電磁類課程立體化教材建設的幾點思考

朱衛剛 曹文權 邵尉 劉濤

基金項目：國家自然科學基金面上項目“毫米波平面電大尺寸陣列天線技術研究”（61871399）

第一作者簡介：朱衛剛（1971-），男，漢族，河南滎陽人，碩士，副教授。研究方向為電磁場與微波技術。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.06.021

摘? 要：構建課程立體化教材是高校新工科專業建設“供給側”的核心任務。該文圍繞新工科專業的電磁類課程立體化教材建設，聚焦學生電磁工程應用能力培養，分析已有教材的現狀，提出立體化教材的構建原則，探討電磁類課程主干教材、教輔材料、實驗教材及課程媒體資源等的構建思路、方法和途徑，為新工科專業其他課程的立體化教材建設提供有益參考。

關鍵詞：電磁類課程；電磁工程應用能力；立體化教材；新工科專業；教材建設

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）06-0090-04

Abstract： Constructing three-dimensional course teaching materials is the supply-side core task of establishing emerging engineering majors. This paper centers on the construction of three-dimensional teaching materials for electromagnetic courses of the communication engineering major of emerging engineering and focuses on the development of students' electromagnetic engineering application capabilities to analyze the status quo of the existing teaching materials， explore the thoughts and approaches on how to construct main teaching materials， supplementary teaching materials， experimental teaching materials， and media resources of electromagnetic courses， which provides some useful references for the construction of three-dimensional teaching materials for other courses of emerging engineering.

Keywords： electromagnetic course; electromagnetic engineering application capabilities; three-dimensional teaching materials; emerging engineering major; textbook construction

課程教材是體現教學內容、教學方法的知識載體，也是課堂教學的基本工具。新工科作為高等教育緊缺人才培養的重要抓手，是構建中國特色、世界水平的工程教育體系，加快推進中國從工程教育大國走向工程教育強國的重要舉措[1]。高等院校新工科建設著眼現有學科專業體系進行調整升級，瞄準科技前沿和關鍵領域，推進新工科建設，加快培養緊缺人才。教材建設作為新工科建設的組成部分，需要在普適性的認識框架下， 結合新工科建設的具體情境，積極探索符合自身定位和發展特色的教材體系。提高人才培養質量是高校教育的主旋律，課程立體化教材在促進專業基礎知識轉化為工程應用能力方面，也具有獨特的地位和作用，成為新工科專業建設的關鍵環節[2]。

一? 課程教材現狀分析

（一）? 教材建設的基本情況

教材作為傳播知識的載體，是高等院校學科建設的重點。陸軍工程大學（簡稱“我校”）的電磁類課程建設時間長，師資力量雄厚，相關教材編著成果豐碩。自2000年以來先后出版教材四部，主要包括《電磁場與電磁波》（電子工業出版社）、《天線與電波傳播》（機械工業出版社）、《電波與光波傳輸技術》（人民郵電出版社）及《現代微波工程測量》（電子工業出版社）等，系列教材一定程度體現了時代性，突出了系統性，強化了實用性，注重了通俗性，先后被列為高等院校通信與信息專業規劃教材和普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，在人才培養方面發揮了重要作用，使學生系統理解了電磁場與電磁波、微波技術及天線技術相關理論，掌握了電磁場與微波技術在電磁工程中的典型應用，受到了業界的好評。

（二）? 教材建設的內在要求

隨著院校教育轉型和新工科專業建設的需要，需要對現有學科專業體系進行調整升級，以瞄準科技前沿和關鍵領域，推進新工科建設，加快培養緊缺人才。我校的電子信息類專業建設時間長，底蘊深厚，一直是校內重點建設專業，教材建設成為電子信息類緊缺人才培養的重要抓手，對于構建有特色的工程教育體系，加快推進學科專業建設具有重要意義。在電子信息類專業中，電磁類課程包括電磁場與波、微波技術基礎和天線與電波傳播三門課程，是研究宏觀電磁現象最重要的專業背景課，在培養學生電磁信息素養和工程應用能力方面具有重要作用。此外，隨著信息化技術的發展，線上線下混合教學模式的推廣，紙質教材向電子化教材轉化日趨明顯，多維度的立體化教材為培養學生電磁工程應用能力的關鍵環節和工具。

（三）? 教材轉型的迫切需要

我校現有的電磁類課程教材由于教學內容跨度時間長，課程銜接不緊，在培養學生電磁工程實踐能力時，出現了理論與實踐應用脫節現象。此外，課程教學內容涉及了大量抽象概念、復雜的公式推導，課程教學也出現了難教難學的困境。具體表現為：一是面對課程抽象內容和繁雜公式，實踐教學方法單一，學生學習興趣低，自發學習電磁理論的內在動力不足，導致理論學習與實踐應用脫節；二是教學內容陳舊，缺乏電磁工程應用領域的最新研究成果；三是實踐教學中個性化的實驗項目偏少，學生動手鍛煉的機會不足，而且項目實踐的時間偏短，不利于創新能力培養；四是電磁工程應用背景需求定位不準，軟件虛擬仿真支撐偏弱，對于培養學生解決復雜工程問題所需的綜合能力形成了限制。基于上述困難和問題，急需對現有的教材內容體系進行改革和轉型，也是提高人才培養質量的迫切需要。

二? 立體化教材的構建原則

（一）? 堅持教材內容與崗位需求相一致

為了破解電磁類課程難教難學的困境，強化學生工程實踐能力培養，課程配套的教材建設應著眼于理論和實踐的有機融合，突出教材內容的有效性、科學性和前沿性，構建成為多層次的立體化的教材體系。在教材的內容和組織上，要注重邏輯體系和學生的認知規律，遵循“面向需求，源于崗位”的設計思路，按照電磁波從發射、傳播、接收的流程，將各章節的內容有序組織起來，將教材內容模塊體系化，實現教材內容的形象化，打通不同知識點的壁壘，建立多重學習通道和立體的學習空間。

（二）? 堅持數字資源與教學目標相一致

隨著多媒體信息技術的發展，數字資源日趨多樣化。如微課、慕課、多媒體動畫及三維虛擬仿真等，逐漸滲透到課程的教學中。現在的數字教學資源呈現了“亂花漸欲迷人眼”的現象，如何將這些數字資源與教材內容相契合，服務課程的教學目標成為教材建設的關鍵環節。此外，課程教學方法和手段日漸豐富，教學模式呈現多元化趨勢[3]，傳統的課堂教學、線上教學、驗證性試驗、開放試驗和綜合性試驗層出不窮，各層次教學環節中的項目教學法、案例式教學、探究式教學等教學方法交叉運用，使得教材體系建設必須反映教學體系的多維度變化，也應不斷更新完善，與時俱進地適應教學改革，立體化教材的深度構建也迫在眉睫。

（三）? 堅持新工科建設與創新相一致

為了適應新工科專業建設，立體化教材應堅持繼承與創新相一致的原則。過去出版教材的內容應有選擇地繼承和吸收，并對新教材進行創新。教材建設可以在四個維度展開：一是主干教材建設。主干教材的課程知識的載體，是學生學習不可或缺的工具。二是實驗教材建設。實驗教材是學生提升實踐能力的重要手段，學生通過實驗教材有步驟、有計劃地實現理論與實際聯系，推動學生動手能力的提升。三是課后學習指導書建設。教學指導書是主干教材的補充，對于學生課后消化學習的內容具有重要作用，在答疑解惑中具有不可替代的作用。四是課程的資源庫建設。要充分發揮線上教學靈活多變的特點，通過線上資源庫建設和推送，促進學生線上與線下教學優勢互補。

（四）? 堅持表現形式與技術手段發展相一致

在線上和線下混合式教學模式的普及下，許多學生已經習慣電子閱讀和信息技術環境，傳統單一的紙質教材，已經不能適應現在教學模式的需要，新的教學理念、方法和手段已經發生了很大變化。編寫紙質教材，制作多媒體課件，利用各種網絡教學平臺，通過手機終端、PAD平板，通過掃描書中的二維碼、微課和慕課，為學生帶來極大方便。學生可以進行碎片化、移動化的學習。此外隨著元宇宙技術的發展，VR、AR等技術的落地，虛擬現實技術將教材內容展示出來，將為學生帶來新的體驗，也讓復雜的電磁理論、概念形象化，從而為學生營造一個積極的學習環境和立體化資源庫，也為傳統的紙質教材帶來生機和活力。

三? 立體化教材構建的方法與途徑

教材建設應是繼承與創新的統一。過去20多年來，課程教材建設取得了一系列的建設成果，上世紀80年代編寫的教材《電磁場理論》，成為國內最為經典的教材，教材內容詳略得當，電磁場問題分析透徹，論證嚴密。上世紀末到本世紀初，為適應學生多層次培養需要，相繼出版了一系列教材，主要立足學員“寬口徑”的崗位需要。近些年，教學團隊在繼承傳統教材優點的基礎上，對傳統的教材內容進行優化融合，重新編寫了主干教材，并配套教輔材料，建設線上媒體教學資源庫等，初步形成了體系化的教材框架體系，先后自編出版電磁類教材三部，在清華大學出版社出版《電磁波與天線》教材一部。隨著新工科通信工程專業建設的新要求，教材需要面向電磁技術領域前沿熱點問題，引入電磁工程案例，體現科學性和前沿性，增強電磁領域的針對性和實效性，推動學生將理論知識轉化為解決復雜電磁工程問題的能力。現有的教材體系建設雖然取得一定成效，仍然不能滿足現今新工科發展的要求，還需在主干教材、學習指導書、實驗教材和媒體資源庫等方面加強建設和優化。

（一）? 優化主干教材內容體系

主干教材是教材建設的核心。教材內容的組織結構、知識點、技術熱點、實用性和針對性是教材編寫優先考慮的重點，教材內容體系力求具備系統性、科學性、基礎性和前瞻性[4]。優化的主干教材內容包括四大模塊：電磁場理論基礎、工程應用基礎、天線技術應用及前沿技術，教材面向電磁工程領域前沿熱點問題，具有如下特點：一是教材內容體系按照“強化基礎理論，突出應用特色，加大信息含量，注重實踐環節”的思路，由淺入深地系統設計教材的教學內容，突出學生電磁工程能力的培養，確保教材的系統性、科學性和基礎性；二是精簡靜態電磁場的內容，突出時變電磁波的傳播規律，強化天線技術應用和電波傳播新知識，聚焦理論與實際相結合案例，確保教材的實用性和針對性；三是優化電磁工程基礎內容，強化教材技術新熱點、新知識和前沿技術的引入，突出新型傳輸線與元件、天線新技術等內容的介紹，確保教材的前瞻性；四是淡化電磁理論抽象概念及公式的推導，強調其物理意義和實際應用，注重理論聯系實際，確保教材的可讀性和受眾面。

（二）? 編寫特色鮮明的教學指導書

配套教輔材料主要是指教學指導書和課后習題解答等，以輔助課堂教學，方便學生吸收消化課堂所學知識。當前的教輔材料主要內容包括各章節知識要點和典型例題，由于例題公式推導多，物理意義講解少，學生對電磁工程問題往往無從下手，不能做到舉一反三。為此，課程組對電磁類課程配套的教學指導書及習題解答著重從以下幾個方面做了改進：一是內容進行梳理和提煉。按章節內容梳理重要知識點內容并講解其物理意義，對難點內容進行提煉和分析，教學指導更有針對性，以便學生理解電磁工程應用中的問題；二是習題進行了分類和優化。針對各知識點內容，設置判斷題、選擇題、填空題、簡答題及計算題等不同類型的題目，并區分出難、中、易三個層次，讓不同層次的學生有針對性的訓練；三是題目解答進行了步驟說明。為了便于學生盡快查找問題所在，課后習題配有詳細的解題步驟和說明，以便學生加深對電磁工程理論的消化和吸收，也利于學生自主學習。

（三）? 配套分層遞進的實驗指導書

實驗對于提升學生的電磁工程問題的實踐能力提高具有重要作用，也是理論聯系實際的橋梁。傳統的課程是課堂教學和實驗分離，主干教材和實驗指導書相互獨立，在培養學生工程實踐能力方面存在缺陷，主要表現在實驗指導書中的實驗目的、原理、方法、步驟過于繁雜，詳略不夠得當，學生容易產生畏難情緒；沒有充分挖掘新設備和新儀表的功能，制約了教學效果；沒有突出主干教材的核心知識內容，實踐技能和數據處理方法過于老套，對學生后續的課程學習和實踐應用提升不大。

在新編實驗指導書時，針對教學中的重點內容，設置分層遞進的15項實驗項目，覆蓋電磁波在發射、傳播及接收功能，貫通整個知識體系，豐富學生的工程知識及實踐應用儲備。一是把基礎實驗內容放在首位，強調實驗的基本操作和基本規范，讓學生養成良好習慣；二是拓展實驗項目內容，開始基礎實驗、設計性實驗和綜合性實驗，開拓學生的視野，啟發學生的思路；三是增加新技術和搭建電磁仿真平臺，對電磁波的傳播、天線的輻射和接收功能進行系統驗證，強化學生對實驗系統的感性認識和理性分析。

通過電磁類課程實驗教材的編寫，使得實驗課程讓學生在電磁波發射、傳播和接收的基本原理、實驗技能和性能分析上，得到系統的實踐鍛煉，既為學生的后續課程的學習奠定廣泛堅實的基礎，又提高了學生的動手能力，更為學生參加以后科學研究、技術應用提供實踐動力，進一步激發了學生的學習興趣和求知欲。

（四）? 完善多維度媒體資源建設

隨著網絡技術的發展，傳統課程教學模式發生較大轉變，基于線上的混合式教學模式的運用[5]，改變了傳統課堂教學模式，提供了更方便、快捷并富有個性化的交流途徑和方法，對于改變學生的學習方式，提高課堂教學質量具有重要意義。電磁類課程傳統紙質教材已經不能滿足學生學習的需求，需要有豐富多維度的媒體資源作為紙質教材的補充。

1? 多媒體課件

課堂現有的主要教學工具之一就是多媒體課件，不僅服務于教師授課，也可以服務于學生預習和復習，提高學生的學習效率。同時多媒體課件應實現圖文并茂。電磁類課程教學內容抽象，公式較多，可以借助圖形、圖像、動畫和聲音等形象手段，充分發揮學生各個感覺器官的作用，多方位吸引學生注意力和興趣，使學生在生動的環境中接受和掌握知識，有助于提高課堂教學效果和課堂學習效率。除此之外還可以采用電磁模擬仿真軟件等，增強電磁輻射特性的直觀效應。在實電磁場的基本方程及電磁波的傳播特性章節內容中，為了讓學生更易理解抽象內容，任課教師可采用HFSS和Matlab軟件對多媒體課件內容進行了補充和完善，以便學生更易消化重難點知識內容。

2? 課程教案

教案是教師教學的總體設計，是實施教學任務的具體方案和主要依據。教案必須要反映教師的教學思路、重難點知識、教學方法、教學體會等要素。課程組以主干教材為依據，對教案中的電磁場與天線內容進行合理分配，突出重點內容，分散難點內容，由淺入深，由簡入繁講解教學內容。尤其是在每次課堂教學后，在教案的最后增加了教師手寫的心得體會，并對后面課程的教學進行重新設計和調整，提高課堂的教學效果。為了加強教師的教學能力和水平，在教案中增加了知識目標、能力目標和素質目標等環節要素，此外為了體現教學過程的有序銜接，教案也增加了教學方法和步驟等內容。

3? 網上視頻公開課

隨著混合式教學模式的推廣，線下和線上教學相結合，各種網絡教學平臺的應用，增加了教學的靈活性和便捷性。由于網上教學平臺廣泛使用，紙質教材向電子化的轉換日趨明顯。教學組依據主干教材內容，采用釘釘、騰訊會議、雨課堂等線上教學平臺，錄制視頻公開課，詳細講解電磁場理論基礎部分內容，定量分析了大量的典型問題，以補充線下課堂面對面教學的不足，豐富學生線上學習內容。此外，制作的視頻公開課針對學生時間的差異，上傳到網盤上，學生可以不定期地，利用網上視頻資源，隨時隨地接入學習。由于典型問題分析視頻公開課時間較長，按照兩個學時錄制一堂課，其內容講解深入，解題步驟詳細，充分滿足了學生的學習需求，為學生自主學習提供便利條件。

4? 微課

微課是指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。微課時間短，通常只有10分鐘左右的時間，主要針對課程的重難點知識。在電磁類課程體系中，由于概念抽象，重難點知識多，理論性極強的特點，學生學習消化有困難，動力不足。將電磁類課程的重難點知識以微課的形式呈現給學生，充分體現微課的時間短、內容少、主體突出等優點。在電磁類課程的微課中，圍繞電磁場理論基礎、工程基礎和天線應用三個模塊，引入了磁電偶極子、5G天線及人工電磁結構天線等內容，充分落實“學生為中心、產出導向、持續改進”的工程教育理念，課程錄制了近40次的微課，培養學生的電磁工程實踐能力，提升學生分析天饋線系統工程問題的能力。

5? 虛擬仿真程序

虛擬仿真程序在消化抽象概念和分析具體問題時具有獨特作用。在主干教材之外，為課程配套虛擬仿真程序和源程序必不可少。電磁類課程內容抽象難懂，對于電場和磁場矢量在空間的變化，需要采用梯度、散度和旋度進行描述，編寫虛擬仿真程序是解決這些抽象概念的有效措施。課程配套的虛擬仿真程序可以采用Matlab、HFSS及ADS軟件等，其中Matlab在描述數學模型具有獨特作用，可以通過Matlab編寫的源程序形象展示具有完整解析式的抽象概念問題；而用HFSS軟件可以采用有限元方法分析電磁工程問題的三維空間模型，給出具體電磁輻射體的三維方向圖、增益等內容；采用ADS軟件可以從電路理論的角度分析射頻電路，減輕了理論設計的難度。此外，在虛擬仿真的基礎上，搭建小型化電磁場演示儀，以實物形態演示虛擬仿真的結果，讓“抽象難懂”的理論問題變得具體化和形象化，有效推動學生理解和掌握電磁波從發射、傳播到接收的全系統的知識，提高了在電磁工程方面的實踐創新能力。

四? 結束語

在新工科背景下，電磁類課程立體化教材建設是一個長期過程，教材體系的各部分內容相輔相成、互為補充，構成一個整體，成為教師與學生緊密聯系的“橋梁”。教材體系的改革目標不僅使學生掌握牢固的理論知識，更重要的是提高學生工程應用能力，隨著信息技術的發展，立體化教材也將呈現出形式多樣的特征，電磁工程的工程應用能力培養也將更容易被學生接受。

參考文獻：

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[5] 劉璇，李慶軍，張莉君，等.轉型及專業認證背景下制造課程群實踐教學與教材建設改革[J].教育現代化，2019（3）：199-121.