“電磁場與電磁波”課程混合教學(xué)模式研究

蔡軼珩 陳華敏 稂時楠 解意洋 賽景波

(北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部， 北京 100124)

“電磁場與電磁波”課程是高等學(xué)校電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電子信息等專業(yè)本科生的一門基礎(chǔ)課，也是“微波技術(shù)”“通信電路”“電磁兼容”等課程的理論基礎(chǔ)。特別是在現(xiàn)代電子技術(shù)高速發(fā)展的信息時代，電磁場與電磁波被廣泛運(yùn)用到廣播電視、信息通訊、軍事偵察、電子對抗等各個領(lǐng)域中。因此，它是一門重要的基礎(chǔ)理論課程。另一方面，該課程內(nèi)容涉及面廣、理論抽象、數(shù)學(xué)分析多，也是被公認(rèn)為難教、難學(xué)的一門課程[1-2]。結(jié)合“電磁場與電磁波”課程教學(xué)的實際，嘗試?yán)们把丶夹g(shù)引領(lǐng)課堂教學(xué)，對教學(xué)模式進(jìn)行改革與實踐。以課程為中心、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，探索覆蓋體系課程融合、課外仿真實踐、課程思政、工程案例與科研融入、翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下并行等混合教學(xué)模式[3]。通過教學(xué)模式改革，希望打通課前、課中、課后以及相關(guān)課程間的連接通道，幫助學(xué)生系統(tǒng)理解和消化電磁場與電磁波的基本理論，充分鍛煉學(xué)生獨(dú)立解決實際問題和實踐創(chuàng)新的能力。

1 體系課程融合教學(xué)模式探索

電磁場與電磁波課程是通信工程和電子信息工程等專業(yè)的一門公共基礎(chǔ)必修課，還是多個學(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”“電路分析基礎(chǔ)”等，這些課程對該課程的學(xué)習(xí)起著基礎(chǔ)鋪墊作用；同期相關(guān)課程有“通信系統(tǒng)原理”“信號與系統(tǒng)”“射頻與通信電路”等，這些課程與該課程相輔相成；后續(xù)課程有“射頻天線設(shè)計與仿真”“移動通信”“光通信技術(shù)”“無線通信”“電磁兼容”等，這些課程內(nèi)都有該課程基礎(chǔ)知識的具體應(yīng)用。研究體系內(nèi)課程的相關(guān)內(nèi)容，針對后續(xù)課程的先導(dǎo)知識，融入相應(yīng)應(yīng)用背景，打通課程間知識連接通道，將有效提升課程中理論內(nèi)容的實用性。

與電磁場與電磁波課程相關(guān)聯(lián)的后續(xù)課程中，“射頻天線設(shè)計與仿真”課程需要利用該課程有關(guān)傳輸線電流波和電壓波的一般表達(dá)式以及反射系數(shù)、駐波比等基本概念，以及矩形波導(dǎo)中的電磁波傳輸特性、波型和場結(jié)構(gòu)等?！肮馔ㄐ偶夹g(shù)”課程中需要利用電磁場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。“無線通信”課程中，無線電波傳播、發(fā)送和接收信號模型、無線信道特性等基礎(chǔ)內(nèi)容是基于電磁場理論得到的?！耙苿油ㄐ偶夹g(shù)”課程中，需要利用電磁場理論確定電磁波在手機(jī)與基站之間傳播時的功率損耗。“電磁兼容技術(shù)”課程中，需要利用電磁場理論分析電磁干擾的傳輸途徑等?；谏鲜稣n程的內(nèi)容分析，提取“電磁場與電磁波”課程中的直接關(guān)系內(nèi)容，形成體系課程內(nèi)容關(guān)聯(lián)圖，將后續(xù)課程中相應(yīng)應(yīng)用背景以工程案例形式融入授課內(nèi)容，提升課程中理論內(nèi)容的實用性。

2 仿真實踐教學(xué)模式探索及體系構(gòu)建

“電磁場與電磁波”的理論分析及計算涉及較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)物理知識，且不夠直觀、抽象難懂。為了解決這些問題，實踐環(huán)節(jié)的加入顯然是最有效的途徑[4]。但是由于學(xué)時有限，需要學(xué)生掌握的教學(xué)內(nèi)容又多，如果占用課堂教學(xué)時間組織實踐環(huán)節(jié)，會壓縮理論教學(xué)時間，同樣影響學(xué)生對理論方法的理解。因此，有必要探索課下實踐的方式，采用軟件仿真手段對涉及的數(shù)學(xué)分析建模展現(xiàn)，形成課下實踐指導(dǎo)及評估體系，讓學(xué)生直觀感受建模結(jié)果的影響因素，使學(xué)生能夠主動思索、勤于動手，加深對理論知識的理解，并提升分析問題的能力。

采用Matlab、HFSS 以及ADS 等軟件作為仿真平臺，通過課后作業(yè)的形式，鼓勵學(xué)生將抽象的理論模型及相關(guān)特性直觀地展示出來[5-6]?？筛鶕?jù)課程進(jìn)度，將仿真實踐分為基礎(chǔ)知識驗證以及綜合問題分析兩大類。例如，在靜電場分析中，可以利用仿真軟件相關(guān)指令計算梯度和繪制等位線，得到二維空間電偶極子周圍的電場及等位線分布。在電磁波分析中，可以三維動態(tài)仿真分析均勻平面波的傳播、均勻平面波的極化、均勻平面波的反射與透射、矩形波導(dǎo)中場的分布特性等典型問題。學(xué)生通過使用仿真軟件分析電磁場與電磁波問題，不僅增強(qiáng)編程和利用現(xiàn)代工具分析科學(xué)問題能力，同時也更加直觀地理解其抽象的理論過程。

3 課程思政

傳統(tǒng)工科教育多重理論與公式，“電磁場與電磁波”的教學(xué)也是如此，它對于“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等基礎(chǔ)學(xué)科知識儲備要求比較嚴(yán)格，課程中強(qiáng)調(diào)抽象的物理概念理解與復(fù)雜的計算分析。這使得學(xué)生雖具備一定的邏輯分析能力，但人文素養(yǎng)有所欠缺，關(guān)注結(jié)論卻忽略探索過程。課程思政教學(xué)理念提出后，注重人文情感、注重思維模式逐漸成為課程教學(xué)內(nèi)容的重要環(huán)節(jié)。研究電磁學(xué)相關(guān)的科技史，在課堂教學(xué)中引入人文內(nèi)容，使得學(xué)生更加多維地理解理論知識，更加完整地了解科學(xué)家們的探索過程，同時以我國相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展激發(fā)學(xué)生的家國情懷[7]。

在授課過程中，引入電磁學(xué)史相關(guān)內(nèi)容，借鑒相關(guān)專著總結(jié)出電磁學(xué)發(fā)展歷史線索，并提煉可借鑒的翔實史料，達(dá)到最好的教學(xué)效果[8]。例如，《夢溪筆談》中沈括對于指南針的實驗以及發(fā)現(xiàn)磁偏角的記載，為我國古代對電磁學(xué)的貢獻(xiàn)記下重要一筆。以科學(xué)家?guī)靵?、安培、歐姆、亨利、奧斯特、法拉、赫茲等為節(jié)點(diǎn)，串聯(lián)形成電磁簡史。麥克斯韋又是如何在這些巨人的肩膀上，通過精妙的數(shù)學(xué)語言得到科學(xué)史上最偉大的公式的。另一方面，我國相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展也取得了驕人成績。例如，我國航天人奮發(fā)圖強(qiáng)，目前已完成北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航基本系統(tǒng)；我國自主研發(fā)的攻擊-11隱形無人機(jī)，在建國70周年閱兵式上的精彩展現(xiàn)等都可以作為課程人文內(nèi)容補(bǔ)充，構(gòu)建課程思政案例庫。

4 案例式教學(xué)與科研融入

目前，“電磁場與電磁波”的授課過程中主要從電磁基本理論出發(fā)去分析靜電場、恒定磁場及時變電磁波基本現(xiàn)象及問題，與實際工程應(yīng)用結(jié)合較少，這造成電磁理論與工程實際有較大的脫節(jié)現(xiàn)象，使學(xué)生在理解電磁理論上感覺抽象。

首先針對課程中的基本知識點(diǎn)，結(jié)合工程應(yīng)用構(gòu)建工程案例庫，特別是后續(xù)課程相關(guān)內(nèi)容的應(yīng)用案例，在應(yīng)用中把握電磁基本理念。例如，二戰(zhàn)期間電磁場理論應(yīng)用最活躍的雷達(dá)系統(tǒng)案例，體現(xiàn)了電磁波的傳播及反射特性。立體電影的攝制與放映，體現(xiàn)了電磁波極化的應(yīng)用。另一方面，針對近年來在信息領(lǐng)域中的電磁場與電磁波應(yīng)用研究熱點(diǎn)，與基本電磁波理論結(jié)合，構(gòu)建科研前沿案例庫，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)及研究興趣。例如在當(dāng)今的第四代、第五代移動通信中無線寬帶接入、多天線陣列、電磁兼容及電磁對抗存在很多理論研究及應(yīng)用分析。同時，可以引入大學(xué)MOOC中一些領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)課實踐內(nèi)容[9]。

5 翻轉(zhuǎn)課堂及線上線下并行教學(xué)模式

目前，“電磁場與電磁波”的教學(xué)方式是通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到理論性強(qiáng)且難于理解的結(jié)論公式。單一的教學(xué)方式不僅不利于教師的教，同時也給學(xué)生的學(xué)增加了很大的難度，學(xué)生往往不能做到對知識點(diǎn)的真正理解?！胺D(zhuǎn)課堂”為“電磁場與電磁波”課程改革提供了一種新的途徑，它以教育實踐為基礎(chǔ)，克服了死板的填鴨式教學(xué)模式存在的弊端，重新調(diào)整了知識的傳授與內(nèi)化的順序，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主探索和創(chuàng)新精神。選擇合適的內(nèi)容，結(jié)合線上資源，采用問題引導(dǎo)學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)思考，課上分組合作進(jìn)行講座實施翻轉(zhuǎn)課堂。從而引導(dǎo)學(xué)生從被動接受知識轉(zhuǎn)向積極主動獲取知識，樂于探究，同時培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理信息、分析和解決問題、協(xié)同工作的能力，增強(qiáng)教學(xué)實效，不斷提升教學(xué)質(zhì)量。

受學(xué)時限制，可在綜合分析章節(jié)選擇合適的內(nèi)容，設(shè)計分組問題。課堂中的教學(xué)活動主要以小組合作、師生交流互動為主。首先教師針對課前學(xué)習(xí)情況組織各小組進(jìn)行展示；然后組織同學(xué)們對其中內(nèi)容進(jìn)行討論；最后，教師再針對學(xué)生普遍存在的問題和本節(jié)課的重難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，從而更好地促進(jìn)知識點(diǎn)的鞏固和掌握。

6 結(jié)語

針對“電磁場與電磁波”課程內(nèi)容在專業(yè)課程中的地位，建立與體系內(nèi)先修、同期、后續(xù)課程的內(nèi)容關(guān)聯(lián)性，打通課程間知識通道；探索課下仿真實踐的方式，采用軟件仿真手段對涉及的數(shù)學(xué)分析建模展現(xiàn)，形成課下實踐指導(dǎo)及評估體系；研究電磁學(xué)相關(guān)的科技史，在課堂教學(xué)中引入科技人文內(nèi)容，以及我國相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，形成課程思政案例庫；基于課程基本知識點(diǎn)的工程應(yīng)用背景，結(jié)合信息領(lǐng)域中的相關(guān)研究熱點(diǎn)，形成工程及前沿案例庫，落地案例式教學(xué)；遴選合適的翻轉(zhuǎn)課堂內(nèi)容，采用問題引導(dǎo)結(jié)合線上資源，嘗試建立翻轉(zhuǎn)課堂講座選題。最終達(dá)到改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，形成課前、課上、課后緊密銜接體系，幫助學(xué)生系統(tǒng)理解和消化“電磁場與電磁波”的基本理論，充分鍛煉學(xué)生獨(dú)立解決實際問題和實踐創(chuàng)新能力。同時，使學(xué)生切實感受到“電磁場與電磁波”的實用價值，并激發(fā)學(xué)生的使命感和愛國熱情。