《電磁場與電磁波》課程混合式教學(xué)實(shí)踐研究

王 筠,李建明,胡 森

(1 湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院， 武漢 430205；2 湖北第二師范學(xué)院 光電材料與元器件研究所，武漢 430205)

1 引言

電磁場與電磁波課程主要內(nèi)容包括：場論基礎(chǔ)、電磁實(shí)驗(yàn)定律和場量基本方程、靜態(tài)場、動(dòng)態(tài)場、電磁波的傳播、電磁波的傳輸和電磁波的輻射等。本課程學(xué)習(xí)過程需要在大學(xué)物理基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入分析電磁場性質(zhì)，在分析過程中，必須綜合運(yùn)用微分、積分和矢量計(jì)算及坐標(biāo)變換的知識(shí)，這就要求學(xué)生能夠?qū)?shù)學(xué)和自然科學(xué)的基本知識(shí)、模型及典型方法應(yīng)用到不同場的分析中，建立不同場的特定條件下的抽象的數(shù)學(xué)模型，然后對場進(jìn)行分析求解。通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生從會(huì)計(jì)算提升到能根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行合理近似計(jì)算、從掌握數(shù)學(xué)建模方法提升到能根據(jù)實(shí)際問題建模的能力層次，因而本課程目標(biāo)的達(dá)成有助于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力，它也是光電信息科學(xué)與工程本科專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)工程光學(xué)、信息光學(xué)(傅里葉光學(xué))及激光原理和光電子技術(shù)等后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在學(xué)科建設(shè)中發(fā)揮著承上啟下的作用，是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程涉及的基礎(chǔ)知識(shí)廣、理論系統(tǒng)性強(qiáng)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣和計(jì)算難、概念多且抽象，是一門難度系數(shù)較大的課程，同時(shí)由于面臨大幅減少的課堂授課時(shí)間，教與學(xué)的矛盾十分突顯；尤其目前學(xué)生普遍數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較薄弱，教師難教、學(xué)生難學(xué)的矛盾更加突出。為了解決教學(xué)中出現(xiàn)的問題，教育部出臺(tái)的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育 全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》中提出大學(xué)教育教學(xué)要主動(dòng)適應(yīng)信息技術(shù)與認(rèn)知科學(xué)帶來的變化，要更加重視以學(xué)生為中心的本科教育。本課程組在近幾年開展了一系列線上建課、線下課堂改革等課程教學(xué)改革。

2 線上線下混合式教學(xué)改革

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)加速發(fā)展和應(yīng)用，教育與新技術(shù)的結(jié)合越來越緊密，在線學(xué)習(xí)成為一種新型學(xué)習(xí)方式。盡管在線學(xué)習(xí)能夠給予學(xué)生 “私人訂制”般的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，但對于電磁場與電磁波課程這個(gè)學(xué)生心目中的“難課”，無論是從“教”還是從“學(xué)”的角度看，完全拋開線下課堂教學(xué)是不可行的，原因在于本課程涉及的許多概念抽象難懂，單憑學(xué)生一己之力非常困難，而凸顯物理本質(zhì)的探索環(huán)節(jié)離不開實(shí)體課堂上的師生互動(dòng)。因此，貫徹以學(xué)生為中心的教學(xué)思路，采用線上線下混合式教學(xué)，重討論、重總結(jié)，促進(jìn)學(xué)生專業(yè)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成是本課程教學(xué)目的。

2.1 線上學(xué)習(xí)分析

本課程于2019年2月在超星學(xué)習(xí)通上建課，線上有各章節(jié)的課件PPT、每一大節(jié)課后作業(yè)題、各單元測試試卷、期中考試試卷、各章節(jié)的在線問答題、試題庫及參考書籍的PDF文檔等。線上學(xué)習(xí)方便學(xué)生利用碎片時(shí)間高效學(xué)習(xí)、允許反復(fù)觀看直到理解為止，同時(shí)還可以利用在線測試題檢驗(yàn)理解程度，推動(dòng)教師從講授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的管理者，有利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和自控力。2021年3月-6月，是一個(gè)光電信息科學(xué)與工程本科班開課時(shí)間段，由于學(xué)時(shí)限制，采用了線上線下混合式教學(xué)改革，即每一大節(jié)線下課堂授課的課后作業(yè)及各個(gè)單元測驗(yàn)、期中考試均是在線進(jìn)行，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)在線提交課后作業(yè)、各個(gè)單元測驗(yàn)答卷及期中考試答卷，在線作業(yè)和各種測驗(yàn)使得學(xué)生可以自主利用碎片空閑時(shí)間完成，更能凸顯以學(xué)生為中心的教與學(xué)，但是也存在一些疑難問題，即不能完全真實(shí)反映學(xué)生學(xué)習(xí)成效，下面分別從學(xué)生在線學(xué)習(xí)章節(jié)、在線提交作業(yè)和在線單元測驗(yàn)考試等幾方面具體分析。

2.1.1 在線課程章節(jié)學(xué)習(xí)。利用在線學(xué)習(xí)方式，學(xué)生可以很方便利用任何空閑時(shí)間隨時(shí)隨地開展課前預(yù)習(xí)，圖1是學(xué)生一個(gè)月內(nèi)在線學(xué)習(xí)課程章節(jié)的次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖，表面看還是比較正常，但是在查看學(xué)生學(xué)習(xí)所用時(shí)間，就有點(diǎn)失望，如圖2所示學(xué)習(xí)進(jìn)度統(tǒng)計(jì)圖，從圖中得知學(xué)生在線學(xué)習(xí)所用時(shí)間少得可憐，不足25分鐘。

圖1 學(xué)生在線學(xué)習(xí)情況統(tǒng)計(jì)截圖

圖2 一個(gè)月內(nèi)學(xué)習(xí)進(jìn)度統(tǒng)計(jì)圖

2.1.2 在線提交的課后作業(yè)。由于學(xué)習(xí)通平臺(tái)上在線編輯公式不方便又費(fèi)時(shí)，所以，學(xué)生是通過拍照上傳紙質(zhì)版作業(yè)方式在線提交的，圖3是一學(xué)期的作業(yè)成績統(tǒng)計(jì)表截圖，從統(tǒng)計(jì)表中可知平均成績達(dá)到了96.08的高分，但是，查看作業(yè)相似度卻大失所望，見圖4所示，學(xué)生1和學(xué)生2作業(yè)相似度100%。

圖3 光電信息科學(xué)與工程本科班一學(xué)期全班作業(yè)成績統(tǒng)計(jì)圖

圖4 一次作業(yè)相似度部分統(tǒng)計(jì)圖

2.1.3 在線單元測驗(yàn)考試。在線完成單元測驗(yàn)考試，與平時(shí)在線作業(yè)相類似，只不過考試時(shí)間限制在120分鐘，超過規(guī)定時(shí)間系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，在線提交的各個(gè)單元測驗(yàn)考試和期中考試成績統(tǒng)計(jì)如圖5所示，圖中統(tǒng)計(jì)全班考試成績平均分是77.54，出現(xiàn)20分的最低分，這個(gè)最低分必須引起重視，需要及時(shí)和該學(xué)生聯(lián)系，單獨(dú)談話，了解情況。再來看某一個(gè)單元測驗(yàn)考試卷面分析截圖，如圖6所示，卷面成績呈正態(tài)分布，比較正常，學(xué)習(xí)情況較好。

圖5 光電信息科學(xué)與工程本科班一學(xué)期各單元和期中考試成績統(tǒng)計(jì)圖

圖6 一個(gè)單元測驗(yàn)考試成績分析截圖

對學(xué)生學(xué)習(xí)成效的考評必須客觀真實(shí)，學(xué)生在線學(xué)習(xí)成績顯然不能完全真實(shí)反映其學(xué)習(xí)成效，必須與線下課堂學(xué)習(xí)和線下期末考試綜合評定才能得出確定的結(jié)果。

2.2 線下課堂教學(xué)和討論

針對每一次課后作業(yè)，及時(shí)解答學(xué)生在作業(yè)中出現(xiàn)的疑難問題是非常重要的環(huán)節(jié)，由于課時(shí)有限，師生只能采取課外空閑時(shí)間通過集體討論課來解決這些疑難問題，這就是線下集體討論課的重要性。針對單元測驗(yàn)考試，通過翻轉(zhuǎn)課堂方式，學(xué)生以自愿組成學(xué)習(xí)小組并選出各組代表，走上講臺(tái)，在全班同學(xué)面前講解解題思路，推導(dǎo)求解過程并對結(jié)果展開討論。在單元復(fù)習(xí)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生采用思維導(dǎo)圖法對所學(xué)知識(shí)體系進(jìn)行梳理，這樣做十分有利于學(xué)生從繁復(fù)的推演計(jì)算中抽離出來，對所學(xué)知識(shí)體系進(jìn)行歸納總結(jié)，有利于學(xué)生對所學(xué)知識(shí)的把握和鞏固，達(dá)到融會(huì)貫通的目標(biāo)。

通過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果能較真實(shí)的體現(xiàn)在期末考試中，如圖7是期末考試卷面成績分析圖。圖中最低分6分，最高分91分，平均分52.7分。這與之前分析的在線學(xué)習(xí)成績相差太多，說明在線學(xué)習(xí)情況好壞并不能完全反映學(xué)生實(shí)際掌握知識(shí)情況，另外本學(xué)期由于疫情防控影響，學(xué)生在校學(xué)習(xí)時(shí)間很緊張，尤其在接近期末復(fù)習(xí)階段，學(xué)生根本找不出更多時(shí)間討論疑難問題，只能匆忙上陣迎接期末考試，所以，卷面成績很不好。圖8是本課程目標(biāo)達(dá)成度分析表截圖，從圖8中分析數(shù)據(jù)可知，課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)3和課程目標(biāo)5達(dá)成度較高，這表明學(xué)生對基礎(chǔ)部分的掌握情況較好。課程目標(biāo)2和課程目標(biāo)4的達(dá)成度不理想，課程目標(biāo)2和課程目標(biāo)4所涉及的是綜合運(yùn)用電磁場基本原理和基本方法開展一些理論計(jì)算，只有少數(shù)學(xué)生掌握了基本計(jì)算與分析，而有近五分之一學(xué)生幾乎不會(huì)，分析其原因可能存在如下幾點(diǎn)：(1)本學(xué)期平時(shí)作業(yè)采取的是學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)在線提交作業(yè)(學(xué)習(xí)通平臺(tái))，導(dǎo)致部分學(xué)生出現(xiàn)抄襲，平時(shí)沒有掌握，所以，期末考試出現(xiàn)完全不會(huì)做；(2)單元測驗(yàn)也是在學(xué)習(xí)通平臺(tái)進(jìn)行，所以，教師對學(xué)生關(guān)于所學(xué)知識(shí)的掌握情況不是全面清楚；(3)本學(xué)期教學(xué)周數(shù)因?yàn)橐咔榉揽乜s短了，學(xué)生根本沒有時(shí)間復(fù)習(xí)鞏固所學(xué)知識(shí)。針對課程目標(biāo)2和課程目標(biāo)4的達(dá)成度不理想，進(jìn)行教學(xué)上的改進(jìn)，主要是：(1)平時(shí)作業(yè)不能采取在線提交作業(yè)；(2)單元測驗(yàn)可以在學(xué)習(xí)通平臺(tái)進(jìn)行，但是應(yīng)該抽取空余時(shí)間補(bǔ)上習(xí)題課，及時(shí)解決學(xué)生學(xué)習(xí)中的疑難問題；(3)加強(qiáng)與學(xué)生的溝通，及時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的困難。

圖7 一份期末考試卷面成績分析圖

圖8 課程目標(biāo)達(dá)成度分析表截圖

學(xué)習(xí)是一個(gè)過程，對學(xué)習(xí)的評價(jià)必須是對學(xué)習(xí)過程的總體評價(jià)，不能一味只看期末考試。大學(xué)本科教育教學(xué)都要圍繞學(xué)生畢業(yè)能力達(dá)成這一核心任務(wù)展開。所以，課程考核方式方法的改革迫在眉睫。

2.3 課程考核方式改革

為了體現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的努力付出，也為了激發(fā)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，本課程考核分為平時(shí)成績占比20%，單元測驗(yàn)考試和期中考試各占比20%，期末考試占比40%，其中平時(shí)成績包括平時(shí)考勤、課后作業(yè)。這樣總評之后圖7期末考試情況很不好的這個(gè)班只有2名學(xué)生需要補(bǔ)考。

3 總結(jié)

貫徹以學(xué)生為中心的教學(xué)思路，采用線上線下混合式教學(xué)，重討論重總結(jié)促進(jìn)學(xué)生專業(yè)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成是本課程教學(xué)目的。 但是，要讓線上學(xué)習(xí)和線下課堂教學(xué)真正有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)能力達(dá)成這一核心任務(wù)并不能一蹴而就，需要潛心研究細(xì)致摸索和大膽創(chuàng)新。通過一個(gè)學(xué)期的探索，有收獲也有失敗，收獲在于學(xué)生在線預(yù)習(xí)可以隨時(shí)隨地進(jìn)行，失敗之處是在線提交作業(yè)和單元測驗(yàn)考試，抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致平時(shí)單元測驗(yàn)考試成績很好，而期末考試卷面成績不理想的奇怪現(xiàn)象。因此，在后面的課程改革中，去掉在線提交作業(yè)，改為線下完成作業(yè)，線上單元測驗(yàn)考試可以適當(dāng)增加題量，尤其分析計(jì)算題，可以有效避免學(xué)生之間的抄襲。堅(jiān)持線下經(jīng)常性的討論課和翻轉(zhuǎn)課堂，堅(jiān)持引導(dǎo)學(xué)生用思維導(dǎo)圖法梳理所學(xué)知識(shí)，堅(jiān)持課程考核重在學(xué)習(xí)過程考核，堅(jiān)持選擇與工程實(shí)際結(jié)合緊密的習(xí)題作為課后作業(yè)題。