學生參與型電子教材設計方法研究
——以電磁場與電磁波課程為例

郭企嘉 毛智能 周 天* 齊 濱

1.哈爾濱工程大學水聲工程國家級實驗教學示范中心 黑龍江哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學水聲工程學院 黑龍江哈爾濱 150001

教育部《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》明確提出：“用十年左右的時間初步建成具有中國特色的教育信息化體系，使我國教育信息化整體上接近國際先進水平，推進教育事業的科學發展?！苯Y合高等教育的具體情況，實現優質教育資源設計開發與共享依然是教育信息化的重點工作之一。新形態的教材改革受益于信息技術發展的成果，對提升教育資源共享，支撐教師知識傳播、學生信息內化具有重要作用[1]。

教材變革的標志性成果——數字化電子教材是數字信息技術與網絡不斷發展的產物，在與教材融合程度不斷加深的過程中，構建多樣化的數字資源，開展網絡環境下的學科教學成為教學變革新方向[2]。近年來，國內外針對電子教材的相關研究及教學實踐不斷豐富[3]。美國率先開展了高校電子教材出版，并取得了一定成效，如美國萊斯大學創立的OpenStax開放存取教材出版平臺和美國紐約州立大學的SUNY Open Textbooks開放存取教科書出版計劃[4]。國內的高校教育資源共享可視為高等教育數字化電子教材興起的開端。尤其在2011年，教育部發布《教育部關于國家精品開放課程建設的實施意見》(教高〔2011〕8號)，啟動第二輪本科教學工程——國家精品開放課程(包括精品視頻公開課與精品資源共享課)建設，目的在于利用現代信息手段，加強優質教育資源建設、普及和共享，進一步提高高等教育質量，服務學習型社會建設。另一方面，我國中小學已經初步建立了電子教材的規模化應用，并形成了電子書包[5]和立體教材開發[6]等新型模式。

從發展屬性看，電子教材極盡信息時代的全部技術手段為教育教學服務，力圖構建趨近于無窮高效率的知識傳播途徑。教育信息化已經使傳統的課堂發生了巨大變化，多樣性的知識傳播方式根本上來源于信息的對稱性和廣闊的獲取口徑，但是學生的接受度卻仍然受到多方面制約，例如學生篩選信息的能力、前期的知識基礎以及信息本身的抽象程度。以信息類學科的主干課程——電磁場與電磁波為例，本門課以物理電磁學為基礎，從工程應用角度闡述麥克斯韋波動電磁學理論，用于分析電磁場在媒質中的導行傳播、輻射特征等作用機制，在方法上涉及多元函數的微積分計算、微分方程求解、復變函數、數值計算等多種數學理論，同時包含相當數量的物理變量和場參量，各種物理規律非常抽象，造成教師難教、學生難學的雙向困難。采用數字化的電子教材，引入可視化教學資源結合實驗教學，一定程度上有所緩解，然而學生仍然廣泛反饋學習過程中存在理解難、記憶難和易混淆的情況。因此，對于類似于電磁場與電磁波這類理論難度較大的課程，電子教材在擴大知識獲取渠道的同時，應進一步打通學生在知識內化過程中遭遇的壁壘，調動學生自身的求知意識，以學生為主體，自我打造具有自媒體屬性的個性化教材。

一、參與型電子教材的屬性定義與設計要求

傳統的印刷課本結合多媒體教學為目前工科類理論課程的主要授課模式，新型電子教材仍然遵循多媒體學習理論，利用多種媒體幫助學習者理解艱澀的教學內容，促進學生的知識構建。在此基礎上，參與型電子教材重新強調學生在課堂中的主體作用，將外源性的授課思路，即公式定律描述—物理涵義提煉—例題方法論證進行內源化延拓，探索研究型課堂在培養解決工程問題方面的支持能力，將學生參與性落實到教材建設，徹底脫離方法、規律和物理特征的扁平化講解，重新定義參與型電子教材的新內涵。

以現有的立體化、數據化、平臺化的電子教材為基礎，推動促使其內涵與外延擴大，將筆記本、書本、資料庫、工具庫、數據記錄平臺等教學工具囊括于方寸之間，進一步弱化教材的邊界，探索支持學生利用軟、硬件工具驗證、理解抽象理論和解決工程問題的途徑，達到物理理論降維吸收、抽象規律高度具象的目的；結合教師本人的工程經驗及掌握的數值仿真和可視化工具，針對講授的物理場及時空分布特征，將電子教材可視化任務模塊化分配，設計具有廣泛參與度、高度個性化的電子教材方案。

二、參與型電子教材的設計方法

下面以本科生課程電磁場與電磁波課程的授課為例，從電子教材設計、課堂建設規劃與學生參與方式等方面闡明設計思路，結構化總結如圖1所示。

圖1 參與型電子教材結構化設計思路

從工程邏輯出發，電子教材設計根本在于底層框架，基本內容包括選擇代碼實現環境，基于數學物理方法開發數值分析工具，模塊化任務分配并指導訓練學生掌握相關技巧。在底層設計中，需要明確任務“接口”。在完整章節的教學任務中，以知識點為演繹目標，通過學生自行完成的功能實現模塊，組合完成可視化呈現。學生根據自己的興趣和精力，有針對性地靈活配置和理解知識點，并根據教師的引導理解教材的知識邏輯體系。

在平臺建設底層構架的基礎上，搭建課堂教學中學生參與、教師引導的上層構架，從而形成完整閉環通路。在教學過程中，仍然不變的是緊扣教學大綱和圍繞教材知識點，對抽象性問題有針對性地分配模塊化任務開展以學生為中心的可視化演繹。課堂教學環節以任務成果方式講授知識點和方法結論，對學生在任務開發過程中的關注點展開重點講解。在授課過程中，需要把握的是在充分考慮學生基礎能力和學習精力分配前提下，采用以學生團隊為單位的方式執行子模塊任務，課堂上教師以接口敞開方式統籌講解各個子模塊的基本要求，使學生充分感受團隊協作方式和項目指揮藝術。學生團隊同時具備子任務分配和自組織執行功能，在任務完成過程中，培養學生解決實際工程問題的能力。另外，為了充分激發學生的懷疑精神，鼓勵利用任務成果檢驗物理規律。

三、參與型電子教材建設案例

本節以電磁場與電磁波中相干波原理測量自由空間電磁波的傳播參數內容為例，討論參與型電子教材建設方法。在底層設計中，以MATLAB為基礎實現平臺，從相干波原理出發，用手動搜索方法、自動搜索法和最優化搜索三種方法計算電磁波波長λ、電磁波相位常數β和波速v。

相干波測波長測量原理圖如圖2所示，其中Pr0為電磁波發射天線，Pr1和Pr2為良導體，Pr3為電磁波接收天線，中間藍色平面表示介質板。從Pr0發出的電磁波，到達接收端Pr3有兩條路徑。

圖2 相干波測量原理圖

路徑一：如圖2中紫色光路所示，入射波振幅Ei，經路徑一到達接收端的電磁波為：

Er1=T⊥εT⊥0R⊥Eie-jφ1

(1)

路徑二：如圖2中紅色光路所示，經路徑二到達接收端的電磁波為：

Er2=T⊥εT⊥0R⊥Eie-jφ2

(2)

其中，R⊥為介質板反射系數，T⊥0和T⊥ε分別為空氣進入介質板和由介質板進入空氣時的傳輸系數。在第一種傳播路徑下的電磁波傳播路徑長度為：

(3)

在第二種傳播路徑下的電磁波傳播路徑長度為：

L=Lr0+2Lr2+Lr3

(4)

接收端電磁波的相位表示為：

(5)

接收端接收到的合成電磁波為：

(6)

其中ΔL=Lr1-Lr2。

測量過程中通過調整反射板Pr2位置即Lr2使得合成波場Er周期性置零，滿足:

得到：

由此可見，相鄰零點(第i個和第i-1個零點)間距為：

(7)

因此當取4個零點時，計算波長為：

(8)

針對上述方法，建立場景如下：電磁波頻率f=9.37GHz，Lr0=0.1m，Lr0=0.23m，Lr3=0.5m。教師建立電磁波生成函數作為基礎調用模塊，主要參數包括：介質板反射系數R⊥=0.1，空氣進入介質和由介質板進入空氣時的傳輸系數分別為T⊥0=0.4和T⊥ε=1.6。

學生調用基礎模塊，驗證相干波測量方法時，通過編程實現粗掃描+最優化搜索零點位置，包括：

粗掃描：掃描變化范圍0.2～0.3m，取樣間隔0.0005m。圖3(a)所示為粗掃描合成波幅值輸出，其中紅色為取得的四個零幅值區間。

精細掃描：選取4個零幅值附近區間，通過細掃描給出電場輸出幅值Lr2關系圖，如圖3(b)所示。

(a)粗掃描

(b)精細掃描圖3 合成波幅值輸出

精細掃描結果中，直接讀取幅值最小的點近似作為零點，此方法精度較低；另一種方法是，采用插值法計算，例如使用MATLAB函數可方便實現：

interp1(Er，sl，0，'spline'，'extrap')

因此，在上述工程中即完成了教師搭建電磁波生成平臺，學生獲取函數接口，并通過掃描采樣學習理解相干波空間分布特征的教學內容，體現了學生參與構建電子教材的重要特征。

結語

本文以數字化信息技術為基礎，立足于電磁場與電磁波課程教學，充分發揮信息類專業教師本身的技術優勢，構建一套具有自媒體屬性、強互動、開放性的電子教材設計思路，采用教師為引導，學生為主體的自發性教學方式，激發學生的內源性學習驅動力，達到抽象的物理規律具象化，學生參與任務模塊化，教材定義個性化的教學目標。