“電磁場與電磁波”課程教學改革研究

胡寶晶 楊利

［摘 要］ 通過分析“電磁場與電磁波”教學過程中出現的典型問題，首先將教學內容具體化，通過案例分析其中蘊含的思政意義。其次，將理論內容與馬克思主義的基本原理相結合，達到以教育人的效果。之后，通過補充“電磁場與電磁波”在生活中的應用，使學生能夠從身邊案例中尋找所學知識點的蹤跡，溫故知新。最后，對傳統的單一化讀寫教材的教學方式進行了全新的教學改革，增加了CDIO教學法，解決了原理性強、內容繁多的問題；增加了對分課堂PAD教學法，解決了教學時長受限、課本局限的問題；增加了PBL教學法，解決了教學設施有限、高數學能力要求等問題。

［關鍵詞］ “電磁場與電磁波”；教學改革；思政意義；實際應用

［基金項目］ 2019年度國家自然科學基金“基于多維數據融合的民航無線電干擾實時監測研究及系統設計”（61863035）；2022年度云南省科技廳農業聯合專項“基于黑磷和二氧化釩的動態雙調諧完美吸波體”（202101BD070001-064）；2022年度云南農業大學一流課程課題“通信電子線路一流課程建設”（2021YLKC114）

［作者簡介］ 胡寶晶（1983—），男，云南大理人，博士，云南農業大學理學院副教授，主要從事電子技術研究；楊 利（2002—），女，云南昆明人，云南農業大學大數據學院2021級計算機科學與技術專業本科生，研究方向為電子線路。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）02-0045-04［收稿日期］ 2022-10-31

“電磁場與電磁波”是高等院校電子信息專業的必修課程，為學生之后在無線電波通信技術、衛星通信、天線技術等領域深入研究打好穩固的地基。然而，“電磁場與電磁波”涉及的復變函數、矢量分析、積分方程等數學領域的知識很多，對學生運用數學的能力要求極高。不僅如此，課時的壓縮使本就不充裕的學習進程更加緊湊；同時，科技的快速更新使得課本上的內容顯得略微落后。此外，年復一年使用的基礎實驗器材，導致實驗還停留在最開始的狀態。隨著黨的二十大的召開，習近平總書記強調：我們要堅持教育優先發展、科技自立自強、人才引領驅動，加快建設教育強國、科技強國、人才強國，堅持為黨育人、為國育才，全面提高人才自主培養質量，著力造就拔尖創新人才，聚天下英才而用之［1］。基于以上情況，我們將典型案例進行剖析，與思政意義結合，做到以學育人。再將生活中實際使用的應用與所學的知識相結合，實時更新補充課本內容，做到學以致用，知行并進。最后，我們將傳統的教學模式進行了全新的教學改革和創新，創新了CDIO教學法，并將對分課堂PAD教學法、PBL教學法加以綜合運用，全面提升學生做人做事的水平，達到為國養英才之目標。

一、“電磁場與電磁波”教學中存在的問題

通過以往教學所累積的經驗，筆者發現電子信息工程系“電磁場與電磁波”課程的傳統教學主要存在以下幾方面的問題。

（一）學時受限，內容繁多

“電磁場與電磁波”課程的教學僅有48個學時，加之其中原理性內容繁多，大量的公式需要推導，還要結合實驗進行實操驗證，更有實時內容要進行補充擴展，因此本就不充裕的學時顯得十分緊湊。快節奏的學習進度，讓學生無法深刻理解其本質，導致學生半懂不懂地學習，課下缺乏自主學習查漏補缺，導致基礎不扎實，影響之后的深入研究。

（二）對學生的數學能力要求較高，需要扎實的數學功底

“電磁場與電磁波”中涉及的矢量分析、各種定律的驗證、各種方程組的計算等都需要靈活運用高等數學、復變函數、微積分等數學知識及總結規律等數學思維。又由于這些數學知識是不同學期所學，沒有及時回顧復習而對知識點有遺忘無疑又增加了學生活學活用相關數學知識的難度。

（三）教學環境和設施有限

除了課本上的理論知識學習外，還需要學生動手實驗驗證所學的公式定理的正確性，讓學生學會最基本的實驗、記錄、假設、分析、總結等，不僅通過聽說讀寫記憶所學知識點，更要從科學由來的本質上去認識所學的知識。但是由于現在所用的實驗器材年代久遠，部分器材的內部結構老化，影響實驗的結果。加之這些器材遠落后于時代的發展，學生只能做最原始的實驗，無法進行更多的實驗內容和創新突破。

（四）原理性強，課本知識局限和抽象

由于“電磁場與電磁波”所學的內容抽象，學生無法在現實生活中有直觀的感受，各種數據算出來的結果只能停留在死記硬背的概念上。冗長的計算、繁縟的概念、多樣的情況分析讓學生在學習和記憶的過程中舉步維艱，如此助長了畏難情緒，最后導致學生失去了學習的欲望，學習的積極性降低，教學的效果不佳。

二、“電磁場與電磁波”教學改革

針對電子信息工程系在“電磁場與電磁波”教學過程中出現的一系列問題，本文通過深入剖析典型案例，分析其蘊含的思政意義，并且結合現實生活中的運用闡述所學知識，最后提出一系列創新的教學方式，來實現全面提升學生成人成才的目標。

（一）教學內容改革

1.剖析典型案例，挖掘其所蘊含的思政意義。（1）用辯證唯物主義基本原理理解電磁場的物理性質。人們對事物的認識是從宏觀的、可用五官感知的現象開始的。例如，石頭落入水中會泛起陣陣波紋，琴弦的撥動引起振動波等，這些波的傳播過程都離不開氣體、液體、固體等物質，需要以這些物質作為介質進行傳播。根據馬克思主義的物質觀，世界是由物質與意識組成的，意識是物質世界的主觀映像，意識對物質具有能動作用。為此，法拉第通過物質感知的現象，在頭腦中改造后引入了磁力線的概念。然而，新事物的產生在那個年代是很難讓人接受的。盡管電磁場看不見、摸不著，但可以通過其他物質作用的結果來認識它。于是利用馬克思主義的物質觀，通過對電磁場物理性質的認識，讓學生能夠通過馬克思主義的世界觀認識世界。（2）用唯物辯證法中矛盾對立統一的思想分析電磁波。大量的歷史經驗反映了客觀世界發展的普遍規律，而一切事物之間的本質關系和發展動力在于事物的對立統一，即周圍的一切事物都是運動的、互相聯系的。對于電磁波中所涉及的電場與磁場的轉換，就可以通過它們的對立統一的關系去理解。從對立統一的角度理解電磁波：在對立統一的電場與磁場相互依存，相互聯系的前提下，它們共同處于一個統一體中，如麥克斯韋的第一和第二方程所述，它們在一定的條件下又互為條件，相互轉化。從矛盾的對立性來看，二者又各有區別，如麥克斯韋第三和第四方程所述，磁通量恒連續，磁場恒為散場等。讓學生學會用具體問題具體分析的方法探討事物之間的區別。

2.補充實際應用的教學內容，靈活運用所學知識，緊跟前沿科技，做到不脫節。（1）電磁場與電磁波在移動通信中的應用。電磁場與電磁波的最初應用是基于模擬蜂窩所建立的移動電話系統，這個階段主要依靠分頻多址技術。此后深入研究3G、4G和5G技術，將其與無線電波結合，利用電磁場與電磁波的原理不斷改進和完善，有效擴大了通信訊號的覆蓋范圍，極大降低了時間復雜度，高效傳輸的同時也保障了用戶的使用體驗。（2）電磁場與電磁波在微波通信中的應用。電磁波是微波通信的信息載體，同時電磁波的產生又依靠于電磁場。因為電磁波的傳播速度近似于光速，所以電磁波攜帶的信息在空氣中傳播的速度極快。電磁波遇到電子信號接收設備，根據設備設定的濾波范圍便可以篩選信息。（3）電磁場與電磁波在衛星通信中的應用。衛星通信是微波通信的一種，各國通過對衛星通信的深入研究，發現電磁場與電磁波技術能夠讓衛星通信所依托的信號質量得到提高。微波通信與衛星通信有相似之處，二者利用中間站，可有效保證信息的傳播、轉換等。（4）電磁場與電磁波可應用于磁懸浮列車中。驅動磁懸浮列車的原理可分為利用磁場間異性相吸的定理和磁場間同性相斥的定理。同時，在車底部和兩側安置磁鐵，讓電磁鐵與軌道間保持間隙，利用這種引力抵抗萬有引力，使之懸浮于空中，大大減少阻力，提高運行的速度，并且還能保障其穩定性。

（二）教學方法創新

1.CDIO教學法。CDIO工程教育模式，即將構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運行（Operate）運用到教學過程當中［2］。第一，構思（Conceive）部分是教師在講授完理論課程后，給出具有實際工程價值的問題讓學生分析思考，學生自行選命題或者自定命題，但所自定的命題要經過教師確認可行才可進行下一步。第二，設計（Design）部分可通過思維導圖的方式進行。學生通過思維導圖分解問題，并將分解的問題再一一對應所學的知識點畫一級標題，又將一級標題中涉及的知識點用二級標題等依次細化，同時借助彩色筆進行重點等級分類和標注補充。思維導圖的過程也是學生掌握和消化所學知識點的過程，需要學生在畫思維導圖之前進行大局觀的判斷和思考，這樣在畫的過程中也會順暢很多，幫助學生解決各個步驟中面臨的問題。不僅如此，學生在設計圖示化的內容的過程中也會將知識點記憶得更加牢固，不易出現知識點錯亂的現象。第三，實現（Implement）部分是根據所定命題的難易程度進行分工，學生5～8人組成一個小組，每組成員都要參與其中，輪流擔任項目負責人，共同協助項目的進行，這樣有助于小組的團隊合作及保證項目的最終成果。最后，運行（Operate）部分是小組成員利用課余的時間到實驗室進行測試，在提交方案的前一周將查找文獻、設計報告、實驗數據等總結合并，向教師匯報，匯報的過程中鼓勵學生勇于表達自己。在此基礎上再通過多元互評的方式，學生各小組互相打分，最后以去掉最高分和最低分后的平均分作為一部分分數，大部分分數由教師最終給出。這種方式一是優化了最后所得成績的結果，二是能夠讓學生學會互相學習借鑒，差則補之，好則保持。

2.對分課堂PAD教學法。PAD即講授、作業、討論三個模塊，根據學生的學習規律進行規劃和設計。第一個模塊講授部分是教師通過板書與多媒體結合的方式進行教學。因為對于“電磁場與電磁波”中涉及的矢量場、電磁波極化等抽象的內容來說，僅靠描述是十分生硬晦澀的，學生不容易接受消化。但利用多媒體的圖形、配音、色彩、動畫、視頻等便可以從另一個維度更直觀地記憶這些知識點。同時，視覺的沖擊能夠有效緩解僵硬的課堂局面，活躍課堂的氛圍，提高學生的求知樂趣。最后配上精簡整齊的板書筆記，所學內容一目了然，大大提高了學生學習的效率，增加了課堂的知識容量。第二個模塊作業部分是通過習題文獻和科技論文寫作的方式進行。習題文獻的本質是促進學生自我學習，學會學習的有效途徑。書上的課后習題雖然大部分是根據前面所學的知識點出的，但是一小部分習題及習題的背景是學生可以通過知網、谷歌學術、維普、萬方等搜索相關文獻，拓寬知識面，從文獻中發現一些方法的本質，自己可以總結其規律，并可以積累這些經驗，為以后深入研究做鋪墊。科技論文的寫作可以鍛煉學生思維的嚴謹性，精準表述學生的學術思維，為之后的畢業設計打好基礎，也能夠讓教師在閱讀所寫論文的過程中發現學生的問題，及時進行答疑指導，全面提升教學的效果。第三個模塊討論部分是將主動權交給學生，學生之間相互討論交流，學生再將討論不出的問題進行記錄總結，反饋給教師，最后教師再進行答疑總結。由此，既幫助學生解決了學習過程中遇到的問題，又減輕了學生的學習負擔，同時促進了學生和教師之間的交流及學生與學生之間的交流。

3.PBL教學法。PBL（Problem-based Learning）教學法是以問題為導向的教學方法［3］。近年來，互聯網技術在線上教育平臺迅猛開發，基于此便有了PBL教學法的混合教學模式。整個教學方法分為基礎教學模塊、答疑與測驗模塊、擴展學習模塊三個模塊。基礎教學模塊為教師在線上上傳課程資源，在線下進行引導學習和問題設置，學生在線上學習，教師梳理知識點和講解重難點；答疑與測驗模塊為學生在線上進行提問，教師在線下總結問題，并重新講解相關知識點，在線上布置作業與考試進行測驗回顧；擴展學習模塊為線上教師進行專題的分類，學生進行專題的研討，線下教師總結創新、鼓勵和引導創新，學生于線上設計研究進行仿真實驗。而仿真實驗又可通過有限差分時域仿真設計軟件（FDTD）進行實驗，該仿真實驗增加了學生動手的能力，打破了空間環境的局限。虛擬的仿真實驗可以幫助學生在沒有解題思路的情況下，根據所需問題進行實驗得到結果，最后根據結果反推中間缺失的過程，逆向分析更能鞏固學生所學知識，鍛煉學生的創新思維，學會分析和解決問題。并且，由于“電磁場與電磁波”的內容抽象，公式復雜，學生在學習的過程中便可以借助MATLAB進行計算，可以大大縮短計算的時間。不僅如此，MATLAB還可根據所列寫的公式將圖像畫出，這便可以從可視化的角度幫助學生理解公式所用的本質意義。例如，平面電磁波在介質界面的反射、透射等，便可運用MATLAB，只需改變參數、固定圖形，根據前者與后者的圖像變化便可以總結規律。這種教學方法主要是基于學生的問題反饋進行的線上與線下的教學方式，有效鍛煉學生學習的自主性，可及時解決學生學習過程中遇到的疑難雜癥，同時可視化的結果呈現也讓學生很有成就感，促進良性學習，提高教學效果。

結語

本文分析了“電磁場與電磁波”教學過程中存在的學時受限問題：內容繁多；對學生的數學能力要求較高，需要扎實的數學功底；教學環境和設施有限；原理性強，課本知識局限和抽象等，深入剖析了典型案例的思政意義，并補充了知識點在現實生活中的實際應用，創新了一系列教學方法，很大程度上解決了這門課程的教學問題。這樣的教學改革對學生的自主學習、知識獲取的能力、動手實操的能力、思維創新的能力等都有促進作用，同時對這種工科的課程改革也具有一定的指導意義。

參考文獻

［1］習近平：高舉中國特色社會主義偉大旗幟 為全面建設社會主義現代化國家而團結奮斗：在中國共產黨第二十次全國代表大會上的報告［EB/OL］.（2022-10-25）［2022-10-27］.https：//www.gov.cn/xinwen/2022-10/25/content_5721685.htm.

［2］李雪萍，張瑜.基于CDIO的“電磁場與電磁波”課程教學改革探討［J］.求知導刊，2016（5）：141-143.

［3］劉雯景，王驥，徐國保.工程教育專業認證下“電磁場與電磁波”課程的改革［J］.電氣電子教學學報，2022，44（4）：63-66.

Research on Classroom Teaching Reform of Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave

HU Bao-jinga， YANG Lib

（a. College of Science， b. College of Big Data， Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan 650201， China）

Abstract： This paper analyzes the typical problems that arise in the teaching process of Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave. In view of these problems， we first concretize the teaching content， analyze the ideological and political significance contained in it through cases， and combine the content with the basic principles of Marxism to achieve the effect of educating people through teaching. Secondly， by supplementing the application of electromagnetic fields and electromagnetic waves in life， students can find traces of the knowledge points they have learned from the cases around them， so that they can learn new things from the past. Finally， a new teaching reform is carried out for the traditional teaching method of single literacy teaching materials. The CDIO teaching method was added， which solved the problems of strong principle， much content and abstraction. The PAD teaching method of divided classroom has been added to solve the problem of limited teaching time and limited textbook knowledge. The PBL teaching method was added to solve the problem of limited learning environment and facilities and high mathematical ability requirements.

Key words： Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave; teaching reform; ideological and political significance; practical application