“電磁場與電磁波” 混合式教學改革探索

王 琛，譚 紅

（南京工業大學計算機與信息工程學院（人工智能學院） 江蘇 南京 211816）

2017 年綜合性高校工程教育發展戰略研討會上， “新工科” 一詞被正式提出，并成為我國高等工程教育主動應對新一輪科技革命與產業革命的戰略行動[1]。

“電磁場與電磁波” 是電子信息與通信工程類等專業本科生重要的專業基礎課，同時也是一些交叉學科和新型邊緣科學發展的基礎。現代電子通信系統離不開對電磁場的產生、傳播和接收等問題的研究和應用。因此，課程的教學目標是使學生深入理解各種電磁現象在特定條件下的不同特性、掌握基本的分析和計算方法，培養學生用場的觀點對電子通信工程中的電磁現象進行定性及定量分析的能力。但由于課程內容理論性強、概念抽象、對學生的空間想象力和抽象思維能力要求高[2]，且實際教學中理論課時有限，因此在課堂上不少學生不能有效地吸收消化課堂內容。而在課外時間，由于缺少有針對性的參考，學生很難做到有效率地預習和復習，繼而導致產生畏難情緒。因此，提高課程教學質量和效果成為當前課程教學建設與改革的重點，同時在新工科背景下的信息化時代，如何提高學生學習效率，充分體現學生作為學習主體的主動性、積極性，也是值得深入研究和探討的課題。

本文根據南京工業大學（以下簡稱 “我校” ）近幾年 “電磁場與電磁波” 線上線下的教學實踐，結合過去若干年在實際教學中的經驗，參考國內外同行的優秀教學案例，從多方面對混合式教學改革內容進行分析和探討。

1 課程教材內容的選取和優化

“電磁場與電磁波” 在高等數學、大學物理和工程數學的基礎上開設。其中 “大學物理” 電磁學部分按傳統方法講述電磁學的基本理論，對麥克斯韋方程也進行了簡單介紹；從內容角度來說，與本課程有一些交叉。 “大學物理” 側重于靜態場的分析以及電磁物理特性，而本課程在深度和廣度上都進行了拓展，以矢量分析和電磁場基本規律為基礎，不僅深入研究靜態場和時變場的一般規律和分析方法，還包括電磁波的傳播，應用對象也大大擴展。由于課程學時等因素限制，本課程無法在教學過程中進行較為全面細致的覆蓋，所以必須結合專業課程體系和學生的實際情況，對教學內容進行調整和優化。

課程內容包括矢量分析、電磁場基本規律、靜態場及分析、時變場和平面電磁波的分析幾部分。矢量分析是研究電磁場理論的重要數學工具，它為復雜的物理規律提供了簡潔而精確的數學描述，掌握矢量分析的方法對理解電磁場理論起到決定性作用[3]。通過實際教學中的調研發現，部分學生由于對矢量分析缺乏深入的掌握和理解，導致在學習電磁場具體問題時，不能理解相關概念，也無法利用數學工具對實際問題進行建模和解決。因此在實際教學中，結合高等數學中已經學習的內容，弱化對于方向導數等參數的計算，將重點放在梯度、散度和旋度的理解和計算上。在后面的章節中，以矢量分析與場論為數學基礎，圍繞亥姆霍茲定理展開矢量場分析的主線，將物理本質與數學分析相結合。

電磁場基本規律部分，結合大學物理中已經學習的知識點，應用類比的方法教授電荷與電流、電場與磁場的基本模型、概念、理論和分析方法，最終歸結于電磁場理論的核心——麥克斯韋方程。引導學生找到看似離散的知識點之間的聯系，幫助學生建立起知識脈絡，在這個過程中培養邏輯思維分析能力，為復雜工程問題的描述與分析奠定相關基礎。

靜態場及其邊值問題的解分為靜態場的分析和邊值問題的求解兩部分：靜態場的分析部分是在掌握基本概念和規律的基礎上，分別討論靜電場、恒定電場以及恒定磁場的特點、分析計算方法；將電磁場問題表述為微分方程和相應的邊界條件，就是邊值問題，由于課時有限，所以教學重點放在分離變量法和鏡像法上。

時變場和平面電磁波部分要求深刻理解波動方程及坡印廷定理的含義和典型分析應用，掌握電磁波的產生和傳播特性。平面電磁波作為交變電磁場存在的最基本形式，是理解電磁波理論的基石，理解好這一基本概念,可以使我們進一步理解復雜電磁波的性質。這部分重點理解和學習電磁波的極化、在不同媒質中的傳播特性及其典型應用。而現在大部分教材上都有的導行電磁波以及電磁輻射與接收部分，由于后繼課程里會專門進行學習，所以在本課程的教學中不再涉及。

除此以外，由于大專業分流等因素，每屆學生的基本學情也會有些差異，在課程實際運行過程中會根據學生具體情況，對學習重點和難度進行適當調整。

2 推進線上線下混合式教學模式

混合式教學把傳統課堂教學的優勢和網絡在線教學的優勢結合起來，在信息化時代體現出越來越多的優勢[4]。目前，各個高校都在利用各大在線信息資源平臺進行教學，網絡上有很多公開的省級國家級精品課程資源可供師生進行學習和參考。這些國家級精品課程由教學名師主講，多位教師組成教學團隊，在課程建設、資料庫的豐富與完善方面做了大量工作，給一般高校師生提供了很多幫助與啟發。但實際中，國家級精品課程往往面對的是名校學生，后繼課程也各有不同，對于一般高校學生而言，依然存在學習上的困難。因此，在混合式教學的過程中需要結合學生實際情況，對教學內容進行適當調整和優化，強化概念和基礎，突出重點難點，不能要求學生直接跟著慕課資源進行學習，必須建立起適合本校本專業學生的網絡教學資源，真正做到 “以學生為中心” 的教與學。

混合式教學由線上課堂、線下課堂和課外互動幾部分構成，其基本過程如圖1（p116）所示。本課程既強調概念的理解和規律的掌握，也需要通過一定練習來學習和掌握一般分析方法，在有限課時內很難實現全方位的覆蓋。因此，在制作線上課堂教學視頻時，需要將教學內容進行細化，將課堂內容進行精煉化。課前，要求學生提前預習偏重記憶、一般理解等認知目標的知識點。為激發學生自主學習的熱情，教師選取一些熱點或經典案例，預先提出具體問題或者鼓勵學生提出與教學主題相關的問題，并讓其通過各種手段搜集資料自行進行分析，為接下來課堂討論的重點和難點進行鋪墊。課堂教學中，在對概念和基本規律進行強化說明的基礎上，進一步討論分析方法與具體應用。圍繞課前提出的問題展開討論，推動同學深入思考課堂學習內容，同時還可以提高其表達能力和質疑能力等，通過對討論過程的回顧和總結，可進一步梳理和提升對課程內容的認識，促進課程知識的內化。課后作業、課程設計等環節加深學生的理解掌握，教師在此過程中可了解學習效果并據此改進教學。

圖1 “電磁場與電磁波” 混合式教學模式

3 考核方式的改進

過去，本課程最終總評成績主要由平時成績和期末卷面成績構成，造成不少學生過于注重作業和最后的考試，對平時學習的過程不夠重視，且這樣的評價方式不能真實反映出學生的學習情況。混合式教學模式下，教學過程由 “老師為中心” 變成 “以學生為中心” ，教學主體由老師、學生和教學平臺共同構建，因而考核方式也應進行改革。應新工科背景下人才培養的需求，課程考核有必要過渡到強調過程性學習、項目式學習的激勵模式，從而促進學生的有效學習、提升教學質量，實現高素質應用型人才培養[5]。

目前絕大多數云平臺可記錄學生參與線上教學的學習軌跡，可由此對學生的學習活動做出相應的評價。線上可設置在線小測試，特別是客觀題可即時給出分數，學生可及時了解實際掌握情況，并由此進行有針對性的深入學習。教師也可根據學情對課堂內容進行靈活調整。

4 總結與反思

經過多年的運行與調整，特別是近兩年線上課程及線上線下混合式教學的實踐，本課程改革取得了較好的效果。但在實際教學過程中，也需要注意：①對于不同的教學內容需要采用不同的教學方式，比如一些較為復雜的數學分析和推導過程更適合采用課題講授的方式，利用板書展示其邏輯分析思路，同時結合多媒體進行相對直觀感性的演示，加深學生的認識；②在教學中需要幫助學生加強對于課程知識體系的認識和建構，采用合適的學習方式可以起到事半功倍的效果；③課程改革應以學生為中心，需要結合每屆學生的實際情況來開展和調整。