“電磁場與電磁波”課程混合教學模式研究

蔡軼珩 陳華敏 稂時楠 解意洋 賽景波

(北京工業大學 信息學部， 北京 100124)

“電磁場與電磁波”課程是高等學校電子科學與技術、通信工程、電子信息等專業本科生的一門基礎課，也是“微波技術”“通信電路”“電磁兼容”等課程的理論基礎。特別是在現代電子技術高速發展的信息時代，電磁場與電磁波被廣泛運用到廣播電視、信息通訊、軍事偵察、電子對抗等各個領域中。因此，它是一門重要的基礎理論課程。另一方面，該課程內容涉及面廣、理論抽象、數學分析多，也是被公認為難教、難學的一門課程[1-2]。結合“電磁場與電磁波”課程教學的實際，嘗試利用前沿技術引領課堂教學，對教學模式進行改革與實踐。以課程為中心、教師為主導、學生為主體，探索覆蓋體系課程融合、課外仿真實踐、課程思政、工程案例與科研融入、翻轉課堂、線上線下并行等混合教學模式[3]。通過教學模式改革，希望打通課前、課中、課后以及相關課程間的連接通道，幫助學生系統理解和消化電磁場與電磁波的基本理論，充分鍛煉學生獨立解決實際問題和實踐創新的能力。

1 體系課程融合教學模式探索

電磁場與電磁波課程是通信工程和電子信息工程等專業的一門公共基礎必修課，還是多個學科的交叉融合點。前修課程有“高等數學”“大學物理”“電路分析基礎”等，這些課程對該課程的學習起著基礎鋪墊作用；同期相關課程有“通信系統原理”“信號與系統”“射頻與通信電路”等，這些課程與該課程相輔相成；后續課程有“射頻天線設計與仿真”“移動通信”“光通信技術”“無線通信”“電磁兼容”等，這些課程內都有該課程基礎知識的具體應用。研究體系內課程的相關內容，針對后續課程的先導知識，融入相應應用背景，打通課程間知識連接通道，將有效提升課程中理論內容的實用性。

與電磁場與電磁波課程相關聯的后續課程中，“射頻天線設計與仿真”課程需要利用該課程有關傳輸線電流波和電壓波的一般表達式以及反射系數、駐波比等基本概念，以及矩形波導中的電磁波傳輸特性、波型和場結構等。“光通信技術”課程中需要利用電磁場理論精確求解光在光纖中傳輸特性，確定光纖單模或多模工作條件和特性。“無線通信”課程中，無線電波傳播、發送和接收信號模型、無線信道特性等基礎內容是基于電磁場理論得到的。“移動通信技術”課程中，需要利用電磁場理論確定電磁波在手機與基站之間傳播時的功率損耗。“電磁兼容技術”課程中，需要利用電磁場理論分析電磁干擾的傳輸途徑等。基于上述課程的內容分析，提取“電磁場與電磁波”課程中的直接關系內容，形成體系課程內容關聯圖，將后續課程中相應應用背景以工程案例形式融入授課內容，提升課程中理論內容的實用性。

2 仿真實踐教學模式探索及體系構建

“電磁場與電磁波”的理論分析及計算涉及較為復雜的數學物理知識，且不夠直觀、抽象難懂。為了解決這些問題，實踐環節的加入顯然是最有效的途徑[4]。但是由于學時有限，需要學生掌握的教學內容又多，如果占用課堂教學時間組織實踐環節，會壓縮理論教學時間，同樣影響學生對理論方法的理解。因此，有必要探索課下實踐的方式，采用軟件仿真手段對涉及的數學分析建模展現，形成課下實踐指導及評估體系，讓學生直觀感受建模結果的影響因素，使學生能夠主動思索、勤于動手，加深對理論知識的理解，并提升分析問題的能力。

采用Matlab、HFSS 以及ADS 等軟件作為仿真平臺，通過課后作業的形式，鼓勵學生將抽象的理論模型及相關特性直觀地展示出來[5-6]。可根據課程進度，將仿真實踐分為基礎知識驗證以及綜合問題分析兩大類。例如，在靜電場分析中，可以利用仿真軟件相關指令計算梯度和繪制等位線，得到二維空間電偶極子周圍的電場及等位線分布。在電磁波分析中，可以三維動態仿真分析均勻平面波的傳播、均勻平面波的極化、均勻平面波的反射與透射、矩形波導中場的分布特性等典型問題。學生通過使用仿真軟件分析電磁場與電磁波問題，不僅增強編程和利用現代工具分析科學問題能力，同時也更加直觀地理解其抽象的理論過程。

3 課程思政

傳統工科教育多重理論與公式，“電磁場與電磁波”的教學也是如此，它對于“高等數學”“大學物理”等基礎學科知識儲備要求比較嚴格，課程中強調抽象的物理概念理解與復雜的計算分析。這使得學生雖具備一定的邏輯分析能力，但人文素養有所欠缺，關注結論卻忽略探索過程。課程思政教學理念提出后，注重人文情感、注重思維模式逐漸成為課程教學內容的重要環節。研究電磁學相關的科技史，在課堂教學中引入人文內容，使得學生更加多維地理解理論知識，更加完整地了解科學家們的探索過程，同時以我國相關領域的發展激發學生的家國情懷[7]。

在授課過程中，引入電磁學史相關內容，借鑒相關專著總結出電磁學發展歷史線索，并提煉可借鑒的翔實史料，達到最好的教學效果[8]。例如，《夢溪筆談》中沈括對于指南針的實驗以及發現磁偏角的記載，為我國古代對電磁學的貢獻記下重要一筆。以科學家庫侖、安培、歐姆、亨利、奧斯特、法拉、赫茲等為節點，串聯形成電磁簡史。麥克斯韋又是如何在這些巨人的肩膀上，通過精妙的數學語言得到科學史上最偉大的公式的。另一方面，我國相關領域的發展也取得了驕人成績。例如，我國航天人奮發圖強，目前已完成北斗二代衛星導航基本系統；我國自主研發的攻擊-11隱形無人機，在建國70周年閱兵式上的精彩展現等都可以作為課程人文內容補充，構建課程思政案例庫。

4 案例式教學與科研融入

目前，“電磁場與電磁波”的授課過程中主要從電磁基本理論出發去分析靜電場、恒定磁場及時變電磁波基本現象及問題，與實際工程應用結合較少，這造成電磁理論與工程實際有較大的脫節現象，使學生在理解電磁理論上感覺抽象。

首先針對課程中的基本知識點，結合工程應用構建工程案例庫，特別是后續課程相關內容的應用案例，在應用中把握電磁基本理念。例如，二戰期間電磁場理論應用最活躍的雷達系統案例，體現了電磁波的傳播及反射特性。立體電影的攝制與放映，體現了電磁波極化的應用。另一方面，針對近年來在信息領域中的電磁場與電磁波應用研究熱點，與基本電磁波理論結合，構建科研前沿案例庫，促進學生的學習及研究興趣。例如在當今的第四代、第五代移動通信中無線寬帶接入、多天線陣列、電磁兼容及電磁對抗存在很多理論研究及應用分析。同時，可以引入大學MOOC中一些領域專家的專業課實踐內容[9]。

5 翻轉課堂及線上線下并行教學模式

目前，“電磁場與電磁波”的教學方式是通過數學推導，得到理論性強且難于理解的結論公式。單一的教學方式不僅不利于教師的教，同時也給學生的學增加了很大的難度，學生往往不能做到對知識點的真正理解。“翻轉課堂”為“電磁場與電磁波”課程改革提供了一種新的途徑，它以教育實踐為基礎，克服了死板的填鴨式教學模式存在的弊端，重新調整了知識的傳授與內化的順序，有利于培養學生的自主探索和創新精神。選擇合適的內容，結合線上資源，采用問題引導學生課前自主學習思考，課上分組合作進行講座實施翻轉課堂。從而引導學生從被動接受知識轉向積極主動獲取知識，樂于探究，同時培養學生搜集和處理信息、分析和解決問題、協同工作的能力，增強教學實效，不斷提升教學質量。

受學時限制，可在綜合分析章節選擇合適的內容，設計分組問題。課堂中的教學活動主要以小組合作、師生交流互動為主。首先教師針對課前學習情況組織各小組進行展示；然后組織同學們對其中內容進行討論；最后，教師再針對學生普遍存在的問題和本節課的重難點進行總結，從而更好地促進知識點的鞏固和掌握。

6 結語

針對“電磁場與電磁波”課程內容在專業課程中的地位，建立與體系內先修、同期、后續課程的內容關聯性，打通課程間知識通道；探索課下仿真實踐的方式，采用軟件仿真手段對涉及的數學分析建模展現，形成課下實踐指導及評估體系；研究電磁學相關的科技史，在課堂教學中引入科技人文內容，以及我國相關領域的發展，形成課程思政案例庫；基于課程基本知識點的工程應用背景，結合信息領域中的相關研究熱點，形成工程及前沿案例庫，落地案例式教學；遴選合適的翻轉課堂內容，采用問題引導結合線上資源，嘗試建立翻轉課堂講座選題。最終達到改革傳統教學模式，形成課前、課上、課后緊密銜接體系，幫助學生系統理解和消化“電磁場與電磁波”的基本理論，充分鍛煉學生獨立解決實際問題和實踐創新能力。同時，使學生切實感受到“電磁場與電磁波”的實用價值，并激發學生的使命感和愛國熱情。