楊琳 劉皎 張娜 李英 袁訓(xùn)鋒 何適

[ 摘 要 ] 在“四個(gè)一流”計(jì)劃的形勢(shì)下，商洛學(xué)院面臨加速應(yīng)用型轉(zhuǎn)型的艱巨任務(wù)。針對(duì)當(dāng)前電子信息類專業(yè)的“電磁理論”相關(guān)課程教學(xué)過程中存在公式繁多、概念抽象等問題，主要從課程體系調(diào)整、開發(fā)立體化教學(xué)包、開發(fā)LED點(diǎn)陣演示教具、建設(shè)精品課程網(wǎng)站、融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育5個(gè)方面出發(fā)，以提高應(yīng)用能力為目標(biāo)，結(jié)合項(xiàng)目和市場(chǎng)實(shí)際需求，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。學(xué)生的邏輯思維、工程設(shè)計(jì)能力得以提升，為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

[ 關(guān)鍵詞 ] 教學(xué)改革；電磁場(chǎng)與電磁波；創(chuàng)新教育；立體化教學(xué)

[ 中圖分類號(hào) ] G642.0 [ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ] A [ 文章編號(hào) ] 1005-4634（2018）04-0074-06

0 引言

“十三五”規(guī)劃期間，陜西省全面深化高等教育綜合改革，實(shí)施“四個(gè)一流”計(jì)劃[ 1 ]（一流大學(xué)、一流學(xué)科、一流學(xué)院、一流專業(yè)），持續(xù)推進(jìn)省屬高水平大學(xué)建設(shè)，加快部分地方本科高校向應(yīng)用型院校轉(zhuǎn)型[ 2，3 ]。近幾年來(lái)，商洛學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱學(xué)院）作為偏遠(yuǎn)的地方院校，積極響應(yīng)國(guó)家政策，向應(yīng)用型院校轉(zhuǎn)型，著重培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力，從而減小學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實(shí)際生產(chǎn)的差距，完成為社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

“電磁理論”相關(guān)課程涉及到理工科的所有專業(yè)，尤其是電子信息類專業(yè)中的《電磁場(chǎng)與電磁波》課程，是專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)其他課程的進(jìn)一步學(xué)習(xí)至關(guān)重要。該類課程的教育質(zhì)量成為一個(gè)突出的問題。學(xué)生的理論基礎(chǔ)差異較大，大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)能力有所欠缺，這就要求教師尋求更為積極有效的教學(xué)方式，給學(xué)生多元化、全方位的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。另外，在教學(xué)中存在不規(guī)范、不系統(tǒng)，數(shù)量多、質(zhì)量差，針對(duì)性、實(shí)用性不強(qiáng)，不能滿足教學(xué)需要等問題。近些年來(lái)，很多高校教師對(duì)此展開了廣泛的討論和深入研究。邵初寅[ 4 ]研究了應(yīng)用型高校的課程教材建設(shè)。姜宇[ 5 ]探討了如何構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)與電磁波精品課程教學(xué)模式。梅中磊[ 6 ]、李虎[ 7 ]、葛文萍[ 8 ]、曹斌照[ 9，10 ]、葉宇煌[ 11 ]、張曉萍[ 12 ]等人，分別研究了“電磁場(chǎng)理論”的研究型教學(xué)設(shè)計(jì)、微課設(shè)計(jì)、教學(xué)思考、課程建設(shè)、題庫(kù)建設(shè)、課程設(shè)置、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。蘇波[ 13 ]研究了演示方法?；艏延闧 14 ]對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革。楊琳[ 15-17 ]、湯紅衛(wèi)[ 18 ]、呂麗君[ 19 ]、黃健全[ 20 ]等人，分別討論了Presentation、 Matlab GUI、 HFSS等軟件在電磁波教學(xué)中的應(yīng)用。任儀[ 21 ]、任宇輝[ 22 ]討論了電磁波課程中的計(jì)算思維培養(yǎng)。許麗潔[ 23 ]展開了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代電磁理論教學(xué)的的研究。在這些教師改革的基礎(chǔ)上，本文提出建設(shè)一種立體化教學(xué)的思路，圍繞《電磁場(chǎng)與電磁波》《大學(xué)物理》《電磁學(xué)》等課程中的“電磁理論知識(shí)”進(jìn)行立體化教學(xué)建設(shè)，開發(fā)教學(xué)資源，改善教學(xué)模式，從而將理論知識(shí)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的創(chuàng)造能力，達(dá)到產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的目的。

1 課程改革背景

《電磁場(chǎng)與電磁波》是電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、電子信息工程專業(yè)以及電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)必修課；《電磁學(xué)》是物理學(xué)專業(yè)的專業(yè)必修課；《大學(xué)物理》是理工科必修的一門基礎(chǔ)課，學(xué)生人數(shù)多且覆蓋面廣。這3門課程中都有很大一部分關(guān)于“電磁理論”的知識(shí)內(nèi)容，而電磁理論內(nèi)容復(fù)雜、概念抽象、公式繁多，要求教師和學(xué)生要有較好的數(shù)學(xué)功底和物理基礎(chǔ)。

在國(guó)內(nèi)諸多大學(xué)，該類課程被譽(yù)為“天書”，可見其教學(xué)難度。學(xué)院大多數(shù)學(xué)生由于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，入門學(xué)習(xí)難度較大，也難以進(jìn)行深入的理解和學(xué)習(xí)。與此同時(shí)，此類知識(shí)公式繁多，推導(dǎo)過程也相當(dāng)復(fù)雜，學(xué)生很容易混淆公式，不知道什么時(shí)候用哪個(gè)公式，也理不清公式之間的關(guān)系。另外，電磁場(chǎng)與電磁波的理論非常抽象，尤其是電磁波的三維特性和波動(dòng)性，要求學(xué)生要有較強(qiáng)的空間分析能力、抽象思維能力和邏輯推理能力。但是，由于傳統(tǒng)教學(xué)模式的限制，教師無(wú)法生動(dòng)、形象地將抽象的教學(xué)內(nèi)容演示給學(xué)生。學(xué)生難以在自己的知識(shí)體系中建立起相關(guān)模型，也難以理解相關(guān)的概念與理論。除此之外，由于該課程難度系數(shù)大、學(xué)生基礎(chǔ)差，傳統(tǒng)教學(xué)模式限制等問題，學(xué)生難以培養(yǎng)起學(xué)習(xí)該課程的興趣，考試不及格的現(xiàn)象也較為常見，更難以將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐過程中。

多年來(lái)，為提高此類課程的教學(xué)質(zhì)量，圍繞電磁理論知識(shí)教學(xué)改革、數(shù)字媒體教材的建設(shè)團(tuán)隊(duì)做了大量的研究工作。這些工作得到了有關(guān)專家和校領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可。其中，《電磁場(chǎng)與電磁波》演示PPT獲得“商洛學(xué)院2014年度校級(jí)優(yōu)秀電子課件獎(jiǎng)”；2014年開發(fā)完成的“電磁波仿真演示軟件”（如圖1所示），在教學(xué)過程中使用了3年，提高了教學(xué)內(nèi)容的可視性，很大程度地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；2015年教學(xué)改革項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)輔助《電磁場(chǎng)與電磁波》課程，教學(xué)的研究與實(shí)踐”結(jié)題，發(fā)表相關(guān)論文3篇。

但是，由于計(jì)算機(jī)軟件的三維立體局限性，使得學(xué)生的感受不夠具體。因此，筆者及教學(xué)團(tuán)隊(duì)嘗試使用單片機(jī)來(lái)控制LED點(diǎn)陣光立方，制作“光立方電磁理論演示教具”來(lái)展示電磁波的各種特性，不僅能減少學(xué)生枯燥的想象，還能夠吸引學(xué)生的注意力，從感官上給學(xué)生真實(shí)的感受和強(qiáng)有力的視覺沖擊，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程理論的興趣。與此同時(shí)，筆者及教學(xué)團(tuán)隊(duì)編寫《電磁場(chǎng)與電磁波》課程講義，構(gòu)建了多元化、立體化的《電磁場(chǎng)與電磁波》課程資源系統(tǒng)，為該類課程的教學(xué)提供了便利。

2 改革目標(biāo)

2.1 知識(shí)體系結(jié)構(gòu)改善，提升知識(shí)的融合度

在知識(shí)體系結(jié)構(gòu)中，將以往的從靜態(tài)場(chǎng)到動(dòng)態(tài)場(chǎng)的體系，改為從源到場(chǎng)，再到性質(zhì)的體系。這樣的學(xué)習(xí)過程，顛覆之前的順序，使學(xué)生更容易類比類似的知識(shí)，更加方便地將新學(xué)的知識(shí)點(diǎn)納入自己的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)中，有助于學(xué)生的理解與應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，教師要改進(jìn)傳統(tǒng)的以單向性知識(shí)傳授為主的教學(xué)方式，在課堂教學(xué)中充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段。

2.2 變抽象為直觀，增加趣味性

利用LED點(diǎn)陣光立方制作出電磁場(chǎng)與電磁波相應(yīng)的三維立體動(dòng)畫來(lái)輔助教學(xué)，以點(diǎn)陣光立方作為電磁波演示的載體，刺激學(xué)生的視覺感官，降低教學(xué)內(nèi)容的復(fù)雜程度，讓抽象的、完全靠想象的教學(xué)內(nèi)容變得更容易通過視覺感官來(lái)認(rèn)知，將教材中簡(jiǎn)單的靜態(tài)圖片顯示成三維立體的動(dòng)態(tài)炫彩效果，使教學(xué)內(nèi)容變成動(dòng)態(tài)的，看得見、摸得著的，可以調(diào)控的實(shí)體，增加其趣味性。

2.3 開發(fā)立體化教學(xué)包，實(shí)現(xiàn)在線自主學(xué)習(xí)

開發(fā)立體化教學(xué)包，編寫應(yīng)用型講義，輔助課程教學(xué)，為學(xué)院網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)提供《電磁場(chǎng)與電磁波》課程的視頻動(dòng)畫等素材，為該課程的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)打好基礎(chǔ)。

2.4 變被動(dòng)接受為主動(dòng)探索，提高創(chuàng)新能力

教學(xué)等環(huán)節(jié)中引入MATLAB、HFSS、ADS等專業(yè)軟件，同時(shí)加強(qiáng)課程之間的聯(lián)系，探索微波與天線課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐；通過學(xué)生自主的電磁仿真訓(xùn)練，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)復(fù)雜電磁波問題的理解，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)能力。鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手將一些實(shí)際應(yīng)用中的電磁問題在計(jì)算機(jī)中尋找解決的方案，把課堂中的理論學(xué)習(xí)和工程中的實(shí)踐操作有機(jī)結(jié)合起來(lái)。構(gòu)建多層次人才培養(yǎng)模式，提高應(yīng)用型院校本科生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

3 教學(xué)模式改革與探索

針對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)教學(xué)中存在的主要問題，在轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢(shì)下，以培養(yǎng)應(yīng)用型學(xué)生為宗旨，以提高學(xué)生算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用能力為目標(biāo)，結(jié)合工程實(shí)踐具體需求，完善并加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

3.1 整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化知識(shí)體系結(jié)構(gòu)

1） 講授順序調(diào)整。之前的教學(xué)依據(jù)傳統(tǒng)的知識(shí)理論體系順序授課（如圖2所示），在矢量場(chǎng)、靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)、邊值問題、電磁波、中間穿插結(jié)合4～6個(gè)相關(guān)知識(shí)的仿真應(yīng)用。然而當(dāng)前應(yīng)用轉(zhuǎn)型環(huán)境下這種模式已難以適應(yīng)。根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知一般規(guī)律及學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)自身特點(diǎn)，教師在傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化課程培養(yǎng)體系，整合教學(xué)體系內(nèi)容，將原來(lái)的順序式的教學(xué)，優(yōu)化為采用“麥克斯韋方程組→各類場(chǎng)”的演繹法進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講授。

首先，根據(jù)人才培養(yǎng)方案，電子信息類專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)《電磁場(chǎng)與電磁波》之前，已經(jīng)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過《高等數(shù)學(xué)》和《大學(xué)物理》，具備曲線、曲面積分的知識(shí)儲(chǔ)備，使用該體系可行。其次，采用該體系能夠節(jié)省靜態(tài)場(chǎng)的學(xué)習(xí)時(shí)間，盡快進(jìn)入重點(diǎn)內(nèi)容時(shí)變場(chǎng)和電磁波的學(xué)習(xí)。再次，學(xué)習(xí)麥克斯韋方程組后，靜態(tài)場(chǎng)和時(shí)變場(chǎng)方程都是麥克斯韋方程組的特殊形式，能夠從麥克斯韋方程組中直接導(dǎo)出。

2） 體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化?！峨姶艌?chǎng)與電磁波》的公式繁多、概念復(fù)雜，為了讓學(xué)生通過更加簡(jiǎn)潔易行的方式來(lái)理解、掌握知識(shí)，而不是無(wú)效記憶，必須進(jìn)行共性知識(shí)的整合。知識(shí)按共性歸納整合后，學(xué)生能夠通過類比來(lái)理解記憶，達(dá)到舉一反三的效果。調(diào)整后的課程體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，已經(jīng)整合的內(nèi)容有：各種場(chǎng)的基礎(chǔ)概念、基礎(chǔ)物理現(xiàn)象；靜電場(chǎng)（電荷）、恒定電場(chǎng)（電流）、恒定磁場(chǎng)（電流）的知識(shí)；三種靜態(tài)場(chǎng)的邊值問題。增加共性整合內(nèi)容有：電導(dǎo)、電容、電感；電場(chǎng)力與磁場(chǎng)力；電場(chǎng)能量、磁場(chǎng)能量。

3.2 開發(fā)立體化教學(xué)包，編寫應(yīng)用型本科院校的講義 立體化教學(xué)包中包括課程方案、電子教案、教學(xué)素材資料庫(kù)及試題庫(kù)系統(tǒng)等，以適應(yīng)不同專業(yè)的《電磁場(chǎng)與電磁波》以及其他課程的教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，推動(dòng)學(xué)院《電磁場(chǎng)與電磁波》等課程中的電磁理論知識(shí)的教學(xué)改革，以適應(yīng)陜西地方應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)的需要。

1） 課程方案。教師編寫了《電磁場(chǎng)與電磁波》課程新體系的講義、學(xué)習(xí)指導(dǎo)、教學(xué)計(jì)劃、學(xué)習(xí)提示等；以章為單位設(shè)置學(xué)習(xí)要求，重點(diǎn)知識(shí)學(xué)習(xí)導(dǎo)航圖，重點(diǎn)、難點(diǎn)剖析，典型例題解析。

2） 電子教案。重新設(shè)計(jì)教學(xué)過程，增加了有效的師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，使教學(xué)課件的設(shè)置符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和思維過程；添加了大量的教學(xué)動(dòng)畫，以直觀的方式揭示電磁理論的思想本質(zhì)，加深學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)電磁波的基本概念、原理和方法的理解；教學(xué)過程設(shè)計(jì)更適合教師進(jìn)行課堂教學(xué)，補(bǔ)充了類型豐富的教學(xué)示例供教師選用；增加了課堂練習(xí)環(huán)節(jié)，為提高教學(xué)效率、突破教學(xué)難點(diǎn)、增強(qiáng)教學(xué)效果奠定基礎(chǔ)。課件中有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)或教學(xué)基本要求陳述（體現(xiàn)到章節(jié)）；為自學(xué)者提供學(xué)習(xí)方法或內(nèi)容的建議、幫助，并在內(nèi)容設(shè)置中體現(xiàn)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。

3） 教學(xué)素材資料庫(kù)。該資料庫(kù)搜集整理了大量的教學(xué)資源和備課元素，供教師修改選用，充分展現(xiàn)教師個(gè)性化授課特點(diǎn)，具體包括MATLAB電磁建模、應(yīng)用與實(shí)踐案例庫(kù)、常用電磁公式、中英對(duì)照電磁理論詞匯、基本電磁理論圖像（flash動(dòng)畫）、電磁學(xué)簡(jiǎn)史與電磁理論、趣味電磁學(xué)視頻等。

4） 試題庫(kù)。題庫(kù)總試題量500余道，可滿足學(xué)院各個(gè)專業(yè)試題組卷的要求；含選擇題、填空題、計(jì)算題、證明題、綜合應(yīng)用題等，以經(jīng)典測(cè)試?yán)碚摓榛A(chǔ)，實(shí)現(xiàn)試題編輯、組卷、輸出等功能。教師只需要根據(jù)考試要求直接選擇考點(diǎn)和題型，通過智能組卷按鈕，幾秒鐘內(nèi)即可生成試卷和相應(yīng)的答卷。

3.3 開發(fā)LED點(diǎn)陣三維電磁理論演示教具

利用人類對(duì)光源的視覺暫留效應(yīng)，開發(fā)出光立方電磁理論教具，在LED點(diǎn)陣三維演示系統(tǒng)中顯示電磁波的相關(guān)理論，實(shí)現(xiàn)真正意義的三維立體電磁波顯示系統(tǒng)。電磁理論LED點(diǎn)陣三維演示系統(tǒng)的硬、軟件方案如圖4和圖5所示。該演示教具給教師和學(xué)生提供良好的用戶視覺體驗(yàn)，具體演示效果如圖6所示。

3.4 開發(fā)建設(shè)精品課程網(wǎng)站

精品課程網(wǎng)站包含教學(xué)動(dòng)態(tài)發(fā)布、課程建設(shè)介紹、學(xué)習(xí)輔導(dǎo)答疑、學(xué)習(xí)論壇討論、綜合提高訓(xùn)練、電磁實(shí)驗(yàn)與建模、電磁史話與背景資源、師生互動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)課程等欄目。使用方便，為全體師生提供了一個(gè)優(yōu)秀的學(xué)習(xí)平臺(tái)。

3.5 融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育

將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)融入教育分融入教學(xué)、融入實(shí)踐兩步走。

第一，融入教材，融入課堂。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入教材主要體現(xiàn)在引入學(xué)科發(fā)展前沿、聯(lián)系教師科研成果、融入實(shí)際問題、發(fā)掘教材細(xì)節(jié)等。教材電導(dǎo)內(nèi)容中引入超導(dǎo)現(xiàn)象及其應(yīng)用情況，光波與電磁波區(qū)別時(shí)介紹LED光源的發(fā)光原理及優(yōu)點(diǎn)；邊值問題數(shù)值求解方法和電磁波的輻射與傳播內(nèi)容，結(jié)合教師科研實(shí)際問題進(jìn)行講解；針對(duì)電磁理論應(yīng)用，融入“太陽(yáng)能電池”最終的電流連續(xù)性方程，“半導(dǎo)體器件原理”中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管、半導(dǎo)體光的吸收和發(fā)射，“移動(dòng)通信”中電磁波的傳播特性、傳播響應(yīng)模型；在教材細(xì)節(jié)中進(jìn)行問題發(fā)掘、拓展、整理形成學(xué)生學(xué)術(shù)論文成果，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)問題的質(zhì)疑精神，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。