“電磁場與電磁波”課程的混合教學模式研究

湯紅衛(wèi)，仲崇山，薛 惠

（中國農業(yè)大學 信息與電氣工程學院，北京100083）

0 引言

美國哥倫比亞大學喬伊斯和韋爾最早將教學模式界定為：試圖系統(tǒng)地探討教育目的、教學策略、課程設計和教材，以及社會和心理理論之間的相互影響的、以設法考察一系列可以使教師行為模式化的各種可供選擇的模型，是在一定教學思想或教學理論指導下建立起來的較為穩(wěn)定的教學活動結構框架和活動程序。其中，教學活動結構框架突出了教學模式從宏觀上把握教學活動整體及各要素之間內部的關系和功能；活動程序則突出了教學模式的有序性和可操作性［1～3］。

基于不同著重點，教學模式分類不同［2～5］：從概念特征看，有教學的過程模式、結構模式和方法模式；從主要理論依據(jù)看，有教學的哲學、心理學、管理學和社會學模式；從邏輯起點看，有從理論到實踐模式和從實踐到理論模式；從應用范圍看，有一般教學模式與學科教學模式；從主要實施手段看，有面授教學模式、遠程教學（在線教學、在線學習）模式、面授+網絡輔助的教學模式，以及混合教學模式。

近年來，混合教學模式受到教育學術界高度關注，界定為：在混合教育思想、學習理論和教學理論指導下，在混合教學環(huán)境中，教學系統(tǒng)要素在時間上動態(tài)展開形成的較為穩(wěn)定的教學活動安排［6～9］。

1 課程存在問題及解決方案

1.1 存在問題

“電磁場與電磁波”課程，是電子信息工程專業(yè)和通信工程專業(yè)一門必修的專業(yè)基礎課程，這門課程具有理論性強、概念抽象、邏輯性嚴密、數(shù)學工具應用多、涉及應用領域廣泛等特點。僅40學時，涉及9章內容［10］。如何在有限的學時內帶給學生生動有趣的課堂內容和課堂形式是本文作者自2002年擔任本課程教學以來一直不斷探求的目標。

雖然取得長足進步但仍存在如下問題：課程與“大學物理”課程聯(lián)系密切，部分內容比如靜電場的高斯通量定律，“大學物理”課程中學習過它的積分形式，本課程中又引入它的微分形式，類似情況很多。會降低學生對本課程的好奇心，影響學生的學習興趣，況且鑒于知識的連貫性和整體性，又不宜只講述其微分形式，從它的積分形式講起既重復又浪費，有待進一步解決這一矛盾。

“電磁場與電磁波”課程一直以來采用傳統(tǒng)的面授方式，教學中雖然也使用了網絡技術，如使用網絡教學平臺發(fā)布課件，僅此而已，實質上還是傳統(tǒng)課程。近幾年增加了學生綜合實踐環(huán)節(jié)，即Presentation環(huán)節(jié)，但是課堂形式仍是傳統(tǒng)面授形式，缺乏討論互動，難免枯燥、不夠生動，也難以調動學生的學習興趣。

1.2 解決方案

1）線上線下與課堂面授及Presentation結合

“電磁場與電磁波”課程共9章內容。其中，第1章為矢量分析，第2章至第7章每一章里都有部分內容與“大學物理”課程相對應的基礎知識關聯(lián)。將這部分基礎知識內容錄制成微視頻轉移到線上，利用多種媒體形式如ppt、微視頻講解（“微課”）等呈現(xiàn)，并結合在線測試、問答以及Presentation環(huán)節(jié)，使課堂形式豐富多樣化，從而帶動學生的興趣。

2）教學課件的高度凝練與美觀

無論是線上教學還是傳統(tǒng)面授，教學課件的高度凝練與美觀能夠讓學生直擊重點，吸引學生的好奇心與注意力，使學生能夠專心聽課的必備條件之一。

3）教學內容的精心設計

鑒于“電磁場與電磁波”課程有些基礎知識在“大學物理”已初步學習過，每節(jié)課按如下三種情形授課：一是每節(jié)課按50分鐘全部面授，其間穿插有個別思考和提問，共16學時；二是每節(jié)課按40分鐘面授，下課前利用雨課堂進行10分鐘隨堂測試和講解，共20學時；三是每節(jié)課內容梳理成若干知識點，錄播制成20～30分鐘的教學視頻，供學生自學，共4學時。

4）隨堂測試的精心設計

隨堂測試的精心設計能夠跟學生很好地互動，充分調動學生的注意力和學習興趣。是線上教學不可或缺的教學環(huán)節(jié)，也是傳統(tǒng)面授教學環(huán)節(jié)的重要補充。

2 “電磁場與電磁波”課程的混合教學模式實施模型

格里菲斯大學（Griffith University）在充分開展混合教學時間的基礎上，提出了混合教學五階段模型（Bath，Bourke，2010）。清華大學在該模型的基礎上，針對我國國情和多數(shù)院校現(xiàn)有的課程教學模式，提出了“混合課程的教學實施模型”，其實施過程分為前期分析、規(guī)劃、設計、實施、支持與保障、評估與優(yōu)化六個環(huán)節(jié)，如圖1所示［11］。

圖1 混合課程教學的實施模型

前期分析：對課程基本情況進行前期分析，以確定本課程是否適合開展混合式教學。包括：課程現(xiàn)狀分析、現(xiàn)存主要問題分析以及教學環(huán)境分析，在此基礎上設立混合課程及教學的主要目標。

混合課程及其教學的規(guī)劃：確立規(guī)劃原則、規(guī)劃內容，以及選擇混合教學模式等。

混合課程及其教學的設計：包括確立設計原則、設計流程、教學資源的分解與混合設計，以及混合教學活動的分解與混合設計、線上線下的內容分配等［12～14］。

混合課程及其教學的實施：包括實施的原則、實施的步驟以及實施的策略等。

支持與保障：主要包括教學準備保障、學校基礎設施保障以及教學規(guī)章制度等。

3 “電磁場與電磁波”課程混合教學設計

3.1 教學計劃的進一步調整和完善

課程教學內容與學時的調整也是本核心課程建設的重要內容之一，教學團隊在之前的多輪教學經驗和教學改革基礎上［15，16］，并結合本課程教材［10］及參考教材［17，18］，對教學計劃進一步作了調整和完善。詳見表1。

表1 教學計劃的調整和完善（40學時）

由表1可知，2016年第1章矢量分析由4學時改為1學時，教學內容的安排也有較大的改變和調整。這是因為第1章矢量分析雖然是“電磁場與電磁波”課程內容的重要基礎，但也是“高等數(shù)學”課程里學過的內容，本課程中不宜作詳細講述授，只對一些常用且重要的知識點如梯度、散度與旋度等略作深入，并同時將它們與電場E、磁場H結合起來，如講解梯度時，可以引入電位的梯度負值就是電場強度（即E=-Δφ），枯燥的數(shù)學公式就附有有了具象的內容。延用至今；第2章靜電場，其部分內容在大學物理課程中學習過，簡單作刪減由8學時改調整為5學時；增加了Presentation環(huán)節(jié)6學時，該環(huán)節(jié)設置了近20個選題內容，包括均勻傳輸線、磁懸浮列車、電磁波的極化以及潛艇通信和多普勒雷達測速等。2018年又將Presentation環(huán)節(jié)分散引入教學過程中，并將集中Presentation環(huán)節(jié)調整為2學時。在2020年的又一輪教學過程中，考慮到培養(yǎng)學生工程實踐能力，將與實際工程有著緊密聯(lián)系的一些概念，如電介質擊穿場強、電容（器）等，相應地引入若干工程案例進行計算和分析，又將第2章靜電場調整為7學時，并配合隨堂測試和在線測試環(huán)節(jié)，類似舉措都一一列舉，雖然學時非常有限，卻能夠在保證課程內容完整性、豐富性，以及教學形式多維、立體和多樣性方面取得有突破性改進。

3.2 學習單元的劃分和導學案設計

在進行導學案設計之前，應先進行學習單元的劃分和拆分。

1）學習單元劃分和拆分

將課程按章節(jié)內容進行單元劃分和拆分，每一章劃為一個單元，共9章劃為9個單元，再加上集中Presentation環(huán)節(jié)共10個單元。1到9單元每一個單元根據(jù)教學計劃和單元內容又劃分為若干子單元，如表2所示。

表2 學習單元劃分與拆分

2）導學案的設計

導學案以“學”為出發(fā)點，主要從“學”的角度設計學習內容和教學活動。它包括課程導學案、單元導學案和子單元導學案。

——課程導學案設計

本課程導學案的設計立足于課程教學大綱和教學計劃，在認真研究教材、參考書及課程內容的基礎上，挖掘課程的核心知識和重點知識，圖2為所設計的課程導學案，以引導學生明確本課程的全貌、學習目標、重點知識，以及學習方法和考核方式等，成為學生學習的路線圖。

圖2 課程導學案

——單元導學案和子單元導學案的設計

本課程按照每章劃分單元，第1章矢量分析為單元1、第2章靜電場為單元2，以此類推。單元導學案和子單元導學案的設計思想和理念同前述課程導學案，圖3為單元2的導學案中的一部分，圖4為某一子單元的導學案中的一部分。學生通過單元導學案和子單元導學案能夠明確該單元及子單元的教學要求和重點知識。結合課堂講授、隨堂測試、在線測試等，學生容易形成課程知識的脈絡。

圖3 單元導學案

圖4 子單元導學案

3.3 混合教學目標與教學資源的設計

教學總體目標的設計如下：

知識與技能目標：使學生在“大學物理”和“高等數(shù)學”的基礎上，掌握電磁場與電磁波的基本規(guī)律和基本計算、分析方法；過程與方法目標：逐步培養(yǎng)學生針對電磁場與電磁波相關工程實際案例，能夠運用“電磁場與電磁波”課程所學知識，建立計算分析模型，實現(xiàn)對電磁場與電磁波相關工程實際案例的計算和分析；情感/態(tài)度/價值觀目標：注重學生個性發(fā)展、創(chuàng)造精神、人格陶冶等方面的培養(yǎng)。

除上述課程總體目標之外，還應確定各子單元教學目標，為實現(xiàn)這些教學目標，設計相應的教學資源，參見表3。

表3 混合教學目標和教學資源設計

3.4 混合教學活動設計

為實現(xiàn)課程總體教學目標和各子單元教學目標，設計了相應的教學活動，如表4所示。為了規(guī)避線上教學學生懶散、不集中注意力聽課而教師又無從監(jiān)管等弊端，設置了隨堂測試，圖5示出了隨堂測試中關于接地電阻的測試題，該測試題非常靈活，學生只有全神貫注地認真聽課，理解和領會了接地電阻的概念及相關計算，才能夠做出正確的選擇。實踐教學表明，通過設置靈活多樣的隨堂測試題，促使每個同學認真聽課并積極參與測試，收效顯著。

圖5 隨堂測試題目設計

表4 混合教學活動設計

3.5 混合學習評價維度設計

在混合教學平臺上實現(xiàn)綜合考核，有效的評價維度應包括以下幾個方面（參見圖6）：各考核維度的權重比例因課程性質不同，有不同的設定。電網絡理論課程各個考核維度的權重比例設定為：在線測試與課后作業(yè)20%，在線學習行為12%，Presentation占8%，期末考試60%。

圖6 混合學習的評價維度設計

4 結語

本文針對“電磁場與電磁波”課程目前存在問題，提出將混合教學模式引入到課程中，取得如下突出成效：

混合教學模式中課程導學案明確給出了課程的教學目標、基本要求等，單元和子單元導學案明確給出了每個單元和子單元的教學目標，牽引學生步入課程學習軌道。將大學物理課中學習過的知識轉移到線上，以ppt、微視頻講解（“微課”）等形式呈現(xiàn)，再結合線上練習（在線測試）和問答，以及課程微信群，使課程多維立體、內容豐富、課堂形式多樣化，學生學習興趣明顯提高。

合理組織和設計線上線下與課堂面授內容，并輔以適當?shù)摹拔⒄n”、線上線下練習、問答和課堂討論話題等，并結合Presentation及多方面的考核評價維度，使電磁場與電磁波課程徹底擺脫以往一言堂式的刻板教學方式，提升了課程教學質量。