面向“電磁場與電磁波”課程的微課建設與改革

涂治紅　陳付昌　王云　孔永丹

［摘 要］ “電磁場與電磁波”課程是培養新工科電磁場工程專業人才的一系列課程中的基石，是一門核心專業基礎課程。探討微課在“電磁場與電磁波”課程中的運用，主要從課程概念抽象和數學推導復雜的特點出發，從傳統教學的課前、課中和課后三個方面，結合互聯網的優勢，給出了“電磁場與電磁波”課程的微課制作標準、制作內容和制作形式，鼓勵學生成為微課制作的主體，不僅有效拓展了學生自主學習的空間，還豐富了學生自主學習的形式，讓學生更有信心、更有興趣地學習“電磁場與電磁波”課程，從而實現了以學生為主體的微課翻轉課堂的教學改革目標。

［關鍵詞］ 微課；電磁場與電磁波；教學改革

［基金項目］ 2020年度華南理工大學本科教研教改面上項目“‘互聯網+微課在‘電磁場與電磁波教學中的混合運用”（C9203031）

［作者簡介］ 涂治紅（1977—），女，湖北武漢人，博士，華南理工大學電子與信息學院教授，博士生導師，主要從事電磁場與微波技術研究；陳付昌（1982—），男，江西撫州人，博士，華南理工大學電子與信息學院教授，博士生導師，主要從事電磁場與微波技術研究；王 云（1982—），女，河南南陽人，碩士，華南理工大學電子與信息學院實驗師，主要從事電磁場與微波技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）07-0057-04 ［收稿日期］ 2022-05-05

引言

我國的地面移動通信系統和衛星通信系統將逐步融合，構建空天地一體化融合通信網絡［1］，其相關產業已成為國家發展的支助產業，如天線、大規模集成高速電路和芯片制造產業等。因此，通信及其相關產業對高質量新工科人才的需求更加迫切［2］。為滿足社會對新工科電磁場工程專業人才的需求，華南理工大學針對信息工程和微電子等專業開設了一系列電磁場工程課程，主要包括“電磁場與電磁波”“射頻電路”“天線”等，每年學習的學生人數都超過了400人。“電磁場與電磁波”課程是這一系列課程中的基石，是一門核心專業基礎課程。該課程以高等數學、數理方程和復變函數等為基礎，涉及的新概念及定律不僅抽象難懂，而且推導過程復雜，要用到矢量運算、微積分等數學工具，難度較大，如亥姆霍茲定理和時變電磁場復數運算等，因此學生比較畏懼這門課程。此外，經過專業體系的整體優化，這門課的學時調整為64個。可見，不論是“學”還是“教”都存在一定的困難。因此，如何在有限的學時內，讓數理基礎并不深厚的學生學好這門課程，是課程改革面臨的巨大挑戰。

隨著移動網絡的高速建設，以及智能手機和平板電腦等便攜式終端設備的不斷普及，線上教學模式已逐漸和傳統線下教育模式并駕齊驅，兩者相輔相成，共同滿足日益增長的學習需求［3］。這次席卷全球的新冠病毒感染，更加凸顯了線上教學模式的優勢。但是線上教學存在與學生互動不足、學生參與課堂度不高等問題，也無法通過實時觀察學生在課上的反應來及時調整授課內容。此外，與電磁場相關的線上課程建設雖然提供了豐富的視頻課程資源，但也使學生目不暇接，無法有效抓住課程的重點和理解難點。此外，線上課程和線下課程都屬于系統性地講授課程內容，需要學生看完整節內容才能學習到知識點，而且學生對于不懂的地方，無法和教師及時溝通，需要在課后去理解掌握。因此，這些都間接增加了學生的額外學習負擔，降低了學習效率，不利于激發學生的學習興趣。

微課是一種運用信息技術按照認知規律，呈現碎片化學習內容、過程及擴展素材的結構化數字資源，一般為10分鐘以內的小視頻［4］。它將學習需求和學習興趣結合起來，可帶動學習者在看、聽、說等方面協同運作，能夠有效增強學習者的參與感，有利于對知識點的記憶、理解和應用，對線上和線下教學模式的發展起到了促進作用。本文以在教學實踐中進行微課設計與應用的情況，論述微課在“電磁場與電磁波”課程中的教學改革情況與改革效果。

一、“電磁場與電磁波”微課教學改革內容

“微課”是以視頻為主要載體，針對某個學科知識點或教學環節設計開發的一種情景化、趣味化和可視化的數字學習資源包。它支持多種學習方式，突破了傳統課堂的時間和空間限制，可將學習時間碎片和離散學習空間統一起來，可以使學生隨時隨地地學習。

本文從微課教學制作標準、制作內容和制作形式三個維度，探討了利用微課提升“電磁場與電磁波”課程教學質量的具體措施。

（一）結合“電磁場與電磁波”的教學特點，研制融合思政教育的微課教學制作標準

“電磁場與電磁波”課程的微課制作要符合國家有關高等教育的方針和政策，要充分體現思想政治教育；要能夠幫助學生理解各類電磁場理論和了解電磁場與電磁波在實際應用中的動態發展，有效培養學生工程電磁場學科的素養；要符合當代大學生的認知規律和心理特征，能調動學生的學習主動性和積極性。

教學團隊緊扣當前的復雜國際環境和我國的對外開放戰略，立足粵港澳大灣區建設，將思想政治和電磁場與電場波的發展歷史、科學家的故事和實際應用相結合，提煉出“電磁場與電磁波”課程的“家國情懷、責任擔當、夯實基礎、敢于創新”的思想政治育人主線，一方面肯定我國在電子信息等領域取得的先進技術和成果，另一方面指出我國工業發展的35項“卡脖子”技術和西方國家對我國的技術封鎖，闡述我國在電子信息領域的優勢和短板，厚植家國情懷，鼓勵學生勇于承擔起國家重任，樹立強國之志，培養學生“十年磨一劍”的決心，努力學好專業知識，敢于拼搏，勇于創新，為中華民族偉大復興貢獻自己的力量。

（二）緊扣“電磁場與電磁波”課程教材和教學大綱，確定適合制作微課的教學內容，并鼓勵學生成為微課制作的主體

教材和教學大綱是學生課程學習的重要資料，對提高學習質量和學習效率具有重要的作用。微課內容需緊扣符合新工科發展的“電磁場與電磁波”的教學大綱和教材，凸顯教學重點和學習難點。在內容的組織與編排上，緊緊圍繞教學大綱中各章節的知識點展開，做到主線清晰、重點突出和邏輯性強，有利于學生自主學習。

本課程主要選用兩本教材［5］。這兩本教材從不同的體系架構講述了電磁場與電磁波的基礎概念和理論，可以幫助學生從不同的角度學習相關知識點。針對華南理工大學開設的一系列工程電磁場課程之間的關聯性和繼承性，將原課程中的導行電磁波內容轉移到“射頻電路”課程中，讓學生在有限的課時里更好地掌握和理解電磁場與平面電磁波的相關知識，為后續課程打下堅實的基礎。

教師和學生制作微課的目的和針對性不同。教師可以根據工程實踐制作與課程相關的展現實踐內容或前沿科研內容的微課；學生可以根據在學習中遇到的問題，結合自己對某個知識點由淺入深的理解過程制作微課。從學生的角度出發，做出針對課程中某個知識點的微課。優秀課件可以在課前、課中、課后展示給全年級的學生，或上傳至課程網站上。這樣學生相當于間接地參與了將來的電磁場授課，可以激發學生的興趣，增強其榮譽感。

（三）結合學生的特點和學習方式，呈現豐富的微課形式

微課要把語言文字表達的藝術性和視頻圖像顯示的直觀性有機結合起來，做到圖文并茂、音像同步，使得復雜問題簡明化、抽象問題形象化、枯燥問題趣味化。其呈現方式既可以是錄屏、拍攝、PPT等基本形式，又可以是動畫、手繪、軟件仿真和互動電影等多種創新形式，需要充分調動學生的積極性，讓學生共同參與微課制作，豐富微課的呈現形式。

二、“電磁場與電磁波”微課教學改革實施方法

（一）組建微課教學團隊

“眾人拾柴火焰高”，組建專業的微課教學團隊對開發課程起著關鍵作用。團隊能夠有計劃、相互銜接地設計微課內容，使其更有針對性，更有效地解決學生可能遇到的各種問題。教學團隊除了承擔教學任務外，還承擔大量電磁場與微波技術領域的相關科研工作。豐富的科研經歷和豐碩的科研成果可以轉化為微課內容，從而進一步提高學生的學習興趣。

（二）微課的建設

微課的建設主要包括兩個方面：微課資源體系的建設和微課制作方法的建設。

1.微課資源體系的建設。微課的建設需要注重微課資源的系統化、結構化和完整化。首先，根據人才培養目標整體規劃微課資源。其次，根據“電磁場與電磁波”課程的教學大綱和教學計劃來確定微課資源的建設方案，形成規范化的微課資源體系。根據教學大綱和教學計劃，教學團隊將微課資源建設分為場和波兩個體系，圖1和圖2分別給出了框架圖。場體系主要包括靜電場、靜磁場和時變電磁場三個子體系；波體系主要包括均勻無界空間中的平面波傳播和具有分界面的不同均勻媒質分界的平面波傳播兩個子體系。將每個子體系進一步分解為任務單元，每個任務單元對應相應的知識點。這樣拆分后的教學內容，可以更好地突出教學的重點和難點。根據每個任務單元收集相關的素材，然后制作相關知識點的微課。例如：時變電磁場中的全電流定律的微課內容包括：安培環路定律針對時變場的局限性和如何突破這個局限性，從而得到全電流定律。這個微課可以幫助學生充分理解安培環路定律和全電流定律的聯系與不同。對于時變電磁場的邊界條件可以安排學生分組對時變電場和時變磁場在分界面上的方程進行推導，再把不同組的內容合成一個微課，方便學生對比不同的學習思路，從而更好地掌握這個知識點。

除了關于課程知識點的微課體系建立外，例題和習題微課制作也是微課建設的重要組成部分，也很重要。例題和習題是幫助學生加深知識點的理解與應用的一種最直接、有效的方式。不論是線上教學還是線下教學，其課堂教學時間都是有限的，教材中的典型例題和有代表性的課后難題在課堂上很難全部講解清楚，因此，教師可以進行深入剖析，將其制作成微課供學生課后反復多次進行學習，更好的加深學生的思考與吸收。同時，可以鼓勵學生從不同角度對例題和難題求解。例如，在靜磁場中求取兩個電流環的互感。對于此問題，教材上只給出了利用互感定義求解的方法，還可以從諾依曼公式和磁感應強度兩個角度來求解。這三種求解方法可以制作成微課，供學生參考學習。

2.微課制作方法的建設。針對微課內容的特性，可以采用不同的方法制作。對于復雜的理論推導，可以采用PPT公式推導與錄屏結合來制作動態公式的推導過程，增強趣味性。對于抽象概念，如電場和磁場的描述、電磁波極化等，可以結合數學軟件和電磁專業仿真軟件建立模型仿真計算，也可以收集相關電磁場與電磁波應用的網絡視頻。鼓勵和引導學生積極參與微課的制作，讓其成為微課內容的制作主體。例如，利用平板電腦書寫和錄屏功能制作電介質極化和均勻平面波傳播參數知識點的微課；利用在HFSS仿真軟件制作中，矩形金屬波導中的時變電磁場的各分量隨時間變化的矢量動態圖微課。

（三）微課的使用

按照課前預習、課中答疑、課后鞏固和延展三個階段，可以創建基于微課的“課前學習”“課堂互動”“拓展延伸”“學情檢測”四個環節的翻轉課堂教學模式。不論是課前、課中還是課后，微課制作可以采用“學生主導，教師配合”的制作方式，從而激發學生學習的熱情，主動參與到這門課程的學習中。同時，當代大學生思想活躍、創造力強，可以更好地豐富微課的內容和表現形式。

三、微課教學改革應用

圍繞新工科人才培養要求，借助互聯網的優勢進行教學改革。首先，把現有的在線課程教學資源整合到微視頻中，以微課形式呈現，包括電磁場理論課視頻教程、文本課件、在線課堂討論環節、課后作業和章節測驗等。其次，以工程應用為導向，結合教學團隊的相關科研成果，以微課的形式呈現給學生電磁場理論在工程應用中的場景和科研成果。最后，從學生的角度出發，讓學生針對課程中的某個知識點制作微課，并將優秀的微課在課前、課中和課后展示。

教學團隊的教學經驗豐富，近五年的評教分均排在電信學院前列（前15%），深受學生的歡迎。此外，每位教師承擔不同的科研項目，為拓展微課內容，為實現科研成果與微課結合提供了保障。已形成基于微課的翻轉課堂的教學思想、教學模式和方法，激發了學生的學習積極性，提高了學生的動手能力和創新能力。教學成果已逐步在華南理工大學信息工程專業推廣，為國內其他高校開展電磁場系列課程的教學改革提供了借鑒。

參考文獻

［1］田開波，楊振，張楠.空天地一體化網絡技術展望［J］.中興通訊技術，2021，27（5）：2-6.

［2］楊冬.從科學范式到工程范式：高質量新工科人才培養的邏輯向度與行動路徑［J］.大學教育科學，2022（1）：19-27.

［3］陳思迪.“互聯網+”背景下高校智慧課堂教學模式構建［J］.中國現代教育裝備，2019（23）：15-17+26.

［4］倪彤.微課/慕課設計、制作與應用［M］.北京：清華大學出版社，2016：15.

［5］謝處方，饒克謹，楊顯清，等.電磁場與電磁波［M］.5版.北京：高等教育出版社，2019：10.

Application of Teaching Reform for Electromagnetic Field and Wave Based on Micro-Lesson

TU Zhi-hong， CHEN Fu-chang， WANG Yun， KONG Yong-dan

（School of Electronic and Information Engineering， South China Unversity of Tecnology， Guangzhou， Guangdong 510640， China）

Abstract： Electromagnetic Field and Wave is the cornerstone of a series of courses for cultivating electromagnetic field engineering professionals. It is a core professional basic course. This paper discusses the application of micro-course in Electromagnetic Field and Wave. Combined with the advantages of the Internet， the making standards， contents and forms of micro-lesson are given both from the abstract concept of the course and the complex characteristics of mathematical derivation， and from the traditional teaching of pre-class， class and after-class three aspects. Students are encouraged to make micro-lesson. It not only effectively expands the space of students autonomous learning， but also enriches the forms of autonomous learning. It makes students have more confidence and interest to learn this course， but also achieves the teaching reform objective based on micro-lesson.

Key words： micro-lesson; electromagnetic field and wave; teaching reform