結合超星泛雅的電磁場與電磁波教學模式改革

陸文駿

（安徽三聯學院 電子電氣工程學院，安徽 合肥 230601）

電磁場與電磁波課程是研究物質電磁屬性存在的性質及電磁波運動形式及其規律的課程 ．它不僅是微波技術與天線、電磁輻射與電磁兼容的理論基礎，而且各類現代通信技術，如移動通信技術、衛星通信技術、光纖通信技術，以及通信、微波、雷達等各類專門學科，都是采用電磁波裝載信息并輻射的．而通信電子線路、射頻電路的設計中更是充滿了電磁場與電磁波的問題．因此，電磁場與電磁波是眾多學科的理論基礎，是電類專業的一門重要的理論課程，它是多個相關學科的理論基礎，是信息與通信類專業的一門重要的專業課程[2]．

對于通信工程專業的學生來說，光纖通信技術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，確定光纖單模或多模工作條件和特性；移動通信技術課程中，需要利用天線理論確定電磁波在手機與基站之間傳播時的功率損耗，蜂窩扇區的半徑和覆蓋情況也取決于基站天線的方向圖和增益．所以電磁場與電磁波是通信工程專業射頻通信技術、光纖通信技術、移動通信技術和無線通信技術等專業方向課的先修課程．同時，電磁場與電磁波也為電子信息工程專業的學生從事射頻電路和電磁兼容設計等工作打下基礎．

1 課程現狀

電磁場與電磁波課程是安徽三聯學院通信工程和電子信息工程2個專業的一門公共專業核心課，還是多個學科的交叉融合點．前修課程有高等數學、大學物理等（見圖1），這些課程對本課程的學習起著基礎鋪墊作用[3]．后續課程有射頻通信技術、移動通信技術、光纖通信技術和無線通信技術等，這些課程內都有本課程基礎知識的具體應用，為后續課程提供了理論和實踐的支撐．

圖1 課程地位

1.1 課程內容

該課程的理論學時為32學時，主要的教學內容包括：（1）掌握靜電場和恒磁場的基本性質和基本方程；（2）要求學生正確理解和掌握麥克斯韋方程在時變場和電磁波基本性質及規律分析中的應用；（3）掌握電磁波在空間中輻射的基本規律；（4）學生能夠運用所學的知識對電磁場與電磁波的一般應用問題進行綜合分析和簡單計算[4]．

1.2 學情分析

（1）已掌握的基礎知識：已經掌握高等數學的基本方法，具備矢量微分運算能力；已經學習了大學物理中電磁學部分，知道電生磁和磁生電的基本知識．（2）學生的特點：對移動教學的學習充滿興趣，易于接受視頻、圖像信息；自學為主、點串為輔的大學學習模式還沒有深入人心．（3）認知結構：對如何解釋宏觀的電磁現象，也就是產生電場和磁場的源到底有哪些，學生的認識還很模糊，同時對理論的應用還存有疑問．

2 混合式教學模式改革思路

2.1 結合物理模型的教學

關于梯度和方向導數的關系問題可以引導學生結合自身爬山的經歷進行理解，所謂梯度的方向是在給定點處令方向導數的值增加最快的方向[5]；或者說在給定點處朝梯度方向運動，方向導數的值將變化的最劇烈．最大的變化率，也就是斜率等于梯度的模長．如果把方向導數看作爬山，方向導數上的給定點是你站立的位置，那么梯度方向就是向上爬山時最陡峭的地方，梯度垂直方向就是站立點的等高線．在等高線上，梯度總是指向值最大的方向．課上結合攀巖運動的視頻進一步講解梯度和方向導數的概念．

課后針對這一問題可以組織討論和知識拓展：請學生們搜集資料自學關于爬山算法的基本思路和步驟，并用計算機進行仿真．爬山的目的就是要逐步登上山頂，想要到達山頂，每一步應該是向著山頂邁進的，經過一步一個腳印終于到達了山頂，就能真正體會到什么是“會當凌絕頂，一覽眾山小”的豪邁姿態．當然了也別忘了“山外有山”，也許所登山峰在當地是最高峰，但再高也沒有珠穆朗瑪峰高．說明了爬山算法的優缺點，爬山算法可以很好地求解局域（當地）極大或極小值，但并不能求解全局（全世界）最大或最小值[6]．

2.2 課程思政

隔空點燈背后的實驗裝置：特斯拉線圈，以美籍塞爾維亞裔發明家尼古拉·特斯拉的名字命名的．課堂上請學生以講座的形式介紹他的生平事跡，主要體現在 11次讓賢諾貝爾物理學獎的提名，可以看出比科學成就和社會貢獻更重要的是應該具備優良的思想品德，“德才兼備、以德為先”．同時特斯拉短短幾十年就有700多項發明專利問世，鼓勵學生特斯拉為榜樣，積極開展大學生創新創業活動，以自身行動響應和投身到新時代中國特色社會主義的偉大實踐中來．

GPS系統也是一個很好的課程思政案例：通過 26年前的銀河號事件，我國航天人發現，當時主動權在美國人手中，他們可以決定誰在何時可以使用GPS．為了改變這個局面，我國航天人奮發圖強，目前已完成北斗二代衛星導航基本系統．結合這個案例和正在開展的“不忘初心、牢記使命”主題教育活動，激發學生的使命感和愛國熱情．

2.3 案例式教學與科研成果進課堂

雷達系統的實例引入本課內容：二戰前夕，飛機成為戰場進攻的主角，各國競相研制一種地面防空預警系統，所以雷達成為整個二戰期間電磁場理論應用最活躍的部分．以參與完成的科研項目成果（通信頻率監測與指配系統，見圖2）分析出發[7]，大規模小范圍的通信電臺使用需要預先指配信道，否則會造成無線電信號的擁塞，使學生深入理解頻率指配的意義，并從系統應用的功能需求，到系統的總體方案設計，再到分系統設計強調工程設計的基本思路，灌輸工程理念．

其中結合雷達波段的劃分方法及命名規則（L，S，X，C，K，Ku，Ka等）課前可布置學生進行線上討論[8]，課上選取幾位學生的回答進行解釋（見圖3）．

圖2 通信頻率監測與指配系統組成

圖3 線上討論

2.4 學科間的交叉融合

在講解麥克斯韋方程組的物理意義[9]時，教師課前可安排預習任務分析其特點：并用口訣“三三、六六”進行歸納總結．其中“三三”是指電生磁和磁生電，“六六”是指磁場是無源場和電荷激發電場．隨后引導學生從2個不同的角度理解麥克斯韋方程組中背后的哲學思想（橫看成嶺側成峰、遠近高低各不同），能夠透過現象看本質：（1）時變電磁場的電和磁構成一個整體即電磁場，同時又可以相互激發在空間中傳播即電磁波，它們之間是對立統一的關系．（2）電（或磁）場的時間變化會轉化成磁（或電）場地點的變化，從通信的角度來看，就是用時間換空間，反之亦然．

另外一個案例是隔空點燈．由2個問題引入：隔空點燈是真的嗎？隔空點壞燈還是真的嗎？教學中引入了中國大學 MOOC：華中科技大學黃佳慶副教授主講的通信電子線路片段——隔空點燈實驗[10]，并引出隔空點燈背后的實驗裝置——特斯拉線圈（見圖4）．

由這一案例布置課后作業（分組任務見圖 5）——隔空點燈的工作原理和運用高頻電子技術課程中的方法分析特斯拉線圈的等效電路（體現了課程之間的交叉融合）．

2.5 PBL教學

根據課程的知識點和相關應用中的問題，提前公布講座選題[11]，部分選題見表 1．安排分組任務，2人一組進行資料準備，課上合作進行講座實施翻轉課堂．

圖4 引入金課視頻

圖5 發布分組任務

表1 講座選題和關聯的知識點

2.6 移動智慧教學

依托超星泛雅網絡教學平臺推廣應用多項教學方法，以培養創新思維、提高能力素質、擴大信息量、拓寬知識面為教學目的，綜合運用啟發式、互動式、探究式、討論式等多種教學方法．根據課程內容體系重點講授基本概念、基本原理和方法（技術），采用多種教學形式，提出“自主、互動、探究式”移動智慧教學新模式．該模式緊密結合一平三端資源[12]，打破原有的教學模式，合理運用信息技術、數字資源、教學平臺和信息化教學環境．通過充分使用網絡教學平臺調用資源，教學符號、多媒體、文字、批注等制作教學課件并對課件進行網絡存儲．學生可通過網絡隨時調用課件，課件資源也可在一定范圍內共建共享，教學效果突出，極大地激發學生的學習興趣，提高學生的學習效率．其主要特點是：多種現代化教學方法綜合，學生素質得到全面提高；實現了被動學習方式向主動學習方式的轉變；培養了學生的創新思維能力；突出教學過程中學生的主體意識．

3 課程效果綜合評價

3.1 成績分析

采用的混合式教學模式改革從2016級相關專業開始試點，以近3期學生（分別為2015級、2016級和2017級電子信息工程專業1班、2班和通信工程專業學生，其中2015級為對照）的卷面成績和綜合成績進行對比，結果見表2．

表2 近3年學生的課程成績

綜合成績的構成包括卷面成績和平時成績，2部分各占 50%．其中平時成績由4個部分組成：簽到（10%）、課內外表現（40%，參與投票、問卷、搶答、選人、討論、測驗和分組任務等課程活動）、課堂筆記和作業（30%，學生通過拍照的方式上傳至線上作業中）和學生講座（20%）．從結果對比來看，近3年各教學班的成績穩中有升．

3.2 學生評價分數

以近3期學生（分別為2015級、2016級和2017級電子信息工程專業1班、2班和通信工程專業學生，其中2015級為對照）的評教得分再次進行對比，結果見表3．

評教得分為各年級 2個專業的參評學生的總平均分．從結果對比來看，混合式教學的新模式越來越深得人心．

表3 近3年學生的評教得分

3.3 階段性成果

目前混合式教學改革已取得階段性成果，任課教師依托線上工具開展線上線下混合式教學，取得了一些成績．本課程的線上資源包括任務點152個、PPT480份、教學短視頻871段、文檔1200個、試題237道、試卷4套，也已成功申報超星示范教學包，目前引用量為60人次．2019年6月以團隊形式參加了校第一屆“超星杯”移動教學大賽暨智慧課堂教學創新大賽獲一等獎，12月代表學校參加了安徽省應用型高校聯盟第三屆“超星杯”智慧教學創新大賽獲得二等獎．

綜上所述，經過2年的教學模式改革，雖然已取得初步成效，但還存在線上教學資源和學生實際學習需求如何智能匹配，資源的推送如何智能化，線上線下時間比例如何分配對于提升教學質量更有效等相關問題．

4 結語

電磁場與電磁波課程創新實踐了線上線下混合式教學新模式，基于超星一平三端運用適當的數字化教學工具，結合學校實際對課程進行改革．安排30%的教學時間實施學生線上自主學習完成線上任務點，與線下課堂教學、實驗有機結合開展混合式教學，打造線上課程與線下面授相融合的混合式“金課”．

課程教學的創新性體現為：課程知識點的設計緊緊圍繞電磁場與電磁波的應用案例，通過對比分析和歸納總結等多種方法探尋公式中所蘊含的物理意義和哲學思想，通過應用案例的分析加強學生分析能力．

通過引入金課視頻培養學生的觀察能力，通過分組任務加強思維能力的鍛煉．

（1）積極將科研成果引入課堂教學，灌輸工程設計的理念和思路，引導學生查找資料完成文獻綜述．

（2）部分教學設計中引入課程思政案例，呈現了多方面的思政元素，力求圍繞立德樹人貫徹落實“不忘初心、牢記使命”主題教育活動成果．