“四個一流”建設背景下地方高校教學改革與實踐

楊琳 劉皎 張娜 李英 袁訓鋒 何適

[ 摘 要 ] 在“四個一流”計劃的形勢下，商洛學院面臨加速應用型轉型的艱巨任務。針對當前電子信息類專業的“電磁理論”相關課程教學過程中存在公式繁多、概念抽象等問題，主要從課程體系調整、開發立體化教學包、開發LED點陣演示教具、建設精品課程網站、融入創新創業教育5個方面出發，以提高應用能力為目標，結合項目和市場實際需求，加強實踐教學。學生的邏輯思維、工程設計能力得以提升，為應用型人才的培養奠定了基礎。

[ 關鍵詞 ] 教學改革；電磁場與電磁波；創新教育；立體化教學

[ 中圖分類號 ] G642.0 [ 文獻標識碼 ] A [ 文章編號 ] 1005-4634（2018）04-0074-06

0 引言

“十三五”規劃期間，陜西省全面深化高等教育綜合改革，實施“四個一流”計劃[ 1 ]（一流大學、一流學科、一流學院、一流專業），持續推進省屬高水平大學建設，加快部分地方本科高校向應用型院校轉型[ 2，3 ]。近幾年來，商洛學院（以下簡稱學院）作為偏遠的地方院校，積極響應國家政策，向應用型院校轉型，著重培養學生的應用實踐能力，從而減小學生理論學習與實際生產的差距，完成為社會培養應用型人才的目標。

“電磁理論”相關課程涉及到理工科的所有專業，尤其是電子信息類專業中的《電磁場與電磁波》課程，是專業基礎課，對其他課程的進一步學習至關重要。該類課程的教育質量成為一個突出的問題。學生的理論基礎差異較大，大部分學生的學習能力有所欠缺，這就要求教師尋求更為積極有效的教學方式，給學生多元化、全方位的學習指導。另外，在教學中存在不規范、不系統，數量多、質量差，針對性、實用性不強，不能滿足教學需要等問題。近些年來，很多高校教師對此展開了廣泛的討論和深入研究。邵初寅[ 4 ]研究了應用型高校的課程教材建設。姜宇[ 5 ]探討了如何構建與實現電磁場與電磁波精品課程教學模式。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“電磁場理論”的研究型教學設計、微課設計、教學思考、課程建設、題庫建設、課程設置、計算機輔助教學。蘇波[ 13 ]研究了演示方法?；艏延闧 14 ]對實驗教學進行了改革。楊琳[ 15-17 ]、湯紅衛[ 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中的應用。任儀[ 21 ]、任宇輝[ 22 ]討論了電磁波課程中的計算思維培養。許麗潔[ 23 ]展開了物聯網時代電磁理論教學的的研究。在這些教師改革的基礎上，本文提出建設一種立體化教學的思路，圍繞《電磁場與電磁波》《大學物理》《電磁學》等課程中的“電磁理論知識”進行立體化教學建設，開發教學資源，改善教學模式，從而將理論知識的學習轉化為學生的創造能力，達到產、學、研相結合的目的。

1 課程改革背景

《電磁場與電磁波》是電子信息科學與技術專業、電子信息工程專業以及電氣工程及其自動化專業的專業必修課；《電磁學》是物理學專業的專業必修課；《大學物理》是理工科必修的一門基礎課，學生人數多且覆蓋面廣。這3門課程中都有很大一部分關于“電磁理論”的知識內容，而電磁理論內容復雜、概念抽象、公式繁多，要求教師和學生要有較好的數學功底和物理基礎。

在國內諸多大學，該類課程被譽為“天書”，可見其教學難度。學院大多數學生由于數學基礎薄弱，入門學習難度較大，也難以進行深入的理解和學習。與此同時，此類知識公式繁多，推導過程也相當復雜，學生很容易混淆公式，不知道什么時候用哪個公式，也理不清公式之間的關系。另外，電磁場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性，要求學生要有較強的空間分析能力、抽象思維能力和邏輯推理能力。但是，由于傳統教學模式的限制，教師無法生動、形象地將抽象的教學內容演示給學生。學生難以在自己的知識體系中建立起相關模型，也難以理解相關的概念與理論。除此之外，由于該課程難度系數大、學生基礎差，傳統教學模式限制等問題，學生難以培養起學習該課程的興趣，考試不及格的現象也較為常見，更難以將所學知識應用到實踐過程中。

多年來，為提高此類課程的教學質量，圍繞電磁理論知識教學改革、數字媒體教材的建設團隊做了大量的研究工作。這些工作得到了有關專家和校領導的認可。其中，《電磁場與電磁波》演示PPT獲得“商洛學院2014年度校級優秀電子課件獎”；2014年開發完成的“電磁波仿真演示軟件”（如圖1所示），在教學過程中使用了3年，提高了教學內容的可視性，很大程度地提高了學生學習的興趣；2015年教學改革項目“計算機輔助《電磁場與電磁波》課程，教學的研究與實踐”結題，發表相關論文3篇。

但是，由于計算機軟件的三維立體局限性，使得學生的感受不夠具體。因此，筆者及教學團隊嘗試使用單片機來控制LED點陣光立方，制作“光立方電磁理論演示教具”來展示電磁波的各種特性，不僅能減少學生枯燥的想象，還能夠吸引學生的注意力，從感官上給學生真實的感受和強有力的視覺沖擊，從而激發學生學習該門課程理論的興趣。與此同時，筆者及教學團隊編寫《電磁場與電磁波》課程講義，構建了多元化、立體化的《電磁場與電磁波》課程資源系統，為該類課程的教學提供了便利。

2 改革目標

2.1 知識體系結構改善，提升知識的融合度

在知識體系結構中，將以往的從靜態場到動態場的體系，改為從源到場，再到性質的體系。這樣的學習過程，顛覆之前的順序，使學生更容易類比類似的知識，更加方便地將新學的知識點納入自己的知識體系結構中，有助于學生的理解與應用。在此基礎上，教師要改進傳統的以單向性知識傳授為主的教學方式，在課堂教學中充分利用現代化教學手段。

2.2 變抽象為直觀，增加趣味性

利用LED點陣光立方制作出電磁場與電磁波相應的三維立體動畫來輔助教學，以點陣光立方作為電磁波演示的載體，刺激學生的視覺感官，降低教學內容的復雜程度，讓抽象的、完全靠想象的教學內容變得更容易通過視覺感官來認知，將教材中簡單的靜態圖片顯示成三維立體的動態炫彩效果，使教學內容變成動態的，看得見、摸得著的，可以調控的實體，增加其趣味性。

2.3 開發立體化教學包，實現在線自主學習

開發立體化教學包，編寫應用型講義，輔助課程教學，為學院網絡教學平臺提供《電磁場與電磁波》課程的視頻動畫等素材，為該課程的網絡化教學打好基礎。

2.4 變被動接受為主動探索，提高創新能力

教學等環節中引入MATLAB、HFSS、ADS等專業軟件，同時加強課程之間的聯系，探索微波與天線課程設計的教學實踐；通過學生自主的電磁仿真訓練，強化學生對復雜電磁波問題的理解，將理論與實踐相結合，增強學生的專業能力。鼓勵學生自己動手將一些實際應用中的電磁問題在計算機中尋找解決的方案，把課堂中的理論學習和工程中的實踐操作有機結合起來。構建多層次人才培養模式，提高應用型院校本科生的實踐能力、創新能力和綜合素質。

3 教學模式改革與探索

針對現有傳統教學中存在的主要問題，在轉型發展趨勢下，以培養應用型學生為宗旨，以提高學生算法與數據結構應用能力為目標，結合工程實踐具體需求，完善并加強實踐教學內容。

3.1 整合教學內容，優化知識體系結構

1） 講授順序調整。之前的教學依據傳統的知識理論體系順序授課（如圖2所示），在矢量場、靜電場、恒定電場、恒定磁場、邊值問題、電磁波、中間穿插結合4～6個相關知識的仿真應用。然而當前應用轉型環境下這種模式已難以適應。根據學生學習認知一般規律及學院電子信息科學與技術專業自身特點，教師在傳統教學基礎上進一步優化課程培養體系，整合教學體系內容，將原來的順序式的教學，優化為采用“麥克斯韋方程組→各類場”的演繹法進行知識點講授。

首先，根據人才培養方案，電子信息類專業學生在學習《電磁場與電磁波》之前，已經系統地學習過《高等數學》和《大學物理》，具備曲線、曲面積分的知識儲備，使用該體系可行。其次，采用該體系能夠節省靜態場的學習時間，盡快進入重點內容時變場和電磁波的學習。再次，學習麥克斯韋方程組后，靜態場和時變場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出。

2） 體系結構優化。《電磁場與電磁波》的公式繁多、概念復雜，為了讓學生通過更加簡潔易行的方式來理解、掌握知識，而不是無效記憶，必須進行共性知識的整合。知識按共性歸納整合后，學生能夠通過類比來理解記憶，達到舉一反三的效果。調整后的課程體系結構如圖3所示，已經整合的內容有：各種場的基礎概念、基礎物理現象；靜電場（電荷）、恒定電場（電流）、恒定磁場（電流）的知識；三種靜態場的邊值問題。增加共性整合內容有：電導、電容、電感；電場力與磁場力；電場能量、磁場能量。

3.2 開發立體化教學包，編寫應用型本科院校的講義 立體化教學包中包括課程方案、電子教案、教學素材資料庫及試題庫系統等，以適應不同專業的《電磁場與電磁波》以及其他課程的教學，提高教學質量和教學效果，推動學院《電磁場與電磁波》等課程中的電磁理論知識的教學改革，以適應陜西地方應用型本科院校人才培養的需要。

1） 課程方案。教師編寫了《電磁場與電磁波》課程新體系的講義、學習指導、教學計劃、學習提示等；以章為單位設置學習要求，重點知識學習導航圖，重點、難點剖析，典型例題解析。

2） 電子教案。重新設計教學過程，增加了有效的師生互動環節，使教學課件的設置符合學生的認知規律和思維過程；添加了大量的教學動畫，以直觀的方式揭示電磁理論的思想本質，加深學生對電磁場電磁波的基本概念、原理和方法的理解；教學過程設計更適合教師進行課堂教學，補充了類型豐富的教學示例供教師選用；增加了課堂練習環節，為提高教學效率、突破教學難點、增強教學效果奠定基礎。課件中有明確的學習目標或教學基本要求陳述（體現到章節）；為自學者提供學習方法或內容的建議、幫助，并在內容設置中體現相關知識點之間的聯系。

3） 教學素材資料庫。該資料庫搜集整理了大量的教學資源和備課元素，供教師修改選用，充分展現教師個性化授課特點，具體包括MATLAB電磁建模、應用與實踐案例庫、常用電磁公式、中英對照電磁理論詞匯、基本電磁理論圖像（flash動畫）、電磁學簡史與電磁理論、趣味電磁學視頻等。

4） 試題庫。題庫總試題量500余道，可滿足學院各個專業試題組卷的要求；含選擇題、填空題、計算題、證明題、綜合應用題等，以經典測試理論為基礎，實現試題編輯、組卷、輸出等功能。教師只需要根據考試要求直接選擇考點和題型，通過智能組卷按鈕，幾秒鐘內即可生成試卷和相應的答卷。

3.3 開發LED點陣三維電磁理論演示教具

利用人類對光源的視覺暫留效應，開發出光立方電磁理論教具，在LED點陣三維演示系統中顯示電磁波的相關理論，實現真正意義的三維立體電磁波顯示系統。電磁理論LED點陣三維演示系統的硬、軟件方案如圖4和圖5所示。該演示教具給教師和學生提供良好的用戶視覺體驗，具體演示效果如圖6所示。

3.4 開發建設精品課程網站

精品課程網站包含教學動態發布、課程建設介紹、學習輔導答疑、學習論壇討論、綜合提高訓練、電磁實驗與建模、電磁史話與背景資源、師生互動、網絡課程等欄目。使用方便，為全體師生提供了一個優秀的學習平臺。

3.5 融入創新創業教育

將創新創業融入教育分融入教學、融入實踐兩步走。

第一，融入教材，融入課堂。創新創業教育融入教材主要體現在引入學科發展前沿、聯系教師科研成果、融入實際問題、發掘教材細節等。教材電導內容中引入超導現象及其應用情況，光波與電磁波區別時介紹LED光源的發光原理及優點；邊值問題數值求解方法和電磁波的輻射與傳播內容，結合教師科研實際問題進行講解；針對電磁理論應用，融入“太陽能電池”最終的電流連續性方程，“半導體器件原理”中的場效應晶體管、半導體光的吸收和發射，“移動通信”中電磁波的傳播特性、傳播響應模型；在教材細節中進行問題發掘、拓展、整理形成學生學術論文成果，激發學生對科學問題的質疑精神，培養學生的創新意識。