面向“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的微課建設(shè)與改革

涂治紅　陳付昌　王云　孔永丹

［摘 要］ “電磁場(chǎng)與電磁波”課程是培養(yǎng)新工科電磁場(chǎng)工程專(zhuān)業(yè)人才的一系列課程中的基石，是一門(mén)核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。探討微課在“電磁場(chǎng)與電磁波”課程中的運(yùn)用，主要從課程概念抽象和數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜的特點(diǎn)出發(fā)，從傳統(tǒng)教學(xué)的課前、課中和課后三個(gè)方面，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，給出了“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的微課制作標(biāo)準(zhǔn)、制作內(nèi)容和制作形式，鼓勵(lì)學(xué)生成為微課制作的主體，不僅有效拓展了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的空間，還豐富了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的形式，讓學(xué)生更有信心、更有興趣地學(xué)習(xí)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程，從而實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為主體的微課翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)改革目標(biāo)。

［關(guān)鍵詞］ 微課；電磁場(chǎng)與電磁波；教學(xué)改革

［基金項(xiàng)目］ 2020年度華南理工大學(xué)本科教研教改面上項(xiàng)目“‘互聯(lián)網(wǎng)+微課在‘電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)中的混合運(yùn)用”（C9203031）

［作者簡(jiǎn)介］ 涂治紅（1977—），女，湖北武漢人，博士，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù)研究；陳付昌（1982—），男，江西撫州人，博士，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù)研究；王 云（1982—），女，河南南陽(yáng)人，碩士，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù)研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）07-0057-04 ［收稿日期］ 2022-05-05

引言

我國(guó)的地面移動(dòng)通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)將逐步融合，構(gòu)建空天地一體化融合通信網(wǎng)絡(luò)［1］，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)已成為國(guó)家發(fā)展的支助產(chǎn)業(yè)，如天線、大規(guī)模集成高速電路和芯片制造產(chǎn)業(yè)等。因此，通信及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)高質(zhì)量新工科人才的需求更加迫切［2］。為滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)新工科電磁場(chǎng)工程專(zhuān)業(yè)人才的需求，華南理工大學(xué)針對(duì)信息工程和微電子等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了一系列電磁場(chǎng)工程課程，主要包括“電磁場(chǎng)與電磁波”“射頻電路”“天線”等，每年學(xué)習(xí)的學(xué)生人數(shù)都超過(guò)了400人?！半姶艌?chǎng)與電磁波”課程是這一系列課程中的基石，是一門(mén)核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程以高等數(shù)學(xué)、數(shù)理方程和復(fù)變函數(shù)等為基礎(chǔ)，涉及的新概念及定律不僅抽象難懂，而且推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜，要用到矢量運(yùn)算、微積分等數(shù)學(xué)工具，難度較大，如亥姆霍茲定理和時(shí)變電磁場(chǎng)復(fù)數(shù)運(yùn)算等，因此學(xué)生比較畏懼這門(mén)課程。此外，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)體系的整體優(yōu)化，這門(mén)課的學(xué)時(shí)調(diào)整為64個(gè)?？梢?jiàn)，不論是“學(xué)”還是“教”都存在一定的困難。因此，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，讓數(shù)理基礎(chǔ)并不深厚的學(xué)生學(xué)好這門(mén)課程，是課程改革面臨的巨大挑戰(zhàn)。

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的高速建設(shè)，以及智能手機(jī)和平板電腦等便攜式終端設(shè)備的不斷普及，線上教學(xué)模式已逐漸和傳統(tǒng)線下教育模式并駕齊驅(qū)，兩者相輔相成，共同滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的學(xué)習(xí)需求［3］。這次席卷全球的新冠病毒感染，更加凸顯了線上教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)。但是線上教學(xué)存在與學(xué)生互動(dòng)不足、學(xué)生參與課堂度不高等問(wèn)題，也無(wú)法通過(guò)實(shí)時(shí)觀察學(xué)生在課上的反應(yīng)來(lái)及時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容。此外，與電磁場(chǎng)相關(guān)的線上課程建設(shè)雖然提供了豐富的視頻課程資源，但也使學(xué)生目不暇接，無(wú)法有效抓住課程的重點(diǎn)和理解難點(diǎn)。此外，線上課程和線下課程都屬于系統(tǒng)性地講授課程內(nèi)容，需要學(xué)生看完整節(jié)內(nèi)容才能學(xué)習(xí)到知識(shí)點(diǎn)，而且學(xué)生對(duì)于不懂的地方，無(wú)法和教師及時(shí)溝通，需要在課后去理解掌握。因此，這些都間接增加了學(xué)生的額外學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，降低了學(xué)習(xí)效率，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

微課是一種運(yùn)用信息技術(shù)按照認(rèn)知規(guī)律，呈現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)內(nèi)容、過(guò)程及擴(kuò)展素材的結(jié)構(gòu)化數(shù)字資源，一般為10分鐘以?xún)?nèi)的小視頻［4］。它將學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)興趣結(jié)合起來(lái)，可帶動(dòng)學(xué)習(xí)者在看、聽(tīng)、說(shuō)等方面協(xié)同運(yùn)作，能夠有效增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的參與感，有利于對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶、理解和應(yīng)用，對(duì)線上和線下教學(xué)模式的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。本文以在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行微課設(shè)計(jì)與應(yīng)用的情況，論述微課在“電磁場(chǎng)與電磁波”課程中的教學(xué)改革情況與改革效果。

一、“電磁場(chǎng)與電磁波”微課教學(xué)改革內(nèi)容

“微課”是以視頻為主要載體，針對(duì)某個(gè)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)或教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種情景化、趣味化和可視化的數(shù)字學(xué)習(xí)資源包。它支持多種學(xué)習(xí)方式，突破了傳統(tǒng)課堂的時(shí)間和空間限制，可將學(xué)習(xí)時(shí)間碎片和離散學(xué)習(xí)空間統(tǒng)一起來(lái)，可以使學(xué)生隨時(shí)隨地地學(xué)習(xí)。

本文從微課教學(xué)制作標(biāo)準(zhǔn)、制作內(nèi)容和制作形式三個(gè)維度，探討了利用微課提升“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)質(zhì)量的具體措施。

（一）結(jié)合“電磁場(chǎng)與電磁波”的教學(xué)特點(diǎn)，研制融合思政教育的微課教學(xué)制作標(biāo)準(zhǔn)

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的微課制作要符合國(guó)家有關(guān)高等教育的方針和政策，要充分體現(xiàn)思想政治教育；要能夠幫助學(xué)生理解各類(lèi)電磁場(chǎng)理論和了解電磁場(chǎng)與電磁波在實(shí)際應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)發(fā)展，有效培養(yǎng)學(xué)生工程電磁場(chǎng)學(xué)科的素養(yǎng)；要符合當(dāng)代大學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和心理特征，能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。

教學(xué)團(tuán)隊(duì)緊扣當(dāng)前的復(fù)雜國(guó)際環(huán)境和我國(guó)的對(duì)外開(kāi)放戰(zhàn)略，立足粵港澳大灣區(qū)建設(shè)，將思想政治和電磁場(chǎng)與電場(chǎng)波的發(fā)展歷史、科學(xué)家的故事和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，提煉出“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的“家國(guó)情懷、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、夯實(shí)基礎(chǔ)、敢于創(chuàng)新”的思想政治育人主線，一方面肯定我國(guó)在電子信息等領(lǐng)域取得的先進(jìn)技術(shù)和成果，另一方面指出我國(guó)工業(yè)發(fā)展的35項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)和西方國(guó)家對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖，闡述我國(guó)在電子信息領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和短板，厚植家國(guó)情懷，鼓勵(lì)學(xué)生勇于承擔(dān)起國(guó)家重任，樹(shù)立強(qiáng)國(guó)之志，培養(yǎng)學(xué)生“十年磨一劍”的決心，努力學(xué)好專(zhuān)業(yè)知識(shí)，敢于拼搏，勇于創(chuàng)新，為中華民族偉大復(fù)興貢獻(xiàn)自己的力量。

（二）緊扣“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教材和教學(xué)大綱，確定適合制作微課的教學(xué)內(nèi)容，并鼓勵(lì)學(xué)生成為微課制作的主體

教材和教學(xué)大綱是學(xué)生課程學(xué)習(xí)的重要資料，對(duì)提高學(xué)習(xí)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率具有重要的作用。微課內(nèi)容需緊扣符合新工科發(fā)展的“電磁場(chǎng)與電磁波”的教學(xué)大綱和教材，凸顯教學(xué)重點(diǎn)和學(xué)習(xí)難點(diǎn)。在內(nèi)容的組織與編排上，緊緊圍繞教學(xué)大綱中各章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)展開(kāi)，做到主線清晰、重點(diǎn)突出和邏輯性強(qiáng)，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

本課程主要選用兩本教材［5］。這兩本教材從不同的體系架構(gòu)講述了電磁場(chǎng)與電磁波的基礎(chǔ)概念和理論，可以幫助學(xué)生從不同的角度學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。針對(duì)華南理工大學(xué)開(kāi)設(shè)的一系列工程電磁場(chǎng)課程之間的關(guān)聯(lián)性和繼承性，將原課程中的導(dǎo)行電磁波內(nèi)容轉(zhuǎn)移到“射頻電路”課程中，讓學(xué)生在有限的課時(shí)里更好地掌握和理解電磁場(chǎng)與平面電磁波的相關(guān)知識(shí)，為后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

教師和學(xué)生制作微課的目的和針對(duì)性不同。教師可以根據(jù)工程實(shí)踐制作與課程相關(guān)的展現(xiàn)實(shí)踐內(nèi)容或前沿科研內(nèi)容的微課；學(xué)生可以根據(jù)在學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題，結(jié)合自己對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)由淺入深的理解過(guò)程制作微課。從學(xué)生的角度出發(fā)，做出針對(duì)課程中某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的微課。優(yōu)秀課件可以在課前、課中、課后展示給全年級(jí)的學(xué)生，或上傳至課程網(wǎng)站上。這樣學(xué)生相當(dāng)于間接地參與了將來(lái)的電磁場(chǎng)授課，可以激發(fā)學(xué)生的興趣，增強(qiáng)其榮譽(yù)感。

（三）結(jié)合學(xué)生的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方式，呈現(xiàn)豐富的微課形式

微課要把語(yǔ)言文字表達(dá)的藝術(shù)性和視頻圖像顯示的直觀性有機(jī)結(jié)合起來(lái)，做到圖文并茂、音像同步，使得復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)明化、抽象問(wèn)題形象化、枯燥問(wèn)題趣味化。其呈現(xiàn)方式既可以是錄屏、拍攝、PPT等基本形式，又可以是動(dòng)畫(huà)、手繪、軟件仿真和互動(dòng)電影等多種創(chuàng)新形式，需要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生共同參與微課制作，豐富微課的呈現(xiàn)形式。

二、“電磁場(chǎng)與電磁波”微課教學(xué)改革實(shí)施方法

（一）組建微課教學(xué)團(tuán)隊(duì)

“眾人拾柴火焰高”，組建專(zhuān)業(yè)的微課教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)開(kāi)發(fā)課程起著關(guān)鍵作用。團(tuán)隊(duì)能夠有計(jì)劃、相互銜接地設(shè)計(jì)微課內(nèi)容，使其更有針對(duì)性，更有效地解決學(xué)生可能遇到的各種問(wèn)題。教學(xué)團(tuán)隊(duì)除了承擔(dān)教學(xué)任務(wù)外，還承擔(dān)大量電磁場(chǎng)與微波技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)科研工作。豐富的科研經(jīng)歷和豐碩的科研成果可以轉(zhuǎn)化為微課內(nèi)容，從而進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）微課的建設(shè)

微課的建設(shè)主要包括兩個(gè)方面：微課資源體系的建設(shè)和微課制作方法的建設(shè)。

1.微課資源體系的建設(shè)。微課的建設(shè)需要注重微課資源的系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化和完整化。首先，根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)整體規(guī)劃微課資源。其次，根據(jù)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃來(lái)確定微課資源的建設(shè)方案，形成規(guī)范化的微課資源體系。根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將微課資源建設(shè)分為場(chǎng)和波兩個(gè)體系，圖1和圖2分別給出了框架圖。場(chǎng)體系主要包括靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)和時(shí)變電磁場(chǎng)三個(gè)子體系；波體系主要包括均勻無(wú)界空間中的平面波傳播和具有分界面的不同均勻媒質(zhì)分界的平面波傳播兩個(gè)子體系。將每個(gè)子體系進(jìn)一步分解為任務(wù)單元，每個(gè)任務(wù)單元對(duì)應(yīng)相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。這樣拆分后的教學(xué)內(nèi)容，可以更好地突出教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。根據(jù)每個(gè)任務(wù)單元收集相關(guān)的素材，然后制作相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的微課。例如：時(shí)變電磁場(chǎng)中的全電流定律的微課內(nèi)容包括：安培環(huán)路定律針對(duì)時(shí)變場(chǎng)的局限性和如何突破這個(gè)局限性，從而得到全電流定律。這個(gè)微課可以幫助學(xué)生充分理解安培環(huán)路定律和全電流定律的聯(lián)系與不同。對(duì)于時(shí)變電磁場(chǎng)的邊界條件可以安排學(xué)生分組對(duì)時(shí)變電場(chǎng)和時(shí)變磁場(chǎng)在分界面上的方程進(jìn)行推導(dǎo)，再把不同組的內(nèi)容合成一個(gè)微課，方便學(xué)生對(duì)比不同的學(xué)習(xí)思路，從而更好地掌握這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

除了關(guān)于課程知識(shí)點(diǎn)的微課體系建立外，例題和習(xí)題微課制作也是微課建設(shè)的重要組成部分，也很重要。例題和習(xí)題是幫助學(xué)生加深知識(shí)點(diǎn)的理解與應(yīng)用的一種最直接、有效的方式。不論是線上教學(xué)還是線下教學(xué)，其課堂教學(xué)時(shí)間都是有限的，教材中的典型例題和有代表性的課后難題在課堂上很難全部講解清楚，因此，教師可以進(jìn)行深入剖析，將其制作成微課供學(xué)生課后反復(fù)多次進(jìn)行學(xué)習(xí)，更好的加深學(xué)生的思考與吸收。同時(shí)，可以鼓勵(lì)學(xué)生從不同角度對(duì)例題和難題求解。例如，在靜磁場(chǎng)中求取兩個(gè)電流環(huán)的互感。對(duì)于此問(wèn)題，教材上只給出了利用互感定義求解的方法，還可以從諾依曼公式和磁感應(yīng)強(qiáng)度兩個(gè)角度來(lái)求解。這三種求解方法可以制作成微課，供學(xué)生參考學(xué)習(xí)。

2.微課制作方法的建設(shè)。針對(duì)微課內(nèi)容的特性，可以采用不同的方法制作。對(duì)于復(fù)雜的理論推導(dǎo)，可以采用PPT公式推導(dǎo)與錄屏結(jié)合來(lái)制作動(dòng)態(tài)公式的推導(dǎo)過(guò)程，增強(qiáng)趣味性。對(duì)于抽象概念，如電場(chǎng)和磁場(chǎng)的描述、電磁波極化等，可以結(jié)合數(shù)學(xué)軟件和電磁專(zhuān)業(yè)仿真軟件建立模型仿真計(jì)算，也可以收集相關(guān)電磁場(chǎng)與電磁波應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)視頻。鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生積極參與微課的制作，讓其成為微課內(nèi)容的制作主體。例如，利用平板電腦書(shū)寫(xiě)和錄屏功能制作電介質(zhì)極化和均勻平面波傳播參數(shù)知識(shí)點(diǎn)的微課；利用在HFSS仿真軟件制作中，矩形金屬波導(dǎo)中的時(shí)變電磁場(chǎng)的各分量隨時(shí)間變化的矢量動(dòng)態(tài)圖微課。

（三）微課的使用

按照課前預(yù)習(xí)、課中答疑、課后鞏固和延展三個(gè)階段，可以創(chuàng)建基于微課的“課前學(xué)習(xí)”“課堂互動(dòng)”“拓展延伸”“學(xué)情檢測(cè)”四個(gè)環(huán)節(jié)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。不論是課前、課中還是課后，微課制作可以采用“學(xué)生主導(dǎo)，教師配合”的制作方式，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，主動(dòng)參與到這門(mén)課程的學(xué)習(xí)中。同時(shí)，當(dāng)代大學(xué)生思想活躍、創(chuàng)造力強(qiáng)，可以更好地豐富微課的內(nèi)容和表現(xiàn)形式。

三、微課教學(xué)改革應(yīng)用

圍繞新工科人才培養(yǎng)要求，借助互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行教學(xué)改革。首先，把現(xiàn)有的在線課程教學(xué)資源整合到微視頻中，以微課形式呈現(xiàn)，包括電磁場(chǎng)理論課視頻教程、文本課件、在線課堂討論環(huán)節(jié)、課后作業(yè)和章節(jié)測(cè)驗(yàn)等。其次，以工程應(yīng)用為導(dǎo)向，結(jié)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)的相關(guān)科研成果，以微課的形式呈現(xiàn)給學(xué)生電磁場(chǎng)理論在工程應(yīng)用中的場(chǎng)景和科研成果。最后，從學(xué)生的角度出發(fā)，讓學(xué)生針對(duì)課程中的某個(gè)知識(shí)點(diǎn)制作微課，并將優(yōu)秀的微課在課前、課中和課后展示。

教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富，近五年的評(píng)教分均排在電信學(xué)院前列（前15%），深受學(xué)生的歡迎。此外，每位教師承擔(dān)不同的科研項(xiàng)目，為拓展微課內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)科研成果與微課結(jié)合提供了保障。已形成基于微課的翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)思想、教學(xué)模式和方法，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。教學(xué)成果已逐步在華南理工大學(xué)信息工程專(zhuān)業(yè)推廣，為國(guó)內(nèi)其他高校開(kāi)展電磁場(chǎng)系列課程的教學(xué)改革提供了借鑒。

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Application of Teaching Reform for Electromagnetic Field and Wave Based on Micro-Lesson

TU Zhi-hong， CHEN Fu-chang， WANG Yun， KONG Yong-dan

（School of Electronic and Information Engineering， South China Unversity of Tecnology， Guangzhou， Guangdong 510640， China）

Abstract： Electromagnetic Field and Wave is the cornerstone of a series of courses for cultivating electromagnetic field engineering professionals. It is a core professional basic course. This paper discusses the application of micro-course in Electromagnetic Field and Wave. Combined with the advantages of the Internet， the making standards， contents and forms of micro-lesson are given both from the abstract concept of the course and the complex characteristics of mathematical derivation， and from the traditional teaching of pre-class， class and after-class three aspects. Students are encouraged to make micro-lesson. It not only effectively expands the space of students autonomous learning， but also enriches the forms of autonomous learning. It makes students have more confidence and interest to learn this course， but also achieves the teaching reform objective based on micro-lesson.

Key words： micro-lesson; electromagnetic field and wave; teaching reform