“電磁場與電磁波” 混合式教學(xué)改革探索

王 琛，譚 紅

（南京工業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院（人工智能學(xué)院） 江蘇 南京 211816）

2017 年綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會上， “新工科” 一詞被正式提出，并成為我國高等工程教育主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命的戰(zhàn)略行動[1]。

“電磁場與電磁波” 是電子信息與通信工程類等專業(yè)本科生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時也是一些交叉學(xué)科和新型邊緣科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)離不開對電磁場的產(chǎn)生、傳播和接收等問題的研究和應(yīng)用。因此，課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生深入理解各種電磁現(xiàn)象在特定條件下的不同特性、掌握基本的分析和計算方法，培養(yǎng)學(xué)生用場的觀點對電子通信工程中的電磁現(xiàn)象進(jìn)行定性及定量分析的能力。但由于課程內(nèi)容理論性強(qiáng)、概念抽象、對學(xué)生的空間想象力和抽象思維能力要求高[2]，且實際教學(xué)中理論課時有限，因此在課堂上不少學(xué)生不能有效地吸收消化課堂內(nèi)容。而在課外時間，由于缺少有針對性的參考，學(xué)生很難做到有效率地預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，繼而導(dǎo)致產(chǎn)生畏難情緒。因此，提高課程教學(xué)質(zhì)量和效果成為當(dāng)前課程教學(xué)建設(shè)與改革的重點，同時在新工科背景下的信息化時代，如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，充分體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的主動性、積極性，也是值得深入研究和探討的課題。

本文根據(jù)南京工業(yè)大學(xué)（以下簡稱 “我?！?）近幾年 “電磁場與電磁波” 線上線下的教學(xué)實踐，結(jié)合過去若干年在實際教學(xué)中的經(jīng)驗，參考國內(nèi)外同行的優(yōu)秀教學(xué)案例，從多方面對混合式教學(xué)改革內(nèi)容進(jìn)行分析和探討。

1 課程教材內(nèi)容的選取和優(yōu)化

“電磁場與電磁波” 在高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理和工程數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上開設(shè)。其中 “大學(xué)物理” 電磁學(xué)部分按傳統(tǒng)方法講述電磁學(xué)的基本理論，對麥克斯韋方程也進(jìn)行了簡單介紹；從內(nèi)容角度來說，與本課程有一些交叉。 “大學(xué)物理” 側(cè)重于靜態(tài)場的分析以及電磁物理特性，而本課程在深度和廣度上都進(jìn)行了拓展，以矢量分析和電磁場基本規(guī)律為基礎(chǔ)，不僅深入研究靜態(tài)場和時變場的一般規(guī)律和分析方法，還包括電磁波的傳播，應(yīng)用對象也大大擴(kuò)展。由于課程學(xué)時等因素限制，本課程無法在教學(xué)過程中進(jìn)行較為全面細(xì)致的覆蓋，所以必須結(jié)合專業(yè)課程體系和學(xué)生的實際情況，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

課程內(nèi)容包括矢量分析、電磁場基本規(guī)律、靜態(tài)場及分析、時變場和平面電磁波的分析幾部分。矢量分析是研究電磁場理論的重要數(shù)學(xué)工具，它為復(fù)雜的物理規(guī)律提供了簡潔而精確的數(shù)學(xué)描述，掌握矢量分析的方法對理解電磁場理論起到?jīng)Q定性作用[3]。通過實際教學(xué)中的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生由于對矢量分析缺乏深入的掌握和理解，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)電磁場具體問題時，不能理解相關(guān)概念，也無法利用數(shù)學(xué)工具對實際問題進(jìn)行建模和解決。因此在實際教學(xué)中，結(jié)合高等數(shù)學(xué)中已經(jīng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，弱化對于方向?qū)?shù)等參數(shù)的計算，將重點放在梯度、散度和旋度的理解和計算上。在后面的章節(jié)中，以矢量分析與場論為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，圍繞亥姆霍茲定理展開矢量場分析的主線，將物理本質(zhì)與數(shù)學(xué)分析相結(jié)合。

電磁場基本規(guī)律部分，結(jié)合大學(xué)物理中已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識點，應(yīng)用類比的方法教授電荷與電流、電場與磁場的基本模型、概念、理論和分析方法，最終歸結(jié)于電磁場理論的核心——麥克斯韋方程。引導(dǎo)學(xué)生找到看似離散的知識點之間的聯(lián)系，幫助學(xué)生建立起知識脈絡(luò)，在這個過程中培養(yǎng)邏輯思維分析能力，為復(fù)雜工程問題的描述與分析奠定相關(guān)基礎(chǔ)。

靜態(tài)場及其邊值問題的解分為靜態(tài)場的分析和邊值問題的求解兩部分：靜態(tài)場的分析部分是在掌握基本概念和規(guī)律的基礎(chǔ)上，分別討論靜電場、恒定電場以及恒定磁場的特點、分析計算方法；將電磁場問題表述為微分方程和相應(yīng)的邊界條件，就是邊值問題，由于課時有限，所以教學(xué)重點放在分離變量法和鏡像法上。

時變場和平面電磁波部分要求深刻理解波動方程及坡印廷定理的含義和典型分析應(yīng)用，掌握電磁波的產(chǎn)生和傳播特性。平面電磁波作為交變電磁場存在的最基本形式，是理解電磁波理論的基石，理解好這一基本概念,可以使我們進(jìn)一步理解復(fù)雜電磁波的性質(zhì)。這部分重點理解和學(xué)習(xí)電磁波的極化、在不同媒質(zhì)中的傳播特性及其典型應(yīng)用。而現(xiàn)在大部分教材上都有的導(dǎo)行電磁波以及電磁輻射與接收部分，由于后繼課程里會專門進(jìn)行學(xué)習(xí)，所以在本課程的教學(xué)中不再涉及。

除此以外，由于大專業(yè)分流等因素，每屆學(xué)生的基本學(xué)情也會有些差異，在課程實際運(yùn)行過程中會根據(jù)學(xué)生具體情況，對學(xué)習(xí)重點和難度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2 推進(jìn)線上線下混合式教學(xué)模式

混合式教學(xué)把傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)勢和網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合起來，在信息化時代體現(xiàn)出越來越多的優(yōu)勢[4]。目前，各個高校都在利用各大在線信息資源平臺進(jìn)行教學(xué)，網(wǎng)絡(luò)上有很多公開的省級國家級精品課程資源可供師生進(jìn)行學(xué)習(xí)和參考。這些國家級精品課程由教學(xué)名師主講，多位教師組成教學(xué)團(tuán)隊，在課程建設(shè)、資料庫的豐富與完善方面做了大量工作，給一般高校師生提供了很多幫助與啟發(fā)。但實際中，國家級精品課程往往面對的是名校學(xué)生，后繼課程也各有不同，對于一般高校學(xué)生而言，依然存在學(xué)習(xí)上的困難。因此，在混合式教學(xué)的過程中需要結(jié)合學(xué)生實際情況，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，強(qiáng)化概念和基礎(chǔ)，突出重點難點，不能要求學(xué)生直接跟著慕課資源進(jìn)行學(xué)習(xí)，必須建立起適合本校本專業(yè)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，真正做到 “以學(xué)生為中心” 的教與學(xué)。

混合式教學(xué)由線上課堂、線下課堂和課外互動幾部分構(gòu)成，其基本過程如圖1（p116）所示。本課程既強(qiáng)調(diào)概念的理解和規(guī)律的掌握，也需要通過一定練習(xí)來學(xué)習(xí)和掌握一般分析方法，在有限課時內(nèi)很難實現(xiàn)全方位的覆蓋。因此，在制作線上課堂教學(xué)視頻時，需要將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化，將課堂內(nèi)容進(jìn)行精煉化。課前，要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)偏重記憶、一般理解等認(rèn)知目標(biāo)的知識點。為激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，教師選取一些熱點或經(jīng)典案例，預(yù)先提出具體問題或者鼓勵學(xué)生提出與教學(xué)主題相關(guān)的問題，并讓其通過各種手段搜集資料自行進(jìn)行分析，為接下來課堂討論的重點和難點進(jìn)行鋪墊。課堂教學(xué)中，在對概念和基本規(guī)律進(jìn)行強(qiáng)化說明的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論分析方法與具體應(yīng)用。圍繞課前提出的問題展開討論，推動同學(xué)深入思考課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時還可以提高其表達(dá)能力和質(zhì)疑能力等，通過對討論過程的回顧和總結(jié)，可進(jìn)一步梳理和提升對課程內(nèi)容的認(rèn)識，促進(jìn)課程知識的內(nèi)化。課后作業(yè)、課程設(shè)計等環(huán)節(jié)加深學(xué)生的理解掌握，教師在此過程中可了解學(xué)習(xí)效果并據(jù)此改進(jìn)教學(xué)。

圖1 “電磁場與電磁波” 混合式教學(xué)模式

3 考核方式的改進(jìn)

過去，本課程最終總評成績主要由平時成績和期末卷面成績構(gòu)成，造成不少學(xué)生過于注重作業(yè)和最后的考試，對平時學(xué)習(xí)的過程不夠重視，且這樣的評價方式不能真實反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)情況?；旌鲜浇虒W(xué)模式下，教學(xué)過程由 “老師為中心” 變成 “以學(xué)生為中心” ，教學(xué)主體由老師、學(xué)生和教學(xué)平臺共同構(gòu)建，因而考核方式也應(yīng)進(jìn)行改革。應(yīng)新工科背景下人才培養(yǎng)的需求，課程考核有必要過渡到強(qiáng)調(diào)過程性學(xué)習(xí)、項目式學(xué)習(xí)的激勵模式，從而促進(jìn)學(xué)生的有效學(xué)習(xí)、提升教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)[5]。

目前絕大多數(shù)云平臺可記錄學(xué)生參與線上教學(xué)的學(xué)習(xí)軌跡，可由此對學(xué)生的學(xué)習(xí)活動做出相應(yīng)的評價。線上可設(shè)置在線小測試，特別是客觀題可即時給出分?jǐn)?shù)，學(xué)生可及時了解實際掌握情況，并由此進(jìn)行有針對性的深入學(xué)習(xí)。教師也可根據(jù)學(xué)情對課堂內(nèi)容進(jìn)行靈活調(diào)整。

4 總結(jié)與反思

經(jīng)過多年的運(yùn)行與調(diào)整，特別是近兩年線上課程及線上線下混合式教學(xué)的實踐，本課程改革取得了較好的效果。但在實際教學(xué)過程中，也需要注意：①對于不同的教學(xué)內(nèi)容需要采用不同的教學(xué)方式，比如一些較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析和推導(dǎo)過程更適合采用課題講授的方式，利用板書展示其邏輯分析思路，同時結(jié)合多媒體進(jìn)行相對直觀感性的演示，加深學(xué)生的認(rèn)識；②在教學(xué)中需要幫助學(xué)生加強(qiáng)對于課程知識體系的認(rèn)識和建構(gòu)，采用合適的學(xué)習(xí)方式可以起到事半功倍的效果；③課程改革應(yīng)以學(xué)生為中心，需要結(jié)合每屆學(xué)生的實際情況來開展和調(diào)整。