電磁場與電磁波課程教學質量提升方法研究

摘" 要" 電磁場與電磁波課程在培養電子信息技術專業人才中發揮著重要的作用，但因知識點多，物理模型抽象，運用的數學知識多，使其難“教”、難“學”，需采用多元教學方法。通過分析思政元素的注入，線上和線下教學相結合，實驗HFSS仿真，案例教學，板書和多媒體技術相結合及思維導圖等多種教學方法在課程教學中的應用，探索提高教學質量的有效方法。

關鍵詞" 電磁場與電磁波；課程思政；多媒體；思維導圖

中圖分類號：G642.0" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）09-00-04

0" 引言

隨著移動手機、藍牙技術和無線寬帶技術的日漸普及，無線通信技術對人們的生活和生產方式產生越來越大的影響。而技術的應用和進步則依賴人類對電磁場與電磁波的認識和開發。為滿足社會對電磁場與電磁波專業人才的需求，各大高校競相開展了對電子信息專業人才的培養。電磁場與電磁波作為研究宏觀電磁場與電磁波基本屬性、普遍規律及其應用的課程，成為本科電子信息類專業必開的專業基礎課，是后續微波技術與天線、無線通信、光纖通信等課程的先修課程。由于電磁場與電磁波具有看不見、摸不著，空間分布復雜，理論模型抽象的特點，其物理定律和客觀存在性都依賴數學語言的描述，矢量分析和微分方程貫穿整個課程。因此，電磁場與電磁波雖被列為電子信息類專業的專業基礎課，但其“教”和“學”歷來都是難點，對其教學方法的研究也是國內外各大高校的重點[1-5]。

本文對各種教學方法進行探討和總結，找出適合筆者所在學校校情的最優教學方法，提高教學的質量和效率，并為其他從事電磁場與電磁波教學的教師提供參考。

1" 教學質量提升方法

1.1" 思政元素切入，從內激勵學生的學習熱情和學習興趣

課程思政是一種教育教學理念，是教師在教學過程中，把能喚醒學生學習動機和學習興趣的元素“無聲”地融入課程教學，促使學生建立起正確的世界觀、人生觀和價值觀，發展出優秀的做人做事的素養和品格[6]。而大學階段正是一個人心理發展的黃金時期，良好的激勵可鞏固其正確的人生觀和價值觀的形成，促使其道德修養和精神境界升華[7]。電磁場與電磁波中有很多可切入的思政元素點。自從庫侖提出電和磁有本質上的區別以來，很少有人再會去考慮它們之間的聯系。而安培和畢奧等物理學家認為電和磁不會有任何聯系。可是奧斯特一直相信電、磁、光、熱等現象相互存在內在的聯系，經過不懈的實驗，終于在1820年通過實驗發現了電流的磁現象。此例體現了“不迷信，不盲從”，勇于嘗試的精神。而“電學之父”和“交流電之父”法拉第出生于貧困的鐵匠家庭，只上過兩年小學，但他勤奮好學，不放過任何一個學習的機會，積極參加各種學術活動，努力工作，重視實踐，終在1831年發現了電磁感應定律，并根據這個定律，發明了人類歷史上第一個發電機。而他的成就也不僅于此，他還是電場、磁場的提出者，引入電場線和磁場線解釋電和磁現象，“磁光現象”的發現者。此例體現了“英雄不問出身”，勤奮好學，不懈努力可突破出身的限制，使個人在某些領域獲得很高的成就，可激勵學生自強不息，勤奮刻苦，堅定不移地朝目標努力。微波爐的加熱原理、微波中繼站的架設、極化在增加通信容量中的應用，雷達隱身的實現，磁卡的消磁現象，飛機上禁用手機，潛水艇不能采用微波通信等日常生活中常見現象的穿插，可以使學生發現抽象的電磁場其實與日常生活密切相關，從而激發學生的學習興趣和學習熱情。

1.2" 線上+線下混合教學，有效應對疫情，停課不停學

線下教學是傳統的教學模式，學生和教師集中在學校里，教師在授課的同時觀察學生的接受情況，實時調整教學的進度，同時督促開小差的學生，引導學生往正確的方向發展。并且學生可以使用學校的儀器和設備，通過實驗的現象和數據，加深對理論知識的理解。“言傳身教”是線下教學的一個重要的特點。線上教學是教師和學生在網絡平臺上進行的教學活動。新冠疫情暴發后，教育部提出“停課不停教，不停學”的要求，加速了在線教學在全國的推廣。目前在線教學主要的教學模式有“直播+在線互動”和“錄播+在線互動”兩種；教學平臺有中國大學MOOC、愛課程、超星等各類教學資源平臺及釘釘、騰訊等技術服務平臺。線上教學能跨越時空組織教學活動，教學資源豐富，教學時間靈活，能很好地應對因疫情或其他因素導致的“停課、停學”的狀況，保證了教學的連續性。線上教學最大的挑戰是如何保證學生的學習投入問題。布盧姆等指出學生花在積極學習上的時間不能少于需要的時間才能掌握某門學科[8]。而學習投入的時間往往受到學習氛圍的制約。線下學習受老師和同學的監督，學生更容易集中精力。線上學習缺乏與老師和同學的互動，經常出現老師在直播，學生把視頻打開后，便做其他的事情去了；隔著屏幕，教師無法從學生的眼神和表情判斷學生是否與自己同步，只能機械地講完課前準備的內容，這種情況也是導致學生容易分神的主要原因。

盡管在線教學最初是為避免因疫情導致的大規模的長時間的停教、停學而推廣的教學方式，但三年的時間也讓人們看到了它的先天優勢和在教學中的積極作用，有著傳統的線下教學不具備的時間和空間上的靈活機動、可重復觀看的優勢。因此，在后疫情時代，更應考慮如何把線下線上教學有機結合在一起，根據每門課程的特點，合理劃分線上和線下的教學時間和知識點。

1.3" 理論教學和實驗仿真相結合

由于自身經濟條件的限制，大部分學校都只能開設電磁場與電磁波這門課程的理論教學，而無法開設課程的實驗教學，導致學生覺得該課程學無所用；且由于場的抽象性，很多學生很難在腦海中構建場的模型，而導致學習興趣的喪失。為此，可將計算機仿真引入到該課程的教學中，實現可視化教學。如將Matlab引入動態模擬電磁波的傳播和輻射等特性；用Ansoft HFSS仿真設計對稱振子天線，可直觀地看到所仿真天線所發射的電磁場在空間分布的情況，從而能更好地理解天線方向的含義和重要的作用。圖1給出了對稱陣子天線的3D方向增益圖，信號頻率為28 GHz。相對于制作實物天線，在仿真中很容易調節振子長度，從而很容易看到振子長度的變化對天線各項參數的影響。用仿真的方法可以找出針對某一信號頻率的天線的最佳長度，避免了直接試驗的經濟和時間的浪費。因此，仿真教學的引入也可進一步提高學生的科學素養，為進一步的研究和學習打下基礎。

1.4" 案例教學法

案例教學法是啟發學生思考，激發學生探索，培養學生分析能力的有效方法。電磁場與電磁波是一門與現實聯系非常緊密的課程，在生活中可以找到許多案例。如移動手機中天線的發展大致經歷了外置天線、內置天線、金屬邊框、MIMO天線、毫米波天線。以摩托羅拉為代表的1G模擬機使用外置的單極螺旋型天線；諾基亞設計的直板手機Nokia 3210中采用的天線為更典型的內置天線；iPhone4獨具匠心地將手機天線和位于手機厚度方向中間的邊框整合在一起；5G手機使用毫米波，采用MIMO多天線和波束賦形來解決毫米波的衰減問題。

從手機的外形（圖2），很容易看到其天線的變化，引導學生思考天線長度和信號頻率之間的關系，進一步引導學生從手機的發展去思考通信技術的發展及通信技術的未來。微波爐是生活中常見的家用電器，它對不同物質的加熱效果的差異可以作為講解極化的案例，同時其金屬外殼可作為電磁屏蔽的案例，其前玻璃門上加貼金屬網可作為電磁波的波動性的案例。把電磁波在生活中的應用案例引入課堂教學，可最大限度地激起學生學習的興趣，同時通過這些例子的引入，也可引導學生用知識了解生活、破除迷信，如“微波爐加熱的食物致癌”等。

1.5" 板書與多媒體教學相結合

多媒體教育技術是集聲音、文字、圖像、音頻、動畫等多種功能于一體的技術，其主要目的是保障教學質量，提高教學效果[9]。

隨著計算機和網絡技術的發展，多媒體教學技術在學校教育中越來越受追捧。在裝備了電腦和投影的學校，下至幼兒園和小學教育，上至大學本科教育，都要求教師在教學中采用多媒體教育技術，甚至在教學評價中把是否使用先進的多媒體教學方式作為評價的一項指標。為了達到這項指標，不管是中小學教師還是大學教師，在上課時都不得不采用多媒體教學，而放棄傳統的板書。誠然，多媒體教育技術有著信息多維，資源豐富、應用便捷、可重復播放等優點，但其帶來的負面影響也非常大。如在小學低年級階段語文教學中過度使用多媒體教學，直接導致兒童書寫潦草、混亂。即使是在大學本科教育中，在講解復雜公式推導中完全通過講解課前完成的PPT，也會導致速度過快或過慢，導致學生思維跟不上或停頓導致喪失學習的興趣。多媒體教學有著信息泛化，弱化教師教學能力，減少師生交流，降低教師“導師”作用等缺點。相反在使用傳統板書教學時，往往教師進行板書的同時學生也在做筆記；教師在講解的過程中通過眼神和語言的交流，了解學生的理解程度，從而及時調整教學的進度和重點。所以多媒體教學和板書教學不是一個替代和被替代的問題，而是應該如何讓兩者有機結合相輔相成的問題。

電磁場與電磁波課程現在面臨的一個尖銳問題是日益縮短的教學學時，但教學內容沒多大調整，為此引入多媒體教學是完全必要的。但其物理定律和典型例題的講解又不能完全依賴PPT講解，須引入板書教學，適當放慢教學的進度，使學生來得及理解和接受教師所教的知識。例如，在靜電場的教學中，庫侖定律的學習可使用多媒體教學，由庫侖定律引出電場強度的定義可采用板書，而電力線的分布又可使用多媒體教學。講解高斯定律的應用時，從點電荷過渡到電荷球體分布，再過渡到電荷球殼分布，整個講解過程使用板書講解，可使學生掌握電荷球狀分布時的高斯面的確定和定律的數學式的物理意義；同時使用PPT展示模型和求解的結果，可使學生得出電荷不同分布時電場分布的異同。

1.6" 思維導圖法

思維導圖法是將各級主題的關系與相互隸屬的層次關系用圖文形式表達的思維工具，使一種將思考方式圖示化的輔助工具，它作為一種先進的教學工具已被國內外學者應用于多個領域[10-13]。電磁場與電磁波涉及的知識點多但體系嚴謹，前后聯系緊密。這個特點使其特別適合在章節和課程總結時采用思維導圖法進行歸納，可使學生一目了然地發現知識點間的前后聯系，加深對課程的理解和記憶。課程總思維導圖如圖3所示。而靜電場、恒定電流場、恒定磁場、自由空間中的電磁和導行電磁波又可在相應內容的學習結束后進一步畫對應的思維導圖，并輔之適當的習題，可使章節的學習取得良好的效果。

2" 結束語

電磁場與電磁波是大學本科電子信息專業的專業基礎課，具有數學知識多，內容抽象，理論性強的特點，因此，在教學中更應采用多元教學的方法。本文探討了引入課程思政元素激勵學生的學習興趣和動機；采用線上和線下教學靈活利用課余時間又保證課堂的互動和教師對學生及學生與學生之間的相互監督，增加學生學習的投入；采用實驗仿真使抽象的場可視化；采用案例教學使理論的學習和實際的應用相結合，提升學生對身邊科技的理解提升學習的動力；采用板書和多媒體技術相結合，充分考慮學生接受新知識的速度，又可使課堂生動活潑；采用思維導圖法完整展示了分立的知識點之間的關聯，促進學生對學科的認識和掌握。將這六種教學方法靈活應用在實際的教學活動中，可改善課程難“教”、難“學”的現狀。

3" 參考文獻

[1] Mohammed O ， Minev D ， Castro J ，et al.An interactive real-time electromagnetic field analysis system for educational purposes[J].IEEE Xplore， 2000.

[2]孫衍賓.電磁場教學中科學思維能力的培養[J].濰坊學院學報，2004（2）：133-134.

[3] Mukhopadhyay S C. Teaching electromagnetics at the undergraduate level： a comprehensive approach [J]. European Journal of Physics， 2006（27）：727-742.

[4]左韜.電磁場與電磁波教學方法研究[J].科技信息，2010（10）：140-141.

[5]吳明贊.“工程電磁場”課程的專題研究型教學模式[J].電氣電子教學學報，2011，33（3）：8-10.

[6]何玉海.關于“課程思政”的本質內涵與實現路徑的探索[J].思想理論教育導刊，2019（10）：130-134.

[7]霍雅玲.素質及培養模式的特征與教學改革[J].高等工程教育研究，1999（S1）：56-59，78.

[8]吳凡，陳詩敏，趙澤寧.大學生學習投入、學習時間及學習效果的比較研究：基于F省高校大學生線上線下學習經驗調查[J].中國高教研究，2022（10）：22-27，34.

[9]何克抗.多媒體教育應用的重大意義及發展趨勢[J].現代遠距離教育，1997（1）：7-12.

[10]黃婷，嚴達，莊桂敏.思維導圖有效性的實證研究：基于高等數學成績的調查分析[J].科技資訊，2018，16（20）：184-188.

[11] Sesanelvira ADIM，Mulyono Si，Sukihananto. Improving Food Safety Behavior through Mind Map Methods in School-Age Children [J]. Comperhensive Pediatric Nursing， 2019（42）：97-107.

[12] Russell Matthew L，Carr Anne H，Kieran Kathleen. Using Mind Mapping in Family Meetings to Support Shared Decision Making with Pediatric and Geriatric Patients [J]. The patient， 2020（2）：102-107.

[13]黃玲玲.思維導圖模式在大學數學教學中的應用研究[J].佳木斯職業學院學報，2021，37（1）：91-92.