摘要：“電磁場與電磁波”課程是電子通信等專業(yè)的基礎課程之一，該課程概念抽象、公式較多、對數(shù)學知識的依賴性強，是本科教學中公認的、難度較大的課程之一。為提高教學質(zhì)量，提高學生學習“電磁場與電磁波”課程的積極性，本研究提出了充分利用現(xiàn)代化教學設備，開展線上與線下相結(jié)合、本課程與先修課程相結(jié)合、虛擬仿真和實踐教學相結(jié)合、教學與科研相結(jié)合的虛實融合的教學方式。

關鍵詞：電磁場與電磁波；多方位虛實融合教學；教學與科研相結(jié)合

“電磁場與電磁波”課程是電子信息工程、通信工程等專業(yè)的必修課程之一，是研究電場與磁場產(chǎn)生、傳播、相互轉(zhuǎn)換關系的一門學科。電磁場與電磁波在通信、電子、醫(yī)療等領域有著廣泛的應用，學好“電磁場與電磁波”課程是本專業(yè)后續(xù)深入研究的基礎。本課程旨在讓學生掌握電磁場與電磁波的基本原理、掌握分析電磁場與電磁波的方法以及具備應用電磁場與電磁波解決典型電磁問題的能力。

一、 研究背景及意義

新工科背景下，隨著信息技術的快速發(fā)展，各學科之間不斷交叉融合，傳統(tǒng)課程的內(nèi)容很難滿足日益發(fā)展的新技術的要求，亟待進一步更新。“電磁場與電磁波”課程的難點主要表現(xiàn)為公式多、運算難，對數(shù)理知識的依賴性強；信息量大、內(nèi)容繁雜，條理梳理困難；物理現(xiàn)象多、應用門類廣，理論聯(lián)系實際的門檻高；概念多、內(nèi)容抽象，理解難度大；先修課程差異大、內(nèi)容取舍難等。

為了解決以上問題，近年來，各高?！半姶艌雠c電磁波”課程教學工作者都在進行各種教學改革與創(chuàng)新活動。中國計量學院李久生等人提出一系列開放式實踐教學方法，并改革了教學中的考核方式，在充分認識到學生的個體差異后，嘗試建立科研創(chuàng)新小組，以期培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[1] 。南京理工大學李兆龍?zhí)岢霾捎醚杏懯桨咐椒ㄒ龑W生靈活掌握書本知識點的教學方式，在教學過程中通過選擇與學生知識水平相當?shù)恼鎸嵃咐?，激發(fā)學生對“電磁場與電磁波”課程的興趣，并把科研成果與教學相融合，使得教學與科研相互促進，相輔相成，同時引導學生投入到對電磁場電磁波相關科研課題的探索中[2] 。西安電子科技大學徐萬業(yè)等人使用案例啟發(fā)式實踐教學方法，從磁懸浮列車、全球定位系統(tǒng)GPS和“長安十二時辰”望樓通信系統(tǒng)、空間太陽能電站等各個角度引入相應案例，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維[3] 。中國農(nóng)業(yè)大學湯紅衛(wèi)等人研究了“電磁場與電磁波”課程的混合式教學模式，通過調(diào)整課程的教學計劃、設計導學案例、線上線下輔助教學模式等手段，豐富了課程內(nèi)容，提高了教學質(zhì)量[4] 。河北工業(yè)大學姜霞以“新工科”為背景，引入了電磁場與微波類課程，將實際工程中常用的微帶天線、微帶濾波器等器件引入電磁仿真項目，讓學生在實踐中培養(yǎng)專業(yè)能力[5] 。此外，還有很多國內(nèi)學者都致力于“電磁場與電磁波”課程的教學改革研究與實踐，從案例式教學到仿真類教學，再到課程思政融入式教學，都取得了很大的成效，推動了該課程的不斷發(fā)展與進步[6-8] 。

二、“電磁場與電磁波”課程教學方法改革

課程改革樹立了學生掌握基礎知識、定理和方法應用的基礎目標，讓學生在課程結(jié)束時能夠分析簡單的電磁問題、解決典型的電磁問題，并進一步培養(yǎng)學生的個人能力和團隊協(xié)作能力。因此，在課前準備階段，教師需要結(jié)合先修課程明確“電磁場與電磁波”課程的教學內(nèi)容，重構(gòu)教學體系，精準定位本校學生的學習能力培養(yǎng)目標，通過遞進式教學方式，改革課程教學方法，圖1所示為本課程改革的整體脈絡。

（一）線上與線下相結(jié)合

借助各種形式的互聯(lián)網(wǎng)教學平臺，建立“電磁場與電磁波”課程案例庫。課前，教師要求學生完成線上預習，帶著問題進入課堂；課間，教師通過在線發(fā)布隨堂練習、交流討論等環(huán)節(jié)，及時掌握學生的學習狀態(tài)；課后，教師通過布置線上作業(yè)、發(fā)布調(diào)查問卷等方式，幫助學生鞏固課堂知識。借助互聯(lián)網(wǎng)工具，學生可以通過網(wǎng)絡教學平臺及時與教師溝通，完成學生作業(yè)互評、優(yōu)秀作業(yè)展示、優(yōu)秀仿真作品分享、課程答疑等過程。在答疑的過程中，教師能夠及時發(fā)現(xiàn)學生學習薄弱的部分，以便及時查漏補缺，如強化講解學生掌握程度普遍較差的知識點或課堂上講解不夠細致的知識點。這樣的方式有助于加深學生的印象，激勵學生不斷進步，精益求精。本課程學習到中后期時，筆者發(fā)現(xiàn)部分學生的學習積極性明顯下降，究其原因，學生未能掌握某課程中的一些知識點，以至于無法跟上教學節(jié)奏。傳統(tǒng)教學方式中，學生在課后只能通過自己看書或者自己尋找教學資料的方式來鞏固課堂所學知識，自主學習難度較大。線上教學平臺有助于解決這一問題。教師可利用線上平臺發(fā)布與重難點知識相關的教學資料，讓學生根據(jù)自己的實際情況有選擇地學習資料，以便學生及時跟上教學節(jié)奏，進而提高學生的學習積極性。

在教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)學生都能夠做到按時完成課前預習，在課上能夠認真學習并保持較高的學習熱情，課后任務的完成情況也較好。從線上教學的簽到、學習時長、課堂互動、作業(yè)、階段測試、討論及線下的期末考試成績等綜合考核結(jié)果來看，線上線下混合式教學能夠有效提高學生的學習熱情。

（二）電磁場與電磁波課程與先修課程相結(jié)合

“電磁場與電磁波”是設置于“大學物理”和“電路分析”課程后的一門專業(yè)課程。相較于“大學物理”和“電路分析”課程，其有較大的學習難度。電子信息工程專業(yè)學生在學習中，因?qū)φn程設置的重要性和各課程之間的聯(lián)系了解不足，以致對本課程在課程體系中的地位產(chǎn)生疑惑。教師通過課程與課程之間的相互穿插，相互結(jié)合，將“電磁場與電磁波”這一較難的課程與“大學物理”“電路分析”等相對簡單的課程相互融合，使學生對本課程中抽象概念的理解具象化，有助于提高學生的學習積極性，讓學生對本課程及先修課程的理解更深刻。

例如，教師可以開展靜電場中電容與電路中電容的對比教學。當電路的尺寸遠小于波長時，可以利用集總參數(shù)電路分析。以常見的電阻、電感、電容元件為例，三種元件在電路中兩端的電壓電流關系分別為：u=Ri、u=L 和i=C 。在電磁場分析中，這三種元件應該是一致的分析方法，區(qū)別在于最基本的電容是由兩塊金屬平板平行放置在真空中形成，電阻是一個電導率為σ的材料，而電感為金屬螺線管。隨著電流的變化，會產(chǎn)生阻礙電流變化的磁場，這些現(xiàn)象都是符合麥克斯韋方程的。從路的觀點來看，是將這些現(xiàn)象等效成了電阻R、電感L和電容C，可以極大地簡化分析過程。但當頻率升高時，電路的尺寸不再遠小于波長，原有的集成參數(shù)電路的分析會失效，從而產(chǎn)生分布元件效應。因此，在設計集成電路時需要考慮元件的分布效率，此時，需利用麥克斯韋方程，分析場的變化情況。當尺寸足夠小時，麥克斯韋方程也會失效。利用場和路進行結(jié)合分析，能使學生更加深刻地理解電磁場與電磁波的作用。

（三）虛擬仿真教學結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂

為了讓學生更好地夯實“電磁場與電磁波”課程的理論知識，同時，豐富對學生能力評價與考核激勵的手段，教師可利用借助Matlab、C++和Python等語言實現(xiàn)“電磁場與電磁波”課程的理論分析，也可借助HFSS、FEKO、CST、COMSOL 等電磁仿真軟件對電磁場與電磁波的傳播等應用進行分析，以提高學生對電磁波傳播特性的理解，培養(yǎng)學生認真求證、解決問題的能力。

借助Matlab工具，教師可以將靜電場中電場、磁場等分布問題具象化，從而畫出不同位置靜電場的電場力線，并引導學生通過調(diào)節(jié)電荷的位置，觀察電場力的變化情況。借助仿真工具，教師可以將書本中抽象的公式、概念等枯燥的內(nèi)容，變換成曲線、曲面等更加直觀的圖像，有利于加深學生對知識的理解和掌握，提高學生對“電磁場與電磁波”課程的興趣。

在每個章節(jié)教學中，教師均可引入相應的虛擬仿真案例，讓學生在學習書本知識的同時，也能夠接觸這些知識的實踐案例，從而將書本教學轉(zhuǎn)換為書本和實踐綜合教學。教師在設置課程時，應遵循從易到難的原則，層層遞進，將“電磁場與電磁波”課程的知識融合到應用中去。虛擬仿真不涉及操作實驗，學生在課后即可完成，且通過翻轉(zhuǎn)課堂的分享，一方面能夠增加學生對課程知識的理解，一方面可以鍛煉學生的語言組織和團結(jié)協(xié)作能力。

（四）教學與科研相結(jié)合

目前，大多數(shù)本科階段的教學以課本知識為主。單一課程的教學不涉及創(chuàng)新，學生不明白課程設置的意義和重要性。因此，很多學生對“電磁場與電磁波”課程學習的必要性和重要性都存在疑惑，以致大部分學生的學習往往是為了應付考試，不會深入地學習本課程。

在此背景下，教師通過介紹通信、電子、微波等領域的前沿知識，能夠激發(fā)學生對本課程的學習熱情，拓寬學生的視野。同時，教師通過引入電磁場與電磁波相關科研實踐課題，能夠讓學生領會“電磁場與電磁波”課程理論知識的實際應用價值。此外，教師還可以適當布置科研論文閱讀與分享，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂，讓學生分享自己閱讀到的電磁場與電磁波相關前沿論文，并結(jié)合課堂知識講解，讓學生深入理解電磁場與電磁波學科的前沿知識。教師還可以設置科研小課題，讓學生在實踐中體會電磁場的特點，理解電磁波的傳播特性，從而增強學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

三、 結(jié)束語

本次課程改革通過虛實融合的方式，結(jié)合線上與線下的教學資源，將“電磁場與電磁波”課程與先修課程相融合，化繁為簡，讓學生更好地理解電磁場與電磁波理論，將看不見摸不著的電磁場與電磁波與常見的電路元件聯(lián)系在一起，實現(xiàn)電磁場與電磁波的具象化。同時，結(jié)合電磁仿真軟件，讓學生進一步從實踐中理解、消化課程理論知識，最后結(jié)合科研成果，引入本學科前沿科學知識，讓學生感受到本課程在科技發(fā)展中的實際價值，從而進一步激發(fā)學生的學習興趣，以及未來對本領域發(fā)展做出自己貢獻的熱情。

作者單位：趙穎 南京工業(yè)大學 計算機與信息工程學院（人工智能學院）

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