“電磁場與電磁波”的信息化教學研究與實踐＊

蔡 洋，曹玉凡，張寶玲，吳 濤，李冠霖，李平輝，李 森

（1.航天工程大學，北京 101416；2.陸軍工程大學，江蘇 南京 210001）

“電磁場與電磁波”是電子電氣工程相關專業的專業基礎課，通過學習掌握電磁基本理論及其應用背景，搭建通往后續專業課的必經橋梁[1-3]。根據這一定位，本校測控工程、雷達工程等共計5個專業的本科學員于大二下學期開設了本門課程。處于當前階段的本科學員已經完成了“高等數學”“大學物理”“電路分析”課程的學習，即將進入三年級開始“微波技術與天線”“航天無線電測量技術”“雷達信號處理基礎”等專業課的系統學習，本門課程是實現基礎課程與專業課程無縫銜接的必要條件之一，為降低專業課程的學習門檻提供重要的支撐。

經過梳理分析，本門課程表現出以下3個突出的特點：①電場磁場和電磁波的第一個特點就是看不見摸不著，需要學員們具備強大的抽象思維和空間想象能力；②“電磁場與電磁波”的學習需要以高等數學和大學物理中的相應內容為基礎，包括多元函數微積分、振動與波等，而這些內容本身大部分又是其相應課程的教學難點，因此第二個特點就是數理基礎要求高；③經過梳理發現要學習的知識點近300個，重要概念近100個，而這些知識點和概念又與抽象的思維和數理基礎密不可分，因此第三個特點就是知識點多，概念易模糊。

這三個特點集中起來就表現為一個字——難！對于教員來說非常難教，對于學員來說非常難學。為了解決面臨的教學難點，實現知識結構、能力素養以及情感價值3個方面的教學目標，需要以充分了解學生的基本情況即學情為中心，以教學內容為基礎，以信息化條件、信息化手段為依托設計合理的教學方法。

1 課程設計

1.1 課程主線

以課程教材為基礎，以教學大綱為指導，設計了一條主線清晰的教學內容，內容的核心是麥克斯韋方程組，而矢量分析和靜態場的規律是理解和推導方程組的必要數理基礎。基于方程組能夠推出相應的波動方程進而研究電磁波到底是如何傳播、反射和折射的。因此教學主線就是要闡述麥克斯韋方程組的來龍去脈[4]。在主線的貫穿下，課程共設置72個學時，其中理論講授60學時，實驗操作12學時。

1.2 學情分析

獲得學情的來源主要有3種：基礎課成績統計、教學聯席會和集中座談。經過總結分析，學員特點可概括為如圖1所示的幾個方面。

圖1 學員學情對比

學員基本情況可以分為2個方面：個性特點和知識能力。其中在個性特點方面，盡管“00后”一代普遍活潑開朗，善于表達，但是自尊心強、抗壓能力弱導致他們在課堂上遇到難點和困惑的地方不愿意表達出來，對學習的抵觸情緒會不斷加強，特別是本門課程中難點問題不斷出現，這一特點尤其要引起重視。同時在知識能力方面，如圖2所示，經過統計成績發現，學員的數理基礎參差不齊，相當一部分學員在關鍵數理基礎上還有所欠缺。以上學員特點是設計教學方法的重要參考。

圖2 基礎課成績分析

2 教學方法

行動為基，理念先行。理念是行動的先導，教育理念更是這樣。意大利教育家瑪利亞·蒙臺梭利提出過這樣一個教育理念：“Tell me and I will forget，show me and I might remember，involve me and I will understand”。根據這一教育理念，如果讓學生真正的參與教學，那學生就會徹底明白。這一個理念與中國荀子的觀念不謀而合：“不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之。學至于行之而止矣。行之，明也”。總結來看，他們理念的核心都是充分發揮學生的主體地位，讓學生親身參與教學活動。在這個理念的指導下，在教學過程中筆者們努力構建以學員為中心、全員高效參與的“信息化電磁課堂”[5]。

合理的教法設計是踐行這個目標的保證。筆者們以教學目標為引領，以課程內容為基礎，以學員學情為主體來設計教學方法。針對教學重點、難點問題，采用不同的教學方法，教學方法總結如圖3所示，在整個教學過程中，將課程思政貫穿教學過程始終，潤物無聲，立德樹人。

圖3 教學方法總結

2.1 演示教學法

電磁場與電磁波看不見摸不著，這是學習本門課程的天然障礙，為了盡可能消除這一障礙，運用了演示教學法。通常情況下利用計算機仿真（比如MATLAB仿真等）將抽象的概念以三維動畫的形式進行展示[6]，如極化的旋向、電磁波的衰減等。對于相對重要、抽象的概念可以進一步通過增強現實（Augmented Reality，AR）動畫，將看不見的場波展示在學員周圍，增加他們的交互體驗[7]。AR動畫技術能夠真正將場、波以三維動畫的方式進行展示，學員們能夠從不同角度進行觀察和理解，如圖4所示，對于理想介質中的均勻平面波，它是電磁波部分最為基礎也是最為重要的一講，對于這一概念及其相應電磁波分布的深刻理解尤為重要。通過制作成手機程序，學員們可以安裝到手機、平板等終端，隨時隨地掃描程序設定的觸發圖案，即可展示三維的動畫過程，通過從不同角度觀察動畫過程，能夠非常直觀地理解電磁波中的電磁場相位、幅度以及方向的關系，從而打牢后續學習的基礎。通過這種教學方法，可以實現從抽象的理論到具象的轉變，為他們理解更為實際的抽象問題提供想象的基礎。

圖4 利用AR動畫技術多角度觀察電磁波分布

2.2 混合式教學法

數理基礎要求高是學習本門課程的最大障礙，特別是課上短時間內完成對復雜公式推導的理解和掌握對于基礎薄弱的同學來說非常困難，因此課前發布與課程密切相關的物理定律、數學公式推導的微課視頻，充分利用他們的碎片化時間進行學習[8]，同時他們也能夠通過微信、釘釘等方式與同學、教員進行實時互動、答疑，解決數理基礎中的難點問題，使他們在課堂上能夠高效地理解重要的物理概念，從而構建完整的電磁知識體系；通過利用問卷星、群投票等方式收集學員在線上學習過程中仍存在的難點問題，在課上教學過程中，針對線上內容進行要點回顧和提煉，對普遍存在困難的知識點進一步通過板書推導等方式進行重點講解。為了確保線上學習的有效性，采用了問卷普查、重點抽查、考核量化等方式。

2.3 實驗教學法

以上教學方法的使用是為了調動學員們在思想上參與的積極性，為了讓學員真正感受到無處不在的電磁場和電磁波，設計了與理論課程密切相關的實驗課[9]。2019年本校新建設完成了電磁場與微波實驗室，如圖5所示，用于開展“電磁場與電磁波”“微波技術與天線”等課程的實驗教學過程。基于實驗室信息管理系統，學員根據課程學習需要，可以在相應終端預約實驗時間和相關的實驗器材，系統可以高效地、靈活地進行實驗室日常事務管理和實驗教學管理，系統簡化了實驗室管理程序，有效提高學員開展實驗的便利性，使儀器設備、實驗資源得到了充分利用。在實驗室中，通過電磁場與電磁波智能平臺，如圖6所示，學員能夠開展電磁感應、電磁波極化、駐波特性等實驗內容，實驗結果在信息系統上同步展示，加強信息的透明度和及時性，便于學員對結果的分析和對比，加深對實驗內容的理解。

圖5 基于信息化管理系統的電磁場與微波實驗室

圖6 電磁場電磁波智能平臺

2.4 課程考核

為了配合上述教學方法的實施，設計了4個方面的考核內容，如圖7所示，包括期末考試、課堂表現、平時作業以及實驗操作等，其中實驗操作和期末考試中的線上教學比例不少于20%，從而形成多元化、差異化的評價機制，有助于創新人才的培養。

圖7 多元化的課程考核機制

3 結束語

針對“電磁場與電磁波”課程教學過程中的傳統難點問題，研究了信息化條件下如何有效提高學員參與積極性的教學方法，重點闡述了演示教學法、混合式教學以及實驗教學法在“電磁場與電磁波”課程中的實踐過程，同時制定了配合教學方法的四位一體課程考核內容，有助于促使教學質量的提升和學員參與學習主動性的激發，為后續專業課程的學習以及實際工作打下堅實的基礎。