电磁场与电磁波教学模式改革分析

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1课程现状

电磁场与电磁波课程是安徽三联学院通信工程和电子信息工程2个专业的一门公共专业核心课，还是多个学科的交叉融合点．前修课程有高等数学、大学物理等（见图1），这些课程对本课程的学习起着基础铺垫作用[3]．后续课程有射频通信技术、移动通信技术、光纤通信技术和无线通信技术等，这些课程内都有本课程基础知识的具体应用，为后续课程提供了理论和实践的支撑．1.1课程内容．该课程的理论学时为32学时，主要的教学内容包括：（1）掌握静电场和恒磁场的基本性质和基本方程；（2）要求学生正确理解和掌握麦克斯韦方程在时变场和电磁波基本性质及规律分析中的应用；（3）掌握电磁波在空间中辐射的基本规律；（4）学生能够运用所学的知识对电磁场与电磁波的一般应用问题进行综合分析和简单计算[4]．1.2学情分析．（1）已掌握的基础知识：已经掌握高等数学的基本方法，具备矢量微分运算能力；已经学习了大学物理中电磁学部分，知道电生磁和磁生电的基本知识．（2）学生的特点：对移动教学的学习充满兴趣，易于接受视频、图像信息；自学为主、点串为辅的大学学习模式还没有深入人心．（3）认知结构：对如何解释宏观的电磁现象，也就是产生电场和磁场的源到底有哪些，学生的认识还很模糊，同时对理论的应用还存有疑问．

2混合式教学模式改革思路

2.1结合物理模型的教学．关于梯度和方向导数的关系问题可以引导学生结合自身爬山的经历进行理解，所谓梯度的方向是在给定点处令方向导数的值增加最快的方向[5]；或者说在给定点处朝梯度方向运动，方向导数的值将变化的最剧烈．最大的变化率，也就是斜率等于梯度的模长．如果把方向导数看作爬山，方向导数上的给定点是你站立的位置，那么梯度方向就是向上爬山时最陡峭的地方，梯度垂直方向就是站立点的等高线．在等高线上，梯度总是指向值最大的方向．课上结合攀岩运动的视频进一步讲解梯度和方向导数的概念．课后针对这一问题可以组织讨论和知识拓展：请学生们搜集资料自学关于爬山算法的基本思路和步骤，并用计算机进行仿真．爬山的目的就是要逐步登上山顶，想要到达山顶，每一步应该是向着山顶迈进的，经过一步一个脚印终于到达了山顶，就能真正体会到什么是“会当凌绝顶，一览众山小”的豪迈姿态．当然了也别忘了“山外有山”，也许所登山峰在当地是最高峰，但再高也没有珠穆朗玛峰高．说明了爬山算法的优缺点，爬山算法可以很好地求解局域（当地）极大或极小值，但并不能求解全局（全世界）最大或最小值[6]．2.2课程思政．隔空点灯背后的实验装置：特斯拉线圈，以美籍塞尔维亚裔发明家尼古拉•特斯拉的名字命名的．课堂上请学生以讲座的形式介绍他的生平事迹，主要体现在11次让贤诺贝尔物理学奖的提名，可以看出比科学成就和社会贡献更重要的是应该具备优良的思想品德，“德才兼备、以德为先”．同时特斯拉短短几十年就有700多项发明专利问世，鼓励学生特斯拉为榜样，积极开展大学生创新创业活动，以自身行动响应和投身到新时代中国特色社会主义的伟大实践中来．GPS系统也是一个很好的课程思政案例：通过26年前的银河号事件，我国航天人发现，当时主动权在美国人手中，他们可以决定谁在何时可以使用GPS．为了改变这个局面，我国航天人奋发图强，目前已完成北斗二代卫星导航基本系统．结合这个案例和正在开展的“不忘初心、牢记使命”主题教育活动，激发学生的使命感和爱国热情．2.3案例式教学与科研成果进课堂．雷达系统的实例引入本课内容：二战前夕，飞机成为战场进攻的主角，各国竞相研制一种地面防空预警系统，所以雷达成为整个二战期间电磁场理论应用最活跃的部分．以参与完成的科研项目成果（通信频率监测与指配系统，见图2）分析出发[7]，大规模小范围的通信电台使用需要预先指配信道，否则会造成无线电信号的拥塞，使学生深入理解频率指配的意义，并从系统应用的功能需求，到系统的总体方案设计，再到分系统设计强调工程设计的基本思路，灌输工程理念．其中结合雷达波段的划分方法及命名规则（L，S，X，C，K，Ku，Ka等）课前可布置学生进行线上讨论[8]，课上选取几位学生的回答进行解释（见图3）．2.4学科间的交叉融合．在讲解麦克斯韦方程组的物理意义[9]时，教师课前可安排预习任务分析其特点：并用口诀“三三、六六”进行归纳总结．其中“三三”是指电生磁和磁生电，“六六”是指磁场是无源场和电荷激发电场．随后引导学生从2个不同的角度理解麦克斯韦方程组中背后的哲学思想（横看成岭侧成峰、远近高低各不同），能够透过现象看本质：（1）时变电磁场的电和磁构成一个整体即电磁场，同时又可以相互激发在空间中传播即电磁波，它们之间是对立统一的关系．（2）电（或磁）场的时间变化会转化成磁（或电）场地点的变化，从通信的角度来看，就是用时间换空间，反之亦然．另外一个案例是隔空点灯．由2个问题引入：隔空点灯是真的吗？隔空点坏灯还是真的吗？教学中引入了中国大学MOOC：华中科技大学黄佳庆副教授主讲的通信电子线路片段——隔空点灯实验[10]，并引出隔空点灯背后的实验装置——特斯拉线圈（见图4）．由这一案例布置课后作业（分组任务见图5）——隔空点灯的工作原理和运用高频电子技术课程中的方法分析特斯拉线圈的等效电路（体现了课程之间的交叉融合）．2.5PBL教学．根据课程的知识点和相关应用中的问题，提前公布讲座选题[11]，部分选题见表1．安排分组任务，2人一组进行资料准备，课上合作进行讲座实施翻转课堂．2.6移动智慧教学．依托超星泛雅网络教学平台推广应用多项教学方法，以培养创新思维、提高能力素质、扩大信息量、拓宽知识面为教学目的，综合运用启发式、互动式、探究式、讨论式等多种教学方法．根据课程内容体系重点讲授基本概念、基本原理和方法（技术），采用多种教学形式，提出“自主、互动、探究式”移动智慧教学新模式．该模式紧密结合一平三端资源[12]，打破原有的教学模式，合理运用信息技术、数字资源、教学平台和信息化教学环境．通过充分使用网络教学平台调用资源，教学符号、多媒体、文字、批注等制作教学课件并对课件进行网络存储．学生可通过网络随时调用课件，课件资源也可在一定范围内共建共享，教学效果突出，极大地激发学生的学习兴趣，提高学生的学习效率．其主要特点是：多种现代化教学方法综合，学生素质得到全面提高；实现了被动学习方式向主动学习方式的转变；培养了学生的创新思维能力；突出教学过程中学生的主体意识．

3课程效果综合评价

3.1成绩分析．采用的混合式教学模式改革从2016级相关专业开始试点，以近3期学生（分别为2015级、2016级和2017级电子信息工程专业1班、2班和通信工程专业学生，其中2015级为对照）的卷面成绩和综合成绩进行对比，结果见表2．堂笔记和作业（30%，学生通过拍照的方式上传至线上作业中）和学生讲座（20%）．从结果对比来看，近3年各教学班的成绩稳中有升．3.2学生评价分数．以近3期学生（分别为2015级、2016级和2017级电子信息工程专业1班、2班和通信工程专业学生，其中2015级为对照）的评教得分再次进行对比，结果见表3．评教得分为各年级2个专业的参评学生的总平均分．从结果对比来看，混合式教学的新模式越来越深得人心．3.3阶段性成果．目前混合式教学改革已取得阶段性成果，任课教师依托线上工具开展线上线下混合式教学，取得了一些成绩．本课程的线上资源包括任务点152个、PPT480份、教学短视频871段、文档1200个、试题237道、试卷4套，也已成功申报超星示范教学包，目前引用量为60人次．2019年6月以团队形式参加了校第一届“超星杯”移动教学大赛暨智慧课堂教学创新大赛获一等奖，12月代表学校参加了安徽省应用型高校联盟第三届“超星杯”智慧教学创新大赛获得二等奖．综上所述，经过2年的教学模式改革，虽然已取得初步成效，但还存在线上教学资源和学生实际学习需求如何智能匹配，资源的推送如何智能化，线上线下时间比例如何分配对于提升教学质量更有效等相关问题．

4结语

电磁场与电磁波课程创新实践了线上线下混合式教学新模式，基于超星一平三端运用适当的数字化教学工具，结合学校实际对课程进行改革．安排30%的教学时间实施学生线上自主学习完成线上任务点，与线下课堂教学、实验有机结合开展混合式教学，打造线上课程与线下面授相融合的混合式“金课”．课程教学的创新性体现为：课程知识点的设计紧紧围绕电磁场与电磁波的应用案例，通过对比分析和归纳总结等多种方法探寻公式中所蕴含的物理意义和哲学思想，通过应用案例的分析加强学生分析能力．通过引入金课视频培养学生的观察能力，通过分组任务加强思维能力的锻炼．（1）积极将科研成果引入课堂教学，灌输工程设计的理念和思路，引导学生查找资料完成文献综述．（2）部分教学设计中引入课程思政案例，呈现了多方面的思政元素，力求围绕立德树人贯彻落实“不忘初心、牢记使命”主题教育活动成果．

作者:陆文骏 单位:安徽三联学院