基于建構主義的電磁場虛擬仿真實驗教學設計與實踐

摘 要：電磁場是電氣工程專業的基礎課程，在實際教學過程中，存在實驗課程與理論課程脫節、脫離工程實際、教學效果不理想的問題。根據國家一流課程建設“兩性一度”要求，該文結合建構主義和教育心理學教學方法將虛擬仿真技術應用于電磁場教學，建設虛擬仿真實驗平臺，討論教育建構主義的電磁場虛擬仿真實驗教學設計與教學方法，突破實驗教學對客觀條件的依賴性，激發學生的學習興趣和探索求知的熱情，提升高校實驗教學水平和人才培養質量。

關鍵詞：電磁場教學；虛擬仿真；實驗教學；建構主義；一流課程

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）29-0111-05

Abstract： As the Electromagnetic fundamental course of electrical engineering major， Electromagnetic Field course teaching usually focus on theoretical teaching without considering the engineering practice. According to the requirements of the national first-class curriculum construction， this paper applies virtual simulation technology to Electromagnetic Field teaching in combination with constructivism and educational psychology teaching methods， builds a virtual simulation experiment platform， discusses the teaching design and teaching methods of educational constructivism. The study breaks through the dependence of experimental teaching on objective conditions， and stimulates students' learning interest and enthusiasm for exploring knowledge. It has improved the level of experimental teaching and the quality of talent cultivation in universities.

Keywords： Electromagnetic Field teaching; virtual simulation; experimental teaching; constructivism; first-class courses

基金項目：2023年山東省本科教學改革研究面上項目“基于生成式設計的‘三聯三合’電氣課程教學改革與實踐——以電磁場為例”（M2023202）；2021年度山東大學高等學歷繼續教育教學改革研究項目“電磁場”（2021CE07）；2022年度山東大學教育教學改

革與研究項目“工程電磁場仿真與實驗”（2022Y163）

第一作者簡介：仲慧（1974-），女，漢族，山東濟寧人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為高等教育，電磁場分析與計算。

*通信作者：王曉龍（1982-），男，漢族，山東壽光人，博士，教授，院長助理。研究方向為高等教育，高電壓技術。

建構主義最早由瑞士皮亞杰（J.Piaget）提出，其是在人類認知發展基礎上產生的學習理論和教學理論。建構主義學習環境包含情境、協作、會話和意義建構等四大要素，這一理論強調以學生為中心，將學生由信息的被動接受者和知識的灌輸對象轉變為信息加工的主體、知識意義的主動建構者[1]。建構主義的教學模式是教師指導下的、以學生為中心的學習，在這種模式下，教學過程中所包含的教師、學生、教材和媒體四個要素[2-3]彼此相互聯系、相互作用，形成一個有機的整體。電磁場虛擬仿真實驗教學模型如圖1所示。

一 建構主義與電磁場虛擬仿真

一流本科課程建設，要求教學組織與實施突出學生中心地位， 根據學生認知規律和接受特點，創新教與學的模式，因材施教[2]。電磁場課程由于其自身知識體系特點，一直存在概念抽象、數學計算復雜的問題，同時在實際教學過程中，受到電磁場實驗復雜、實驗耗時較長、關鍵測試設備價格昂貴等問題的限制，實物實驗開展困難，存在理論教學與實驗研究驗證脫節、實驗教學脫離工程實際的問題。相比于大學物理電磁學，電磁場課程更關注于場的空間分布，突出微分形式，對邊值問題進行建模，為解決實際工程問題提供理論依據作為教學目標。將虛擬仿真實驗與實際實驗相結合，突破實驗教學對客觀條件的依賴性，不僅可以滿足實際課堂教學需要，同時可以讓抽象的電磁場理論可視化呈現，調動學生學習和參與實踐的積極性和主動性，讓學生對真實實驗難以開展的電磁場理論和電磁現象進行深入了解，提高學生的實踐能力，實現將學生培養為具有創新精神和實踐能力的復合型人才的目標。

多媒體計算機和網絡通信技術作為建構主義學習環境下的理想認知工具，能有效地促進學生的認知發展，在這種場合下，建設電磁場虛擬仿真實驗，有利于實現建構主義學習理論中的四要素，即以工程項目創設“情境”，通過實驗過程中的分工合作實現“協作”，而“會話”是協作過程中不可缺少的環節，實驗學習小組成員之間必須通過會話商討如何完成規定的實驗任務，“意義建構”則是整個仿真實驗過程的最終目標，通過仿真實驗有效實現電磁場空間分布形象化地展示，突出微分形式和邊值問題建模運用場合，合理運用物理引擎和仿真軟件將電磁場知識準確、高效地呈現給學生，實現一流課程需要具備的“兩性一度”特性，即高階性、創新性和挑戰度[4]。在學習過程中，“協作”對學習資料的搜集與分析、假設的提出與驗證、學習成果的評價和意義的最終建構都具有重要作用。

二 電磁場虛擬仿真教學設計

傳統電磁場實驗教學設計中有許多優點，但也存在著一個較大的弊病，即以教師為中心，全部教學設計理論都是圍繞如何“教”而展開，很少涉及學生如何“學”的問題。在這種實驗教學模式下，學生大部分時間處于被動接受狀態，主動性、積極性很難發揮，更不利于創新型人才的成長。基于建構主義的電磁場虛擬仿真教學，從教學原則和教學方法上都需要重新進行設計。

（一） 基于布魯姆法則的實驗教學規劃

基于建構主義學習理論，學生作為認知的主體，是知識意義的主動建構者，在教學過程中，按照布魯姆法則，根據認知度差異，將需要記憶的場量概念與公式，需要理解的電磁場定理等低認知度的內容設計為演示驗證實驗；將對電磁理論的應用、對實際工程中電磁現象的分析以及對電磁工程方案的評價等高認知度內容設計為基礎仿真實驗；結合當前的新知識，新技術以及前沿的科技活動相關內容，進行虛擬仿真創造性實驗。

（二） 仿真實驗教學的情景創設

多媒體技術是創設真實情境的最有效工具[5]，通過與仿真技術相結合，建設電磁場虛擬仿真實驗課程，對于電磁場課程的學習具有重要意義。

演示驗證實驗中，學生通過理論學習界面和數據輸入界面進行理論分析和計算，然后觀看實物演示實驗視頻，驗證理論學習的成果；虛擬基礎實驗中，學生采用計算機軟件，通過虛擬仿真平臺提供的仿真電路和器件，搭建仿真平臺，進行電磁場的計算分析和圖像展示；觀看實物演示實驗視頻，驗證理論學習的成果；虛擬仿真創造性實驗中，學生則可以自主選取典型、有趣的電磁場問題主動去設計仿真實驗內容，實驗方法并最終展示仿真結果。

基于Matlab GUI編寫的電磁場虛擬仿真實驗平臺實驗界面和螺線管磁場分布如圖2、圖3所示。在平臺中，通過嵌入有限元軟件進行場分布展示，讓學生通過仿真實驗創設的情景建立相應的電磁場知識體系。

（三） 電磁場虛擬仿真實驗教學設計原則

在電磁場虛擬仿真實驗平臺建設及實驗教學過程中，采用以下教學設計原則。

1 強調以學生為中心

在教學設計中，明確“以學生為中心”，要在學習過程中充分發揮學生的主動性，通過實驗內容自主性體現出學生的首創精神；激勵學生采用不同的方法去解決同一個工程案例或者創設不同的工程應用案例情境，讓學生在多個情景下應用他們所掌握的電磁場理論知識；通過仿真實驗結果能讓學生清晰地了解自己對電磁場理論的掌握程度，能夠明確解決實際電磁場問題的方案，形成自我反饋。

2 強調“情境”對意義建構的重要作用

在仿真實驗設計中，根據教學目標，設計不同的工程應用實例，構建生動、豐富的“情景”，讓學生能利用自己原有認知結構中的有關經驗去同化和索引當前學習到的新知識，實現對電磁場理論工程應用的建構。

3 強調“協作學習”對意義建構的關鍵作用

通過引用實際工程案例，學生們可以在教師的組織和引導下討論和交流，通過協商和辯論最終形成實驗方案，構建仿真模型。這種協作學習環境實現了整個學習群體共同完成對所學知識的意義建構。

（四） 電磁場虛擬仿真實驗教學模型

基于建構主義教學模式，電磁場虛擬仿真實驗教學從維果斯基的“最鄰近發展區”理論[6]出發，創設概念框架，將學生引入問題情境，確定將要分析的工程問題與給定概念的關聯性并進行分析，在分析過程中通過小組協商、討論最終確定仿真模型并進行仿真，在共享集體思維成果的基礎上達到對當前所學電磁場概念比較全面、正確的理解，最終完成對所學電磁場知識的意義建構。在實驗結束后，通過教師評價、學生自我評價和小組評價方式來檢驗對電磁場知識的掌握以及學生素質能力的提升。

三 電磁場虛擬仿真實驗教學實踐

虛擬仿真實驗的教學結構模式如圖4所示，圍繞課程目標，以工程案例組織教學活動，并結合智慧教學環境，開展多維度的教學評價。以接地電阻實驗為例，指導教師根據課程目標要求提出實驗任務與目標，指導學生圍繞恒定電場理論與計算方法的學習主題建立起靜電場和恒定電場的知識框架，并在該框架內對創設的實際工程環境進行分析，對不同形狀電極、不同接地電流“情景”進行分析，建立電流和電場強度計算仿真的物理模型及數學模型，編寫程序，得出仿真結果，并對結果進行討論分析，最終獲取影響接地電阻大小的因素。在仿真結果展示過程中，由學生來評價計算模型的優缺點，分析計算模型中應用的電磁場理論，將理論轉化為實際應用的能力。

按照電磁場虛擬仿真實驗教學模型，在山東大學電氣工程學院2020級和2021級進行了兩輪教學實踐。經過近兩年的課程建設，電磁場虛擬仿真實驗教學已經形成了完備的教學文檔，電磁場課程被評為山東省混合式一流課程。考核評價體系見表1。

2022年春季課程結束后，基于騰訊問卷平臺開展了電磁場仿真實驗教學效果調查。參與調查的為2020級共268名學生，共回收問卷221份，評價調查結果如圖5所示。調查結果顯示，85%以上的學生對電磁場仿真教學模式表示滿意（圖5（a）），90%以上的同學認為通過課程獲得了能力的提升（圖5（c））。電磁場仿真實驗能力培養調查結果如圖6所示。同時問卷調查顯示，學生通過電磁場仿真實驗課程，不僅掌握了電磁場概念和理論，而且提升了對計算機軟件應用的能力以及團隊合作溝通能力、實踐創新能力和寫作能力，從而提升了自身的綜合素質。

四 結束語

電磁場虛擬仿真實驗課程的教學利用虛擬仿真教學技術的特性和優勢，實現了建構主義學習理論中的四要素，以工程項目的電磁場問題創設情景，利用模擬虛擬實驗環境將抽象的電磁場理論可視化呈現，調動學生學習和參與實踐的積極性和主動性，讓學生對真實實驗難以開展的電磁場理論和電磁現象進行深入了解，加快了學生從理論電磁場分析向實際電磁測試實驗構建的過程，為學生提供了一個解決科研問題和工程設計問題的專業平臺，為學生“創新性”的培養提供了有力支撐，有效地將理論、實驗、仿真三者相融合，使學生綜合能力和專業素質得到漸進式的鍛煉和培養。

參考文獻：

[1] 張紅霞.教育科學研究方法[M].北京：教育科學出版社，2009.

[2] SOFIE M. M. L， DAVID G. Understanding the effects of constructivist learning environments： introducing a multi-directional approach[J].Journal Instructional Science，2008（36）：351-357.

[3] 教育部關于一流本科課程建設的實施意見（教高〔2019〕8號）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

[4] ANDERSON L W， SOSNIAK L A.Bloom's Taxonomy [M]. Chicago：University of Chicago Press，1994.

[5] 何克抗.教育信息化發展新階段的觀念更新與理論思考[J].中國教育科學（自然科學版），2016（2）：23-29，22.

[6] 馬秀芬，李克東.皮亞杰與維果斯基知識建構觀的比較[J].中國電化教育，2004（1）：20-23.