“电磁场与电磁波”的信息化教学研究与实践＊

蔡 洋，曹玉凡，张宝玲，吴 涛，李冠霖，李平辉，李 森

（1.航天工程大学，北京 101416；2.陆军工程大学，江苏 南京 210001）

“电磁场与电磁波”是电子电气工程相关专业的专业基础课，通过学习掌握电磁基本理论及其应用背景，搭建通往后续专业课的必经桥梁[1-3]。根据这一定位，本校测控工程、雷达工程等共计5个专业的本科学员于大二下学期开设了本门课程。处于当前阶段的本科学员已经完成了“高等数学”“大学物理”“电路分析”课程的学习，即将进入三年级开始“微波技术与天线”“航天无线电测量技术”“雷达信号处理基础”等专业课的系统学习，本门课程是实现基础课程与专业课程无缝衔接的必要条件之一，为降低专业课程的学习门槛提供重要的支撑。

经过梳理分析，本门课程表现出以下3个突出的特点：①电场磁场和电磁波的第一个特点就是看不见摸不着，需要学员们具备强大的抽象思维和空间想象能力；②“电磁场与电磁波”的学习需要以高等数学和大学物理中的相应内容为基础，包括多元函数微积分、振动与波等，而这些内容本身大部分又是其相应课程的教学难点，因此第二个特点就是数理基础要求高；③经过梳理发现要学习的知识点近300个，重要概念近100个，而这些知识点和概念又与抽象的思维和数理基础密不可分，因此第三个特点就是知识点多，概念易模糊。

这三个特点集中起来就表现为一个字——难！对于教员来说非常难教，对于学员来说非常难学。为了解决面临的教学难点，实现知识结构、能力素养以及情感价值3个方面的教学目标，需要以充分了解学生的基本情况即学情为中心，以教学内容为基础，以信息化条件、信息化手段为依托设计合理的教学方法。

1 课程设计

1.1 课程主线

以课程教材为基础，以教学大纲为指导，设计了一条主线清晰的教学内容，内容的核心是麦克斯韦方程组，而矢量分析和静态场的规律是理解和推导方程组的必要数理基础。基于方程组能够推出相应的波动方程进而研究电磁波到底是如何传播、反射和折射的。因此教学主线就是要阐述麦克斯韦方程组的来龙去脉[4]。在主线的贯穿下，课程共设置72个学时，其中理论讲授60学时，实验操作12学时。

1.2 学情分析

获得学情的来源主要有3种：基础课成绩统计、教学联席会和集中座谈。经过总结分析，学员特点可概括为如图1所示的几个方面。

图1 学员学情对比

学员基本情况可以分为2个方面：个性特点和知识能力。其中在个性特点方面，尽管“00后”一代普遍活泼开朗，善于表达，但是自尊心强、抗压能力弱导致他们在课堂上遇到难点和困惑的地方不愿意表达出来，对学习的抵触情绪会不断加强，特别是本门课程中难点问题不断出现，这一特点尤其要引起重视。同时在知识能力方面，如图2所示，经过统计成绩发现，学员的数理基础参差不齐，相当一部分学员在关键数理基础上还有所欠缺。以上学员特点是设计教学方法的重要参考。

图2 基础课成绩分析

2 教学方法

行动为基，理念先行。理念是行动的先导，教育理念更是这样。意大利教育家玛利亚·蒙台梭利提出过这样一个教育理念：“Tell me and I will forget，show me and I might remember，involve me and I will understand”。根据这一教育理念，如果让学生真正的参与教学，那学生就会彻底明白。这一个理念与中国荀子的观念不谋而合：“不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之。学至于行之而止矣。行之，明也”。总结来看，他们理念的核心都是充分发挥学生的主体地位，让学生亲身参与教学活动。在这个理念的指导下，在教学过程中笔者们努力构建以学员为中心、全员高效参与的“信息化电磁课堂”[5]。

合理的教法设计是践行这个目标的保证。笔者们以教学目标为引领，以课程内容为基础，以学员学情为主体来设计教学方法。针对教学重点、难点问题，采用不同的教学方法，教学方法总结如图3所示，在整个教学过程中，将课程思政贯穿教学过程始终，润物无声，立德树人。

图3 教学方法总结

2.1 演示教学法

电磁场与电磁波看不见摸不着，这是学习本门课程的天然障碍，为了尽可能消除这一障碍，运用了演示教学法。通常情况下利用计算机仿真（比如MATLAB仿真等）将抽象的概念以三维动画的形式进行展示[6]，如极化的旋向、电磁波的衰减等。对于相对重要、抽象的概念可以进一步通过增强现实（Augmented Reality，AR）动画，将看不见的场波展示在学员周围，增加他们的交互体验[7]。AR动画技术能够真正将场、波以三维动画的方式进行展示，学员们能够从不同角度进行观察和理解，如图4所示，对于理想介质中的均匀平面波，它是电磁波部分最为基础也是最为重要的一讲，对于这一概念及其相应电磁波分布的深刻理解尤为重要。通过制作成手机程序，学员们可以安装到手机、平板等终端，随时随地扫描程序设定的触发图案，即可展示三维的动画过程，通过从不同角度观察动画过程，能够非常直观地理解电磁波中的电磁场相位、幅度以及方向的关系，从而打牢后续学习的基础。通过这种教学方法，可以实现从抽象的理论到具象的转变，为他们理解更为实际的抽象问题提供想象的基础。

图4 利用AR动画技术多角度观察电磁波分布

2.2 混合式教学法

数理基础要求高是学习本门课程的最大障碍，特别是课上短时间内完成对复杂公式推导的理解和掌握对于基础薄弱的同学来说非常困难，因此课前发布与课程密切相关的物理定律、数学公式推导的微课视频，充分利用他们的碎片化时间进行学习[8]，同时他们也能够通过微信、钉钉等方式与同学、教员进行实时互动、答疑，解决数理基础中的难点问题，使他们在课堂上能够高效地理解重要的物理概念，从而构建完整的电磁知识体系；通过利用问卷星、群投票等方式收集学员在线上学习过程中仍存在的难点问题，在课上教学过程中，针对线上内容进行要点回顾和提炼，对普遍存在困难的知识点进一步通过板书推导等方式进行重点讲解。为了确保线上学习的有效性，采用了问卷普查、重点抽查、考核量化等方式。

2.3 实验教学法

以上教学方法的使用是为了调动学员们在思想上参与的积极性，为了让学员真正感受到无处不在的电磁场和电磁波，设计了与理论课程密切相关的实验课[9]。2019年本校新建设完成了电磁场与微波实验室，如图5所示，用于开展“电磁场与电磁波”“微波技术与天线”等课程的实验教学过程。基于实验室信息管理系统，学员根据课程学习需要，可以在相应终端预约实验时间和相关的实验器材，系统可以高效地、灵活地进行实验室日常事务管理和实验教学管理，系统简化了实验室管理程序，有效提高学员开展实验的便利性，使仪器设备、实验资源得到了充分利用。在实验室中，通过电磁场与电磁波智能平台，如图6所示，学员能够开展电磁感应、电磁波极化、驻波特性等实验内容，实验结果在信息系统上同步展示，加强信息的透明度和及时性，便于学员对结果的分析和对比，加深对实验内容的理解。

图5 基于信息化管理系统的电磁场与微波实验室

图6 电磁场电磁波智能平台

2.4 课程考核

为了配合上述教学方法的实施，设计了4个方面的考核内容，如图7所示，包括期末考试、课堂表现、平时作业以及实验操作等，其中实验操作和期末考试中的线上教学比例不少于20%，从而形成多元化、差异化的评价机制，有助于创新人才的培养。

图7 多元化的课程考核机制

3 结束语

针对“电磁场与电磁波”课程教学过程中的传统难点问题，研究了信息化条件下如何有效提高学员参与积极性的教学方法，重点阐述了演示教学法、混合式教学以及实验教学法在“电磁场与电磁波”课程中的实践过程，同时制定了配合教学方法的四位一体课程考核内容，有助于促使教学质量的提升和学员参与学习主动性的激发，为后续专业课程的学习以及实际工作打下坚实的基础。