李雪萍　張瑜

摘 要：本文針對目前高校電磁場與電磁波課程教學中存在的學生興趣不高、知識掌握不牢固等現(xiàn)狀，分析了電磁場與電磁波課程的特點和傳統(tǒng)教學方法的不足，并根據(jù)CDIO工程教育模式思想，從整合教學內容、豐富教學方法、訓練工程實踐能力等方面對該課程教學進行了改革探討。新的課程教學模式不僅可以提高學生學習興趣，而且通過“學中做”和“做中學”的教學過程，使得學生的綜合素質和工程實踐能力得到顯著提高，同時也培養(yǎng)了其創(chuàng)新性思維和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：CDIO；電磁場與電磁波；課程教學；教學改革

在高校電子信息工程、通信工程、電磁場與微波技術等工科專業(yè)中，電磁場與電磁波課程是一門重要的專業(yè)基礎課程之一。由于該課程不僅理論性強，涵蓋內容多，知識跨度大，具有大量繁雜的數(shù)學公式推導，而且電磁場與電磁波又看不見、摸不著，直觀性很差，因此使得該課程成為相對較難的課程之一。學生在學習該課程時往往會感到枯燥乏味，失去學習興趣，進而影響對所學知識的掌握。另外，目前大多數(shù)高校的該門課程只有理論課，沒有開設相應的實踐課程；或者即使有的高校開設了實踐課程，但大多數(shù)也只是驗證性實驗或仿真實驗，這與實際應用還有較大的距離。為了提高學生的學習興趣，促使大家很好地掌握本課程的知識，并能將所學知識應用到實際工程中，提高應用知識解決實際問題的能力，需對目前該課程的常規(guī)教學模式進行改革。

要讓學生獲得更豐富知識的同時提升個人能力、人際交往能力、系統(tǒng)和過程的建造能力，即工程素質和能力，目前最好的解決方法是利用麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學組成的跨國研究機構在2000年提出的CDIO工程教育模式，即將構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate）運用到教學的全過程。[1][2]目前我國已有50多所高校進行了不同程度的CDIO教學模式的應用，并取得了良好的成效。[3][4]

本文根據(jù)CDIO工程教育理念，針對高校電磁場與電磁波課程教學中出現(xiàn)的不足，在教學內容的整合、教學方法的改變、實踐能力的培養(yǎng)等方面對該門課程的教學模式進行改革探討。

一、教學內容的合理整合

電磁場與電磁波課程是在大學物理電磁學的基礎上，進一步闡述宏觀電磁場的基本性質、基本規(guī)律和基本分析方法的課程。為了體現(xiàn)CDIO工程教育理念，盡量減少理論課學時，并且增加實踐課學時，使得學生在“學中做”和“做中學”；在學習基礎理論的同時培養(yǎng)工程應用能力，需要對教學內容進行合理整合。

（1）積分形式描述宏觀電磁場理論的內容學生已在大學物理課程中學習過，因此在該課程中只需對電磁場規(guī)律的積分描述形式進行總結和復習，將重點放在用微分形式描述電磁場理論上。

（2）對相關的微波與天線內容盡量簡化，學生只需掌握一般知識即可，即能夠為后續(xù)微波與天線課程學習奠定基礎即可。

（3）目前電磁場與電磁波課程的教材眾多，采用的教學內容安排也不盡相同。大體上主要按由特殊到一般或由一般到特殊的兩種形式進行闡述[5][6]。根據(jù)學生接受能力和循序漸進的思想，采用由特殊到一般的方式可能更適合學生學習，即從靜電場、靜磁場、時變電磁場，最后形成完整的麥克斯韋方程組等方面講授其方法。

（4）為了增強學生的學習興趣，以及培養(yǎng)學生的工程應用能力，盡量采用與工程應用相結合的例題，課后作業(yè)題也需有一定量的可直接解決工程實際問題的習題。

二、教學方式的多樣化

要使得學生對較難學的電磁場與電磁波課程內容有興趣，且能夠較好地掌握相關知識，并能夠將所學知識應用到實際工程中，在教學方式上就應該根據(jù)課程的特點和學習的思維習慣和對知識接受的方式，采取多樣化的教學方式。

1.對比式教學模式

本門課程中的概念和有關公式總是成對出現(xiàn)，在靜態(tài)場中電場與磁場的對應規(guī)律尤為突出，如電場和磁場、庫倫定律和安培力定律、電偶極子和磁偶極子、電位與磁位、電容與電感、靜電能與靜磁能等。盡管它們所處的環(huán)境有所不同，但在表達式上有許多相似之處。因此在靜態(tài)場教學中對這些知識點采用對比方法講授。如在教學中詳細講解電荷產(chǎn)生的電場，電場的有關公式、規(guī)律及其引出的電位、電場能、電場力等。對電流產(chǎn)生的磁場、磁場的有關公式、規(guī)律及其引出的磁位、磁場能、磁場力等，采用對比的方式進行簡要講解。最后，對基本概念、基本規(guī)律和涉及的公式進行總結對比。這樣不僅可以使學生對知識有一個系統(tǒng)的把握，容易理解和記憶有關概念、公式，而且可以提高學生的學習效率，節(jié)省上課學時。

2.啟發(fā)式教學模式

以學生為主體、教師為主導、師生互動的啟發(fā)式教學是引導學生獨立鉆研、全面發(fā)展的一種教學方法。在教學中，將理論問題實際化更能引起學生的自主學習興趣，將疑難問題啟發(fā)化更能激發(fā)學生的求知欲望，將技術問題工程化更能培養(yǎng)學生對知識的應用能力。

（1）通過將生活中的實例與理論知識的結合提出問題，進一步激發(fā)學生的學習興趣。這種教學方法不僅可以啟發(fā)學生的學習動機，激活思維，引導學生積極思考、主動學習，而且也可以使得學生認真學習，勤于思考，用所學知識解決實際問題，以及探索新的相關知識。如在講授法拉第電磁感應定律時，通過設置在自行車上增加一裝置解決本身照明問題的一個題目，不僅使得學生認真學習講授內容，并對內容深刻理解，而且也積極思考，尋求多種方法解決問題。另外伴隨基本概念、基本理論的講授，增加與講授內容相關的實例和應用性例題，可使得學生能夠理論聯(lián)系實際，加深對理論知識的理解和應用，培養(yǎng)學生的工程實踐素質。

（2）設置疑問，啟發(fā)思維。對不易理解的概念、不能正確運用的知識或容易混淆的問題，有意識地讓學生利用已知知識進行大膽分析，從而解決問題。對學生不能解決或解答錯誤的問題要給出正確的結論，并進行詳細的講授，這樣促使學生對知識有更深的理解，最終掌握知識。如在講授位移電流概念時，根據(jù)電路中增加電容器時還有電流連續(xù)的現(xiàn)象，指出恒定電流連續(xù)性方程與電荷守恒定律之間存在的矛盾，讓學生進行分析和解決。隨后采用啟發(fā)式方法引入位移電流的概念，最后形成全電流的思想。

（3）設置與所學知識相關的典型性工程項目，使得技術問題工程化，著重培養(yǎng)學生對所學知識的應用能力和創(chuàng)新能力。學生為解決實際工程問題，必須對所學知識進行綜合應用，這樣，不僅提高了學生的學習興趣，而且也會促使他們想法設法解決實際問題，完成工程項目。

3.多媒體與板書相結合教學模式

實際存在的電磁場與電磁波看不見，摸不著，對它的描述很抽象，不容易被學生接受，繁雜的公式也使得學生感到枯燥無味而失去興趣。因此應采取不同的方式進行教學。對于抽象概念采用多媒體技術進行講授，對于繁雜公式采用板書進行講授。

（1）為了使學生易于理解基本概念和規(guī)律，需通過自制和搜集相關的圖片、視頻、動畫資料等制作形象生動的多媒體課件，使抽象概念形象化，展現(xiàn)出“看得見”的電磁場。這種授課方法不僅可以讓學生在形象化教學中獲得對抽象概念的感性認識，增強學習興趣、求知欲和滿足其好奇心，對所學內容加深理解，而且也可節(jié)省課時，提高效率，增加授課信息量，擴大知識面。

（2）本課程中描述電磁場與電磁波的公式較多，為了促使學生能夠掌握電磁場與電磁波的規(guī)律，需要對有關公式進行詳細推導。如果采用多媒體課件教學，不僅不利于學生進行思考，而且學生也很難跟上教師講課的節(jié)奏，教學效果不理想，因此對公式推導應采用板書形式進行教學。另外，由于課時所限，教師可選擇重要的公式和較難的公式進行推導，對較容易的公式可讓學生自己推導。

4.演練與展望相結合教學模式

通過比較式方法對課堂知識進行小結，讓學生抓住所學知識的重點，對知識有系統(tǒng)的把握。在課堂上選擇有代表性的綜合習題讓學生練習，可以加深學生對所學知識的理解和鞏固。為使所學知識得到實際運用，可以設置一些相關的實際應用項目讓學生課后進行思考和探討。

另外，為了使學生能夠了解本領域的最新知識和發(fā)展方向，激發(fā)學生的創(chuàng)新性思維和對新技術的探索，課程講授中應將本領域國內外的研究現(xiàn)狀、研究熱點和前沿問題介紹給學生，鼓勵學生利用課余時間選擇題目進行針對性研究，將研究成果以專利和論文形式發(fā)表出來，使得前沿問題學術化。

三、工程實踐能力培養(yǎng)

為了培養(yǎng)學生對知識的應用能力、創(chuàng)新能力和整體系統(tǒng)設計能力，以及團隊合作精神，必須加強實踐性教學課程建設。構建以項目為主導的知識、技術和能力培養(yǎng)一體化的實踐課程是實施CDIO工程教育模式的重要環(huán)節(jié)。首先應對沒有實踐課程的高校需要建立較為完備的相關實驗室，已有實驗室的高校對實驗設備進行完善，根據(jù)課時對實驗項目精心選擇，然后采用以項目為驅動的二級項目分級制進行實踐教學。各級項目都要涉及CDIO的構思、設計、實現(xiàn)和運作的整個階段。

1.一級項目著力于本課程知識綜合運用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，培養(yǎng)學生的工程意識和工程分析能力、創(chuàng)新能力

具體方法如下。

（1）在講授理論課的緒論后，由教師給出幾個能夠涵蓋本門課程主要知識并具有實際工程價值的題目讓學生進行思考；在理論課程講授一半時，由學生自行挑選，鼓勵學生自設題目，但是自設題目必須經(jīng)過指導教師的確認，以防止因題目過大，學生不能完成的現(xiàn)象出現(xiàn)。

（2）根據(jù)不同項目的難易程度，學生3～5人組成一個小組共同完成。項目組人員輪流承擔課題負責人，小組成員不僅有各自具體的工作重點，而且對其他人的工作也需要了解，以便共同探討和解決項目中的難題，培養(yǎng)團隊合作精神。

（3）一級項目主要利用課余時間完成，實驗室全天開放，在本課程結束后的一周之內完成。需要提交方案論證報告、設計報告、測試報告、項目樣機等有關材料。在每個階段都需要向指導教師匯報，以便于教師提供針對性指導。

2.二級項目是一級項目的支撐，著力于學生對本課程應具備的基礎能力培養(yǎng)，加深和強化對本課程各階段知識的掌握和應用能力

具體方法如下。

（1）對理論課講授的每個階段都給出一個相關的小題目，讓每個學生在實驗室完成，培養(yǎng)學生對本階段知識的深入掌握和應用。如講授靜電場后，讓學生設計一種靜電除塵器；講授靜磁場后，讓學生一種小型選礦器等。不能按時完成的學生，可利用課余時間到開放實驗室完成。這種情況下指導教師應根據(jù)實際情況及時進行指導，以督促學生完成任務。

（2）對二級項目采用以設計性實驗為主、驗證性實驗為輔、創(chuàng)新性實驗鼓勵的方式進行設置。

（3）項目完成后，學生需要提交設計報告、測試分析報告。某些項目還需要提交實驗樣機。

學生的最終實踐課程成績，指導教師可根據(jù)一、二級項目的完成情況和水平進行綜合評定。通過實踐課程的訓練，不僅可以促使學生加深對所學知識的印象，利用知識解決實際問題的應用能力培養(yǎng)，而且也培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力和團隊合作精神。學生也可對完成的項目進行優(yōu)化，參加全國電子設計大賽、“挑戰(zhàn)杯”大賽等。

四、結語

電磁場與電磁波課程既是相關工科專業(yè)重要的基礎必修課程，又是教師最難教、學生最難學的課程之一。面對抽象的概念、繁雜的公式，要求學生不僅要具有空間幾何想象力，還必須具有扎實的數(shù)學基礎。通過改進常規(guī)教學模式，建立對比、啟發(fā)、多媒體與板書相結合、工程訓練等方式的教學模式，使得抽象概念形象化、理論問題實際化、技術問題工程化、前沿問題學術化。不僅可以提高學生的學習興趣，增強學習的自信心，利于學生深入理解和掌握相關知識，而且還可以促使學生在“學中做”和“做中學”，培養(yǎng)學生的工程素質能力和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)CDIO工程教育的人才培養(yǎng)目標，滿足社會的需要。下一步的工作是根據(jù)該門課程的內容，通過精心設計，優(yōu)化提煉，建立一、二級實踐項目數(shù)據(jù)庫，以便既能增加綜合本課程知識的實際工程題目，又能使學生有更多的興趣選擇。

參考文獻：

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