“電磁場與電磁波”可視化教學法的研究與應用

摘 要：文章針對可視化教學法進行了系統的研究，設定研究對象、提出研究方法、制訂研究內容、分析研究效果，結合大學課程“電磁場與電磁波”，提出了應用方法并分析了應用效果。基于可以同樣適用于大學電類通信類型課程的新型教學方法的原則，采用完善的可視化教學模式，結合傳統的教學手段，達到更好的教學效果。

關鍵詞：可視化教學法;電磁場與電磁波;教學效果

一、研究內容

本研究通過前期文獻研究，結合經驗分析，學生問卷調查等系統研究，想要創建適用于大學課堂電磁類課程的可視化教學模式，需要具備三個創建機制：教學內容的設計、教學手段的改變、教學效果的評估。具體創建思路如下圖。

1.可視化教學內容的設計

（1）增加趣味性教學內容，按照教學大綱設計，電磁場主要教學內容有：矢量分析、電磁場基本規律、靜態電磁場、時變電磁場;電磁波主要教學內容有：平面電磁波、導行電磁波、電磁波的輻射等。如果按照課本教材章節順序進行按部就班地講解，學生會覺得索然無味，教學任務完成后，除了一系列晦澀難懂的公式，對這門課程的由來、創建機制、研究背景一無所知。第一，可視化教學方法可以在教學背景中開始滲透，講緒論時，從電磁學理論的背景由來進行展開，給學生介紹謝林的故事及其理論，法拉第的實驗方案和他的實踐結論，麥克斯韋如何將電場與磁場的轉換關系變成理論公式等。通過各位科學家的故事，吸引學生的注意力，提高他們的學習興趣。第二，在教學中重視電磁學理論與其他學科以及生活實際的相關聯系，例如電子顯微技術、列車磁懸浮技術、超導技術、核磁共振技術、雷達定位技術等，提出電磁學應用的范圍之廣、地位之重要，使學生對理論與應用的聯系可以理解得更深入一些。

（2）加強知識點之間的聯系，在講述每章內容結束的時候，一定要總結前面的知識點，讓學生了解知識之間的聯系性，同時要引出接下來的知識點。對電磁場基本規律等知識結構設計好先行知識點，可以使學生注意到新的概念不是憑空而來的，而是建立在自己認知結構中已有概念的基礎上。

（3）教材內容改革：目前針對“電磁場與電磁波”的教學研究，國內外學者主要以奧蘇伯爾的學習理論與布魯納的知識結構理論作為指導，成為教材編寫設計的主要理論依據，通過對國內外院校中“電磁場與電磁波”教材的選定方式的了解，從結構、內容以及習題例題三個方面進行了較詳盡的對比研究，針對本課程教材在體系結構上提出了一種創新的設計方案，并在此結構上對所有的教學內容進行重新設計。同時，給學生推薦一些觀念新穎、內容安排合理的國內外教材。

2.可視化教學手段的設計

（1）由于本課程涉及的公式比較多，課程內容又很抽象，如果采用HFSS、CST等微波電磁場分析軟件，應用起來可行性不高，所以可以利用學生已經學過的MATLAB等仿真軟件進行可視化教學，可以與學生產生更多的共鳴。

（2）引入可視化應用視頻。視頻的播放，在理論課堂的教學中，可以激發學生的興趣，尤其在課程剛開始的時候，適當引入電磁場與電磁波在各個方面的應用，比如軍事、通信、電氣、自動化等領域，讓學生認識到這門課程的重要性。

（3）多媒體教學與傳統板書相結合。本課程理論教學中，由于公式過多、數學的推導復雜、理論知識抽象、系統性過強。如果單一地采用板書教學方法，大量的公式推導會占據過多的教學時間，而且課堂會顯得枯燥無味。而只采取多媒體教學手段，學生又很難跟得上老師的思路，因此，最好的方式是：教師在講理論推導時利用板書，而講更細節的理論或者分支的理論則以多媒體或紙質資料形式分發給學生用來輔助教學。通過這種方式，提高學生信息搜索能力和知識儲備量。

3.可視化教學的預期效果

（1）充分利用MATLAB等仿真軟件的數值計算功能，快速解決復雜的高數知識的相關問題。

（2）利用繪圖功能實現標量場和矢量場的二維圖和三維圖的制作。教學中重要物理概念可通過作圖軟件得到直觀圖形，有助于加深學生對相關概念的理解，從而激發學生的學習興趣。并對電磁場與電磁波的電場、磁場、平面波等內容的教學具有指導意義。

（3）培養學生利用計算輔助軟件解決復雜問題的能力，預期收到更好的教學效果。

二、教學效果分析

學生可以在有多媒體教學設備的教室中進行學習，有助于可視化教學的實踐。學校為教師的教學研究工作提供了很好的支持和幫助，學生和教師均可以在圖書館查閱文獻資料，包括圖文資料和電子文獻資源。

尚缺少實驗教學條件，因為購買電磁波教學綜合實驗儀費用昂貴，解決途徑是以教學小視頻或者仿真軟件進行演示教學，通過計算繪圖的方式，把對實踐教學研究從電磁波綜合實驗儀的構想，替換到可視化教學過程中去。

通過將動畫模型和MATLAB仿真引入課堂之后，學生的學習熱情高漲起來，課間休息時主動提問的學習明顯增多，教學效果顯著提升。

由于教學內容的相對開放性以及信息時代的到來，學生可以從很多渠道獲取知識，認知領域大大拓寬。為了更好地完成引導者的角色，教師要不斷提高自我，重視自身素質的提高，提高科學素養，擴展知識結構。將成體系的可視化教學法，引入“電磁場與電磁波”教學安排中后，提高學生的學習參與性，增強學生的學習興趣，激發學生的主動性和創造性，培養學生初步的科研興趣和應用能力，從而達到更好的教學效果。

參考文獻：

[1]劉偉波，賈天俊，李榮.基于MATLAB大學物理可視化教學模式的實踐與思考——以“牛頓環干涉”教學為例[J].物理通報，2015（8）.

[2]姜高揚，王超.基于建模仿真的可視化教學模式研究[J].實驗室研究與探索，2017（7）.

基金項目：長江大學工程技術學院2018年度學院基金項目（2018JY20）資助。

作者簡介：周橋梁（1986—），女，湖北天門人，講師，碩士，研究方向：信號處理和無線通信。