“電磁場與電磁波”課程多方位虛實融合教改探索

摘要：“電磁場與電磁波”課程是電子通信等專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，該課程概念抽象、公式較多、對數(shù)學(xué)知識的依賴性強，是本科教學(xué)中公認(rèn)的、難度較大的課程之一。為提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生學(xué)習(xí)“電磁場與電磁波”課程的積極性，本研究提出了充分利用現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備，開展線上與線下相結(jié)合、本課程與先修課程相結(jié)合、虛擬仿真和實踐教學(xué)相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)合的虛實融合的教學(xué)方式。

關(guān)鍵詞：電磁場與電磁波；多方位虛實融合教學(xué)；教學(xué)與科研相結(jié)合

“電磁場與電磁波”課程是電子信息工程、通信工程等專業(yè)的必修課程之一，是研究電場與磁場產(chǎn)生、傳播、相互轉(zhuǎn)換關(guān)系的一門學(xué)科。電磁場與電磁波在通信、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，學(xué)好“電磁場與電磁波”課程是本專業(yè)后續(xù)深入研究的基礎(chǔ)。本課程旨在讓學(xué)生掌握電磁場與電磁波的基本原理、掌握分析電磁場與電磁波的方法以及具備應(yīng)用電磁場與電磁波解決典型電磁問題的能力。

一、 研究背景及意義

新工科背景下，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，各學(xué)科之間不斷交叉融合，傳統(tǒng)課程的內(nèi)容很難滿足日益發(fā)展的新技術(shù)的要求，亟待進一步更新?！半姶艌雠c電磁波”課程的難點主要表現(xiàn)為公式多、運算難，對數(shù)理知識的依賴性強；信息量大、內(nèi)容繁雜，條理梳理困難；物理現(xiàn)象多、應(yīng)用門類廣，理論聯(lián)系實際的門檻高；概念多、內(nèi)容抽象，理解難度大；先修課程差異大、內(nèi)容取舍難等。

為了解決以上問題，近年來，各高校“電磁場與電磁波”課程教學(xué)工作者都在進行各種教學(xué)改革與創(chuàng)新活動。中國計量學(xué)院李久生等人提出一系列開放式實踐教學(xué)方法，并改革了教學(xué)中的考核方式，在充分認(rèn)識到學(xué)生的個體差異后，嘗試建立科研創(chuàng)新小組，以期培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[1] 。南京理工大學(xué)李兆龍?zhí)岢霾捎醚杏懯桨咐椒ㄒ龑?dǎo)學(xué)生靈活掌握書本知識點的教學(xué)方式，在教學(xué)過程中通過選擇與學(xué)生知識水平相當(dāng)?shù)恼鎸嵃咐?，激發(fā)學(xué)生對“電磁場與電磁波”課程的興趣，并把科研成果與教學(xué)相融合，使得教學(xué)與科研相互促進，相輔相成，同時引導(dǎo)學(xué)生投入到對電磁場電磁波相關(guān)科研課題的探索中[2] 。西安電子科技大學(xué)徐萬業(yè)等人使用案例啟發(fā)式實踐教學(xué)方法，從磁懸浮列車、全球定位系統(tǒng)GPS和“長安十二時辰”望樓通信系統(tǒng)、空間太陽能電站等各個角度引入相應(yīng)案例，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維[3] 。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)湯紅衛(wèi)等人研究了“電磁場與電磁波”課程的混合式教學(xué)模式，通過調(diào)整課程的教學(xué)計劃、設(shè)計導(dǎo)學(xué)案例、線上線下輔助教學(xué)模式等手段，豐富了課程內(nèi)容，提高了教學(xué)質(zhì)量[4] 。河北工業(yè)大學(xué)姜霞以“新工科”為背景，引入了電磁場與微波類課程，將實際工程中常用的微帶天線、微帶濾波器等器件引入電磁仿真項目，讓學(xué)生在實踐中培養(yǎng)專業(yè)能力[5] 。此外，還有很多國內(nèi)學(xué)者都致力于“電磁場與電磁波”課程的教學(xué)改革研究與實踐，從案例式教學(xué)到仿真類教學(xué)，再到課程思政融入式教學(xué)，都取得了很大的成效，推動了該課程的不斷發(fā)展與進步[6-8] 。

二、“電磁場與電磁波”課程教學(xué)方法改革

課程改革樹立了學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識、定理和方法應(yīng)用的基礎(chǔ)目標(biāo)，讓學(xué)生在課程結(jié)束時能夠分析簡單的電磁問題、解決典型的電磁問題，并進一步培養(yǎng)學(xué)生的個人能力和團隊協(xié)作能力。因此，在課前準(zhǔn)備階段，教師需要結(jié)合先修課程明確“電磁場與電磁波”課程的教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)教學(xué)體系，精準(zhǔn)定位本校學(xué)生的學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)目標(biāo)，通過遞進式教學(xué)方式，改革課程教學(xué)方法，圖1所示為本課程改革的整體脈絡(luò)。

（一）線上與線下相結(jié)合

借助各種形式的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺，建立“電磁場與電磁波”課程案例庫。課前，教師要求學(xué)生完成線上預(yù)習(xí)，帶著問題進入課堂；課間，教師通過在線發(fā)布隨堂練習(xí)、交流討論等環(huán)節(jié)，及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)；課后，教師通過布置線上作業(yè)、發(fā)布調(diào)查問卷等方式，幫助學(xué)生鞏固課堂知識。借助互聯(lián)網(wǎng)工具，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺及時與教師溝通，完成學(xué)生作業(yè)互評、優(yōu)秀作業(yè)展示、優(yōu)秀仿真作品分享、課程答疑等過程。在答疑的過程中，教師能夠及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)薄弱的部分，以便及時查漏補缺，如強化講解學(xué)生掌握程度普遍較差的知識點或課堂上講解不夠細(xì)致的知識點。這樣的方式有助于加深學(xué)生的印象，激勵學(xué)生不斷進步，精益求精。本課程學(xué)習(xí)到中后期時，筆者發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯下降，究其原因，學(xué)生未能掌握某課程中的一些知識點，以至于無法跟上教學(xué)節(jié)奏。傳統(tǒng)教學(xué)方式中，學(xué)生在課后只能通過自己看書或者自己尋找教學(xué)資料的方式來鞏固課堂所學(xué)知識，自主學(xué)習(xí)難度較大。線上教學(xué)平臺有助于解決這一問題。教師可利用線上平臺發(fā)布與重難點知識相關(guān)的教學(xué)資料，讓學(xué)生根據(jù)自己的實際情況有選擇地學(xué)習(xí)資料，以便學(xué)生及時跟上教學(xué)節(jié)奏，進而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

在教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)學(xué)生都能夠做到按時完成課前預(yù)習(xí)，在課上能夠認(rèn)真學(xué)習(xí)并保持較高的學(xué)習(xí)熱情，課后任務(wù)的完成情況也較好。從線上教學(xué)的簽到、學(xué)習(xí)時長、課堂互動、作業(yè)、階段測試、討論及線下的期末考試成績等綜合考核結(jié)果來看，線上線下混合式教學(xué)能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（二）電磁場與電磁波課程與先修課程相結(jié)合

“電磁場與電磁波”是設(shè)置于“大學(xué)物理”和“電路分析”課程后的一門專業(yè)課程。相較于“大學(xué)物理”和“電路分析”課程，其有較大的學(xué)習(xí)難度。電子信息工程專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)中，因?qū)φn程設(shè)置的重要性和各課程之間的聯(lián)系了解不足，以致對本課程在課程體系中的地位產(chǎn)生疑惑。教師通過課程與課程之間的相互穿插，相互結(jié)合，將“電磁場與電磁波”這一較難的課程與“大學(xué)物理”“電路分析”等相對簡單的課程相互融合，使學(xué)生對本課程中抽象概念的理解具象化，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生對本課程及先修課程的理解更深刻。

例如，教師可以開展靜電場中電容與電路中電容的對比教學(xué)。當(dāng)電路的尺寸遠小于波長時，可以利用集總參數(shù)電路分析。以常見的電阻、電感、電容元件為例，三種元件在電路中兩端的電壓電流關(guān)系分別為：u=Ri、u=L 和i=C 。在電磁場分析中，這三種元件應(yīng)該是一致的分析方法，區(qū)別在于最基本的電容是由兩塊金屬平板平行放置在真空中形成，電阻是一個電導(dǎo)率為σ的材料，而電感為金屬螺線管。隨著電流的變化，會產(chǎn)生阻礙電流變化的磁場，這些現(xiàn)象都是符合麥克斯韋方程的。從路的觀點來看，是將這些現(xiàn)象等效成了電阻R、電感L和電容C，可以極大地簡化分析過程。但當(dāng)頻率升高時，電路的尺寸不再遠小于波長，原有的集成參數(shù)電路的分析會失效，從而產(chǎn)生分布元件效應(yīng)。因此，在設(shè)計集成電路時需要考慮元件的分布效率，此時，需利用麥克斯韋方程，分析場的變化情況。當(dāng)尺寸足夠小時，麥克斯韋方程也會失效。利用場和路進行結(jié)合分析，能使學(xué)生更加深刻地理解電磁場與電磁波的作用。

（三）虛擬仿真教學(xué)結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂

為了讓學(xué)生更好地夯實“電磁場與電磁波”課程的理論知識，同時，豐富對學(xué)生能力評價與考核激勵的手段，教師可利用借助Matlab、C++和Python等語言實現(xiàn)“電磁場與電磁波”課程的理論分析，也可借助HFSS、FEKO、CST、COMSOL 等電磁仿真軟件對電磁場與電磁波的傳播等應(yīng)用進行分析，以提高學(xué)生對電磁波傳播特性的理解，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真求證、解決問題的能力。

借助Matlab工具，教師可以將靜電場中電場、磁場等分布問題具象化，從而畫出不同位置靜電場的電場力線，并引導(dǎo)學(xué)生通過調(diào)節(jié)電荷的位置，觀察電場力的變化情況。借助仿真工具，教師可以將書本中抽象的公式、概念等枯燥的內(nèi)容，變換成曲線、曲面等更加直觀的圖像，有利于加深學(xué)生對知識的理解和掌握，提高學(xué)生對“電磁場與電磁波”課程的興趣。

在每個章節(jié)教學(xué)中，教師均可引入相應(yīng)的虛擬仿真案例，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)書本知識的同時，也能夠接觸這些知識的實踐案例，從而將書本教學(xué)轉(zhuǎn)換為書本和實踐綜合教學(xué)。教師在設(shè)置課程時，應(yīng)遵循從易到難的原則，層層遞進，將“電磁場與電磁波”課程的知識融合到應(yīng)用中去。虛擬仿真不涉及操作實驗，學(xué)生在課后即可完成，且通過翻轉(zhuǎn)課堂的分享，一方面能夠增加學(xué)生對課程知識的理解，一方面可以鍛煉學(xué)生的語言組織和團結(jié)協(xié)作能力。

（四）教學(xué)與科研相結(jié)合

目前，大多數(shù)本科階段的教學(xué)以課本知識為主。單一課程的教學(xué)不涉及創(chuàng)新，學(xué)生不明白課程設(shè)置的意義和重要性。因此，很多學(xué)生對“電磁場與電磁波”課程學(xué)習(xí)的必要性和重要性都存在疑惑，以致大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)往往是為了應(yīng)付考試，不會深入地學(xué)習(xí)本課程。

在此背景下，教師通過介紹通信、電子、微波等領(lǐng)域的前沿知識，能夠激發(fā)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)熱情，拓寬學(xué)生的視野。同時，教師通過引入電磁場與電磁波相關(guān)科研實踐課題，能夠讓學(xué)生領(lǐng)會“電磁場與電磁波”課程理論知識的實際應(yīng)用價值。此外，教師還可以適當(dāng)布置科研論文閱讀與分享，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生分享自己閱讀到的電磁場與電磁波相關(guān)前沿論文，并結(jié)合課堂知識講解，讓學(xué)生深入理解電磁場與電磁波學(xué)科的前沿知識。教師還可以設(shè)置科研小課題，讓學(xué)生在實踐中體會電磁場的特點，理解電磁波的傳播特性，從而增強學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

三、 結(jié)束語

本次課程改革通過虛實融合的方式，結(jié)合線上與線下的教學(xué)資源，將“電磁場與電磁波”課程與先修課程相融合，化繁為簡，讓學(xué)生更好地理解電磁場與電磁波理論，將看不見摸不著的電磁場與電磁波與常見的電路元件聯(lián)系在一起，實現(xiàn)電磁場與電磁波的具象化。同時，結(jié)合電磁仿真軟件，讓學(xué)生進一步從實踐中理解、消化課程理論知識，最后結(jié)合科研成果，引入本學(xué)科前沿科學(xué)知識，讓學(xué)生感受到本課程在科技發(fā)展中的實際價值，從而進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以及未來對本領(lǐng)域發(fā)展做出自己貢獻的熱情。

作者單位：趙穎 南京工業(yè)大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院（人工智能學(xué)院）

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