“電磁場與電磁波”課程教學改革初探

［摘 要］ 在新工科的內涵和背景下，研究了“電磁場與電磁波”課程改革的思路和方向。“電磁場與電磁波”作為典型的工科原理類課程，內容抽象、難以理解。針對目前“電磁場與電磁波”課程教學中存在的問題，如學員有畏難情緒、學習熱情欠缺，教學資源欠缺特色，課程思政欠缺體系性等，從構建心理賦能式教學方式、構建動態可視化教學資源、構建體系化課程思政設計三方面入手，改革“電磁場與電磁波”課程的教學現狀，形成有目標、有措施、有效果的“電磁場與電磁波”課程改革路線。

［關鍵詞］ 電磁場與電磁波；教學改革；教學方式；教學資源

［作者簡介］ 馮慧婷（1983—），女，河北邢臺人，碩士，海軍工程大學電子工程學院講師，主要從事無線、有線通信等研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）08-0076-04 ［收稿日期］ 2023-12-04

引言

自2016年提出新工科概念以來，教育部便積極推進新工科建設和發展。什么是新工科、為什么要建設新工科、如何建設新工科，都是需要迫切解決的熱點問題［1-2］。新工科概念的提出，給傳統工科課程帶來了發展革新的機遇和挑戰。我校在課程建設上積極響應教育部的號召，深入探索在新工科要求下工科原理課程應該如何建設。同時，我校作為軍事院校在人才培養上具有特殊性，軍隊院校因打仗而生、為打仗而建，必須圍繞實戰搞教學、著眼打贏育人才。為應對滿足新工科的要求和軍事院校人才培養要求的雙重挑戰，“電磁場與電磁波”課程組積極推進課程改革。本文將從課程現狀、改革策略、效果分析三個方面進行探索研究。

一、課程現狀

我校開設了電磁場類課程群，包含“電磁場與電磁波”“微波技術基礎”“天線與電波傳播”三門課程。該類課程涉及我校電子信息和電氣工程專業60%以上的學員，受眾面廣泛，“電磁場與電磁波”作為課程群的首門課程，是后續課程的基石，其重要性不言而喻。筆者通過教學積累、教學評價、追蹤調查等多形式、多角度分析，發現目前課程教學中存在以下問題或不足。

（一）學員有畏難情緒，學習熱情欠缺

電磁場與電磁波是一門綜合性較強的學科，要求學員具備扎實的數學、物理基礎。“電磁場與電磁波”課程多將物理概念以數學公式的形式表現出來，該課程雖然與“大學物理”中的電磁學部分內容有重合、交叉，但側重點不同，該課程中更注重電磁場在空間中每一點的性質，賦予其“場”的分析方法，即重點分析“場”在空間中每一點的特性，也就是其微分特性。分析時多采用場的微分方程，例如在求解靜態場的解時，運用了常微分方程求解；在求解電磁波在導電媒質中傳播的解時，運用了亥姆霍茲方程求解。因此，該課程要求學員具備一定的微積分、數學物理方程、場論等方面的知識［3］。在學習該課程時，部分學員“高等數學”“大學物理”等課程的學習基礎不夠扎實，導致出現畏難情緒，欠缺學習熱情。

（二）教學資源欠缺特色

學員是教學活動的中心，教學資源是課程實施及學員自主學習的重要支撐，必須為學員提供豐富、完整、成體系、有特色的教學資源。目前“電磁場與電磁波”課程的教學資源包含教材、課件PPT及網絡學習資源等。教學資源基本滿足了豐富、完整、成體系的需求，但是特色不夠突出，即沒有針對該課程的特色建設教學資源。該課程內容抽象、難以理解、不直觀、不形象，學員在學習時遇到重點和難點問題，沒有縱向、深入的教學資源配套，如部分學員抽象思維欠缺，對于抽象的概念無法在腦海中構建直觀、形象的模型，這時如果沒有配套的教學資源及時解決學員學習的痛點，就會導致學員在學習時處于一知半解的狀態，不能深入、正確理解電磁問題的本質，甚至會導致教學資源對學員沒有足夠的吸引力，使學員學習缺乏動力。

（三）課程思政欠缺體系性

培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人是教育的根本問題，育人的根本在于立德。理工類課程不能單單滿足于知識和技能的傳授，同樣需要凸顯育人目標。理工類課程在開展素質教育的過程中要全面落實新工科教育理念，實現知識傳授和價值引領的統一。課程組通過調研以及教學實踐發現，該課程在思政教育中存在以下問題：（1）欠缺頂層設計，課程思政的內容或案例是零散、非系統的，未成體系；有時是教員的獨角戲，學員并未積極主動地參與進來。（2）知識傳授和課程思政沒有實現有機融合，往往以“硬”思政的形式呈現給學員，未實現如鹽入水的效果。（3）課程思政的價值目標和教學內容脫節，導致課程思政成了“無源之水”“無本之木”，不能凸顯知識傳授和價值引領的統一。

二、改革措施

針對本課程教學中存在的問題，課程組積極探討教學改革，以適應新工科和我校人才培養方案的雙重要求。教學改革主要從以下三方面展開。

（一）構建心理賦能式教學方式

賦能，顧名思義就是賦予能力及能量。在這里指增加能力、能量，提高自我效能感；著眼于解決問題，挖掘積極因素，提升解決問題的信心，積極主動尋找改善現狀的方式、途徑等。賦能的目的是通過調動、挖掘并利用自身在學習、應對、適應方面的潛在能力，將不利因素轉變為心理能量，增強應對其他危機和挫折的本領，完善心理韌性。學員在學習電磁場與電磁波的過程中，需要運用高等數學和電磁學及場論的知識。如果學員的數學、物理基礎薄弱，便會產生畏難情緒，如果畏難情緒沒有得到及時糾偏，就會進一步使學員產生厭學情緒，即學員在學習本門課程時無求知欲、無動力。教學活動要突出學員的主體地位，因此在組織教學活動時，要喚醒學員的求知欲，點燃學員的學習興趣和探究動力。

基于上述情況，課程組首次嘗試將心理賦能與本課程教學相結合，具體實施方式分兩步走：第一步教師賦能學員，第二步學員自我賦能，最終使學員在課程學習中具備自我賦能的能力，激發自主學習的能動性。第一步教員賦能學員，課程開課前，教員對學員進行多形式的摸底，內容包含課程相關和心理相關兩大類問題調查，以掌握學員學習本門課程“有形”“無形”的基礎，“有形”基礎如高等數學微積分、電磁學等知識儲備，“無形”基礎包含心理建設，如遇到難題時是習慣迎難而上，還是退縮避讓等。根據摸底情況，利用課前5分鐘有針對性地開設“課前聊電磁”活動，可以聊身邊的“電磁人”，也可以聊電磁現象的原理等，內容、形式不限。例如第一次課課前5分鐘的“課前聊電磁”就設定了一個小案例，給學員分享了課程組一位退休老教授的故事：該教授最初是一名醫生，后改行通信專業，并做出了一系列成績。這些成績是學員所熟知的，老教授正是學員身邊的“電磁人”，這樣容易使學員共情，克服基礎不好學不好本課程的心理暗示，并在無形中完成自我賦能。第二步學員自我賦能的建立，可以將“課前聊電磁”活動交由學員自身主導，學員是“課前聊電磁”的導演，自定話題，完成資料搜集、整理、輸出，在學習情境中對電磁現象的本質有所了解，不僅能夠調動學員學習的興趣、熱情，激發學員的求知欲、好奇心，還能夠幫助學員提高自主學習能力，在整個過程中無形激發學員的探究動力，完成自我賦能。

（二）構建動態可視化教學資源

學習認知理論認為，學習是學習者主動對所學內容進行心理構建的過程，該過程需要消耗認知資源，如果學習者在認知過程中，也就是在知識構建過程中使用的資源超過了學習者擁有的認知資源總量，就會阻礙學習。因此，只有通過對學習材料和學習過程的合理設計，才能減少所需的認知資源，從而發揮其有效性。而電磁“場”和“波”，看不見、摸不著，內容抽象，難以理解，學員在知識構建過程中所需的認知資源超過了所擁有的認知資源，就會使學習效果大打折扣，出現認知過程困難的情況，這給本課程教學帶來了很大的挑戰。如果對本課程進行教學資源優化，將抽象、看不見摸不著的內容適宜合理地設計為動態可視化的教學資源，直觀形象地用動畫呈現電磁現象，有助于學員理解復雜的電磁理論知識，激發學員的想象力，把抽象的電磁問題變形象，變難為易、化繁為簡，則可促進學習，優化教學效果。

對于“電磁場與電磁波”課程教學，可借助MATLAB、HFSS等仿真工具，將抽象復雜的電磁問題轉化為直觀可視化的圖像，從而獲得更清晰的空間分布模型或圖像，加深學員對抽象電磁概念的理解。根據課題組教員的教學經驗及總結，結合對學員的問卷調查，梳理了本課程的重點和難點，建立了基本物理量的可視化演示實驗模型及復雜工程的虛擬仿真模型。動態可視化的課程知識點是教學資源體系建設的核心。例如“場”部分以亥姆霍茲定理為主線進行學習研究，亥姆霍茲定理是學習“場”的基石，理解亥姆霍茲定理的基礎是要掌握梯度、散度、旋度，即“三度”的概念和計算。然而“三度”概念難以理解，計算通常比較復雜，學員在理解和掌握“三度”的概念或物理意義時存在一定的困難。基于此，引入MATLAB，對“三度”進行建模仿真，如散度的概念表示空間某點單位體積內散發出的矢量的通量的體密度，反映了矢量場在該點通量源的強度，其中通量是矢量在閉合面積上的積分。基于概念描述，學員不能直觀地理解其物理含義，可借助仿真工具輔助學員理解。矢量在某點的散度值代表著該處是否有散度源，以及源的強弱［4］。矢量場沿著某方向在某點處的散度值取決于各分量沿著自身方向的變化情況，這種變化導致包圍該點的閉合面有凈通量發出。

以點電荷的電場為例，研究點電荷的電場所在點處的變化率及減小方向。通過仿真圖形可以清晰地看到矢量分布情況，中心即點電荷所在位置處矢量模值較大，且方向具有規律性，即表現為由中心向外部發散的方向。同樣可由圖得出矢量的散度在空間的分布，即中心有正源，從原點向外散度值減小。

（三）構建體系化課程思政設計

課程思政是以課程為載體，以立德樹人為根本任務，充分挖掘蘊含在專業知識中的思政元素，將知識傳授和價值引領深度融合，并貫穿教學全過程的教學環節。課程思政的價值目標必須落腳于實實在在的教學內容上，承載了思政價值目標的教學內容被稱為思政元素。課程組在設計挖掘課程的思政元素時，從頂層設計出發，確定好課程思政的目標，并用思政目標指導教學設計、教學內容和教學實施，最終將課程思政目標分解到教學內容的各個教學知識點上。課程思政的設計自教學計劃開始，最終落到課堂設計上，開展形式靈活多樣，如研討式、案例式、情景式等，主要落實以學員為主體，體現學員的參與度。課程組將課程思政目標落實到教學知識點時，以時事熱點、先進裝備、科技項目、大國重器等為牽引［5］，結合電磁場理論的發展脈絡、工程應用和授課內容設計了本門課程的思政元素，將思政元素和知識點與工程應用進行有機融合，在講授知識點的同時融入思政教育，達到“如鹽入水、潤物無聲”的效果。以電磁波的輻射為例，知識點為電磁波的傳播，思政點為南仁東與“中國天眼”的故事，可通過講述南老為“天眼”選址和建設的過程，增強學員的專業認知，培養學員嚴謹、細致、實事求是、精益求精的科學態度。列舉本課程的部分思政元素設計如表1所示。

三、改革成效

自本課程的教學改革方案提出以來，課程組積極實施改革模式。根據近兩年來的課程考核成績、后續課程（如“微波技術基礎”等課程）教員問卷的調查等，對本課程的教改效果進行追蹤。首先，教改后課程平均分相較于教改前有近5分的提高；其次，對學員進行調查，學員的學習熱情有大幅度提高，70%的學員認為本課程有吸引力，對本課程感興趣，65%的學員認為本課程不再是“天書”，有效打消了學員的畏難情緒。后續課程教員反饋，學員對后續課程中所用到的電磁場與電磁波知識掌握好、基礎牢，學員的電磁素養有了明顯的提高。

結語

針對“電磁場與電磁波”課程在“教”和“學”上的難題，本文對新工科背景下的“電磁場與電磁波”課程教學現狀、改革措施、改革成效進行了粗淺的探討。力求提升學員的綜合學習能力，培養學員扎實的電磁工程素養、人文素養，形成有目標、有措施、有效果的“電磁場與電磁波”課程改革路線。

參考文獻

［1］“新工科”建設復旦共識［J］.復旦教育論壇，2017，15（2）：27-28.

［2］“新工科”建設行動路線（“天大行動”）［J］.高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

［3］梅中磊，曹斌照，李月娥，等.電磁場與電磁波［M］.北京：清華大學出版社，2018：25-70.

［4］邵小桃.電磁場與電磁波（M+BodcoK）［M］.2版.北京：北京交通大學出版社，2021：52-85.

［5］林健.新工科專業課程體系改革和課程建設［J］.高等工程教育研究，2020（1）：1-13，24.

Discussion on Teaching Reform of Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave

FENG Hui-ting， WU Hua-ning， ZHAO Lin

（School of Electronic Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033， China）

Abstract： This article studies the ideas and directions of electromagnetic field and electromagnetic wave course reform under the connotation and background of new engineering. As a typical engineering principle course， the electromagnetic field and wave course is abstract and difficult to understand. In view of existing problems in current course teaching， such as students， fear of difficulties and lack of enthusiasm for learning， the teaching resources， lack of feature， and lack of systematicness of ideological and political education. This article studies from three aspects： constructing a psychological empowerment teaching method， constructing dynamic visualization teaching resources， and constructing systematic ideological and political education design， to reform the teaching of electromagnetic fields and waves courses， forming a goal oriented and measure oriented approach an effective curriculum reform route for Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave.

Key words： Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave; teaching reform; teaching methods; teaching resources