“電磁場與電磁波”的信息化教學(xué)研究與實(shí)踐＊

蔡 洋，曹玉凡，張寶玲，吳 濤，李冠霖，李平輝，李 森

（1.航天工程大學(xué)，北京 101416；2.陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210001）

“電磁場與電磁波”是電子電氣工程相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，通過學(xué)習(xí)掌握電磁基本理論及其應(yīng)用背景，搭建通往后續(xù)專業(yè)課的必經(jīng)橋梁[1-3]。根據(jù)這一定位，本校測控工程、雷達(dá)工程等共計(jì)5個(gè)專業(yè)的本科學(xué)員于大二下學(xué)期開設(shè)了本門課程。處于當(dāng)前階段的本科學(xué)員已經(jīng)完成了“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”“電路分析”課程的學(xué)習(xí)，即將進(jìn)入三年級(jí)開始“微波技術(shù)與天線”“航天無線電測量技術(shù)”“雷達(dá)信號(hào)處理基礎(chǔ)”等專業(yè)課的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，本門課程是實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程無縫銜接的必要條件之一，為降低專業(yè)課程的學(xué)習(xí)門檻提供重要的支撐。

經(jīng)過梳理分析，本門課程表現(xiàn)出以下3個(gè)突出的特點(diǎn)：①電場磁場和電磁波的第一個(gè)特點(diǎn)就是看不見摸不著，需要學(xué)員們具備強(qiáng)大的抽象思維和空間想象能力；②“電磁場與電磁波”的學(xué)習(xí)需要以高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理中的相應(yīng)內(nèi)容為基礎(chǔ)，包括多元函數(shù)微積分、振動(dòng)與波等，而這些內(nèi)容本身大部分又是其相應(yīng)課程的教學(xué)難點(diǎn)，因此第二個(gè)特點(diǎn)就是數(shù)理基礎(chǔ)要求高；③經(jīng)過梳理發(fā)現(xiàn)要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)近300個(gè)，重要概念近100個(gè)，而這些知識(shí)點(diǎn)和概念又與抽象的思維和數(shù)理基礎(chǔ)密不可分，因此第三個(gè)特點(diǎn)就是知識(shí)點(diǎn)多，概念易模糊。

這三個(gè)特點(diǎn)集中起來就表現(xiàn)為一個(gè)字——難！對(duì)于教員來說非常難教，對(duì)于學(xué)員來說非常難學(xué)。為了解決面臨的教學(xué)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)、能力素養(yǎng)以及情感價(jià)值3個(gè)方面的教學(xué)目標(biāo)，需要以充分了解學(xué)生的基本情況即學(xué)情為中心，以教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，以信息化條件、信息化手段為依托設(shè)計(jì)合理的教學(xué)方法。

1 課程設(shè)計(jì)

1.1 課程主線

以課程教材為基礎(chǔ)，以教學(xué)大綱為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)了一條主線清晰的教學(xué)內(nèi)容，內(nèi)容的核心是麥克斯韋方程組，而矢量分析和靜態(tài)場的規(guī)律是理解和推導(dǎo)方程組的必要數(shù)理基礎(chǔ)?；诜匠探M能夠推出相應(yīng)的波動(dòng)方程進(jìn)而研究電磁波到底是如何傳播、反射和折射的。因此教學(xué)主線就是要闡述麥克斯韋方程組的來龍去脈[4]。在主線的貫穿下，課程共設(shè)置72個(gè)學(xué)時(shí)，其中理論講授60學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)操作12學(xué)時(shí)。

1.2 學(xué)情分析

獲得學(xué)情的來源主要有3種：基礎(chǔ)課成績統(tǒng)計(jì)、教學(xué)聯(lián)席會(huì)和集中座談。經(jīng)過總結(jié)分析，學(xué)員特點(diǎn)可概括為如圖1所示的幾個(gè)方面。

圖1 學(xué)員學(xué)情對(duì)比

學(xué)員基本情況可以分為2個(gè)方面：個(gè)性特點(diǎn)和知識(shí)能力。其中在個(gè)性特點(diǎn)方面，盡管“00后”一代普遍活潑開朗，善于表達(dá)，但是自尊心強(qiáng)、抗壓能力弱導(dǎo)致他們在課堂上遇到難點(diǎn)和困惑的地方不愿意表達(dá)出來，對(duì)學(xué)習(xí)的抵觸情緒會(huì)不斷加強(qiáng)，特別是本門課程中難點(diǎn)問題不斷出現(xiàn)，這一特點(diǎn)尤其要引起重視。同時(shí)在知識(shí)能力方面，如圖2所示，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)成績發(fā)現(xiàn)，學(xué)員的數(shù)理基礎(chǔ)參差不齊，相當(dāng)一部分學(xué)員在關(guān)鍵數(shù)理基礎(chǔ)上還有所欠缺。以上學(xué)員特點(diǎn)是設(shè)計(jì)教學(xué)方法的重要參考。

圖2 基礎(chǔ)課成績分析

2 教學(xué)方法

行動(dòng)為基，理念先行。理念是行動(dòng)的先導(dǎo)，教育理念更是這樣。意大利教育家瑪利亞·蒙臺(tái)梭利提出過這樣一個(gè)教育理念：“Tell me and I will forget，show me and I might remember，involve me and I will understand”。根據(jù)這一教育理念，如果讓學(xué)生真正的參與教學(xué)，那學(xué)生就會(huì)徹底明白。這一個(gè)理念與中國荀子的觀念不謀而合：“不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之。學(xué)至于行之而止矣。行之，明也”?？偨Y(jié)來看，他們理念的核心都是充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生親身參與教學(xué)活動(dòng)。在這個(gè)理念的指導(dǎo)下，在教學(xué)過程中筆者們努力構(gòu)建以學(xué)員為中心、全員高效參與的“信息化電磁課堂”[5]。

合理的教法設(shè)計(jì)是踐行這個(gè)目標(biāo)的保證。筆者們以教學(xué)目標(biāo)為引領(lǐng)，以課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，以學(xué)員學(xué)情為主體來設(shè)計(jì)教學(xué)方法。針對(duì)教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，采用不同的教學(xué)方法，教學(xué)方法總結(jié)如圖3所示，在整個(gè)教學(xué)過程中，將課程思政貫穿教學(xué)過程始終，潤物無聲，立德樹人。

圖3 教學(xué)方法總結(jié)

2.1 演示教學(xué)法

電磁場與電磁波看不見摸不著，這是學(xué)習(xí)本門課程的天然障礙，為了盡可能消除這一障礙，運(yùn)用了演示教學(xué)法。通常情況下利用計(jì)算機(jī)仿真（比如MATLAB仿真等）將抽象的概念以三維動(dòng)畫的形式進(jìn)行展示[6]，如極化的旋向、電磁波的衰減等。對(duì)于相對(duì)重要、抽象的概念可以進(jìn)一步通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）動(dòng)畫，將看不見的場波展示在學(xué)員周圍，增加他們的交互體驗(yàn)[7]。AR動(dòng)畫技術(shù)能夠真正將場、波以三維動(dòng)畫的方式進(jìn)行展示，學(xué)員們能夠從不同角度進(jìn)行觀察和理解，如圖4所示，對(duì)于理想介質(zhì)中的均勻平面波，它是電磁波部分最為基礎(chǔ)也是最為重要的一講，對(duì)于這一概念及其相應(yīng)電磁波分布的深刻理解尤為重要。通過制作成手機(jī)程序，學(xué)員們可以安裝到手機(jī)、平板等終端，隨時(shí)隨地掃描程序設(shè)定的觸發(fā)圖案，即可展示三維的動(dòng)畫過程，通過從不同角度觀察動(dòng)畫過程，能夠非常直觀地理解電磁波中的電磁場相位、幅度以及方向的關(guān)系，從而打牢后續(xù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。通過這種教學(xué)方法，可以實(shí)現(xiàn)從抽象的理論到具象的轉(zhuǎn)變，為他們理解更為實(shí)際的抽象問題提供想象的基礎(chǔ)。

圖4 利用AR動(dòng)畫技術(shù)多角度觀察電磁波分布

2.2 混合式教學(xué)法

數(shù)理基礎(chǔ)要求高是學(xué)習(xí)本門課程的最大障礙，特別是課上短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)復(fù)雜公式推導(dǎo)的理解和掌握對(duì)于基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)來說非常困難，因此課前發(fā)布與課程密切相關(guān)的物理定律、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的微課視頻，充分利用他們的碎片化時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)[8]，同時(shí)他們也能夠通過微信、釘釘?shù)确绞脚c同學(xué)、教員進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)、答疑，解決數(shù)理基礎(chǔ)中的難點(diǎn)問題，使他們在課堂上能夠高效地理解重要的物理概念，從而構(gòu)建完整的電磁知識(shí)體系；通過利用問卷星、群投票等方式收集學(xué)員在線上學(xué)習(xí)過程中仍存在的難點(diǎn)問題，在課上教學(xué)過程中，針對(duì)線上內(nèi)容進(jìn)行要點(diǎn)回顧和提煉，對(duì)普遍存在困難的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)一步通過板書推導(dǎo)等方式進(jìn)行重點(diǎn)講解。為了確保線上學(xué)習(xí)的有效性，采用了問卷普查、重點(diǎn)抽查、考核量化等方式。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)法

以上教學(xué)方法的使用是為了調(diào)動(dòng)學(xué)員們在思想上參與的積極性，為了讓學(xué)員真正感受到無處不在的電磁場和電磁波，設(shè)計(jì)了與理論課程密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課[9]。2019年本校新建設(shè)完成了電磁場與微波實(shí)驗(yàn)室，如圖5所示，用于開展“電磁場與電磁波”“微波技術(shù)與天線”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程?；趯?shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，學(xué)員根據(jù)課程學(xué)習(xí)需要，可以在相應(yīng)終端預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)器材，系統(tǒng)可以高效地、靈活地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室日常事務(wù)管理和實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理，系統(tǒng)簡化了實(shí)驗(yàn)室管理程序，有效提高學(xué)員開展實(shí)驗(yàn)的便利性，使儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)資源得到了充分利用。在實(shí)驗(yàn)室中，通過電磁場與電磁波智能平臺(tái)，如圖6所示，學(xué)員能夠開展電磁感應(yīng)、電磁波極化、駐波特性等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在信息系統(tǒng)上同步展示，加強(qiáng)信息的透明度和及時(shí)性，便于學(xué)員對(duì)結(jié)果的分析和對(duì)比，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解。

圖5 基于信息化管理系統(tǒng)的電磁場與微波實(shí)驗(yàn)室

圖6 電磁場電磁波智能平臺(tái)

2.4 課程考核

為了配合上述教學(xué)方法的實(shí)施，設(shè)計(jì)了4個(gè)方面的考核內(nèi)容，如圖7所示，包括期末考試、課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)以及實(shí)驗(yàn)操作等，其中實(shí)驗(yàn)操作和期末考試中的線上教學(xué)比例不少于20%，從而形成多元化、差異化的評(píng)價(jià)機(jī)制，有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

圖7 多元化的課程考核機(jī)制

3 結(jié)束語

針對(duì)“電磁場與電磁波”課程教學(xué)過程中的傳統(tǒng)難點(diǎn)問題，研究了信息化條件下如何有效提高學(xué)員參與積極性的教學(xué)方法，重點(diǎn)闡述了演示教學(xué)法、混合式教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)法在“電磁場與電磁波”課程中的實(shí)踐過程，同時(shí)制定了配合教學(xué)方法的四位一體課程考核內(nèi)容，有助于促使教學(xué)質(zhì)量的提升和學(xué)員參與學(xué)習(xí)主動(dòng)性的激發(fā)，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。