǎo)學(xué)案中的一部分。學(xué)生通過(guò)單元導(dǎo)學(xué)案和子單元導(dǎo)學(xué)案能夠明確該單元及子單元的教學(xué)要求和重點(diǎn)知識(shí)。結(jié)合課堂講授、隨堂測(cè)試、在線(xiàn)測(cè)試等，學(xué)生容易形成課程知識(shí)的脈絡(luò)。

圖3 單元導(dǎo)學(xué)案

圖4 子單元導(dǎo)學(xué)案

3.3 混合教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)資源的設(shè)計(jì)

教學(xué)總體目標(biāo)的設(shè)計(jì)如下：

知識(shí)與技能目標(biāo)：使學(xué)生在“大學(xué)物理”和“高等數(shù)學(xué)”的基礎(chǔ)上，掌握電磁場(chǎng)與電磁波的基本規(guī)律和基本計(jì)算、分析方法；過(guò)程與方法目標(biāo)：逐步培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波相關(guān)工程實(shí)際案例，能夠運(yùn)用“電磁場(chǎng)與電磁波”課程所學(xué)知識(shí)，建立計(jì)算分析模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波相關(guān)工程實(shí)際案例的計(jì)算和分析；情感/態(tài)度/價(jià)值觀(guān)目標(biāo)：注重學(xué)生個(gè)性發(fā)展、創(chuàng)造精神、人格陶冶等方面的培養(yǎng)。

除上述課程總體目標(biāo)之外，還應(yīng)確定各子單元教學(xué)目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)這些教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)資源，參見(jiàn)表3。

表3 混合教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)資源設(shè)計(jì)

3.4 混合教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)課程總體教學(xué)目標(biāo)和各子單元教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)，如表4所示。為了規(guī)避線(xiàn)上教學(xué)學(xué)生懶散、不集中注意力聽(tīng)課而教師又無(wú)從監(jiān)管等弊端，設(shè)置了隨堂測(cè)試，圖5示出了隨堂測(cè)試中關(guān)于接地電阻的測(cè)試題，該測(cè)試題非常靈活，學(xué)生只有全神貫注地認(rèn)真聽(tīng)課，理解和領(lǐng)會(huì)了接地電阻的概念及相關(guān)計(jì)算，才能夠做出正確的選擇。實(shí)踐教學(xué)表明，通過(guò)設(shè)置靈活多樣的隨堂測(cè)試題，促使每個(gè)同學(xué)認(rèn)真聽(tīng)課并積極參與測(cè)試，收效顯著。

圖5 隨堂測(cè)試題目設(shè)計(jì)

表4 混合教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

3.5 混合學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)維度設(shè)計(jì)

在混合教學(xué)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)綜合考核，有效的評(píng)價(jià)維度應(yīng)包括以下幾個(gè)方面（參見(jiàn)圖6）：各考核維度的權(quán)重比例因課程性質(zhì)不同，有不同的設(shè)定。電網(wǎng)絡(luò)理論課程各個(gè)考核維度的權(quán)重比例設(shè)定為：在線(xiàn)測(cè)試與課后作業(yè)20%，在線(xiàn)學(xué)習(xí)行為12%，Presentation占8%，期末考試60%。

圖6 混合學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)維度設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程目前存在問(wèn)題，提出將混合教學(xué)模式引入到課程中，取得如下突出成效：

混合教學(xué)模式中課程導(dǎo)學(xué)案明確給出了課程的教學(xué)目標(biāo)、基本要求等，單元和子單元導(dǎo)學(xué)案明確給出了每個(gè)單元和子單元的教學(xué)目標(biāo)，牽引學(xué)生步入課程學(xué)習(xí)軌道。將大學(xué)物理課中學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)轉(zhuǎn)移到線(xiàn)上，以ppt、微視頻講解（“微課”）等形式呈現(xiàn)，再結(jié)合線(xiàn)上練習(xí)（在線(xiàn)測(cè)試）和問(wèn)答，以及課程微信群，使課程多維立體、內(nèi)容豐富、課堂形式多樣化，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣明顯提高。

合理組織和設(shè)計(jì)線(xiàn)上線(xiàn)下與課堂面授內(nèi)容，并輔以適當(dāng)?shù)摹拔⒄n”、線(xiàn)上線(xiàn)下練習(xí)、問(wèn)答和課堂討論話(huà)題等，并結(jié)合Presentation及多方面的考核評(píng)價(jià)維度，使電磁場(chǎng)與電磁波課程徹底擺脫以往一言堂式的刻板教學(xué)方式，提升了課程教學(xué)質(zhì)量。