电磁场与电磁波课程教学质量提升方法研究

电磁场与电磁波课程教学质量提升方法研究作者：陈雪花胡贞华
来源：《中国教育技术装备》2024年第09期
摘要电磁场与电磁波课程在培养电子信息技术专业人才中发挥着重要的作用，但因知识点多，物理模型抽象，运用的数学知识多，使其难“教”、难“学”，需采用多元教学方法。

通过分析思政元素的注入，线上和线下教学相结合，实验HFSS仿真，案例教学，板书和多媒体技术相结合及思维导图等多种教学方法在课程教学中的应用，探索提高教学质量的有效方法。

关键词电磁场与电磁波；课程思政；多媒体；思维导图
中图分类号：G642.0 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2024）09-00-04
0 引言
随着移动手机、蓝牙技术和无线宽带技术的日渐普及，无线通信技术对人们的生活和生产方式产生越来越大的影响。

而技术的应用和进步则依赖人类对电磁场与电磁波的认识和开发。

为满足社会对电磁场与电磁波专业人才的需求，各大高校竞相开展了对电子信息专业人才的培养。

电磁场与电磁波作为研究宏观电磁场与电磁波基本属性、普遍规律及其应用的课程，成为本科电子信息类专业必开的专业基础课，是后续微波技术与天线、无线通信、光纤通信等课程的先修课程。

由于电磁场与电磁波具有看不见、摸不着，空间分布复杂，理论模型抽象的特点，其物理定律和客观存在性都依赖数学语言的描述，矢量分析和微分方程贯穿整个课程。

因此，电磁场与电磁波虽被列为电子信息类专业的专业基础课，但其“教”和“学”历来都是难点，对其教学方法的研究也是国内外各大高校的重点[1-5]。

本文对各种教学方法进行探讨和总结，找出适合笔者所在学校校情的最优教学方法，提高教学的质量和效率，并为其他从事电磁场与电磁波教学的教师提供参考。

1 教学质量提升方法
1.1 思政元素切入，从内激励学生的学习热情和学习兴趣
课程思政是一种教育教学理念，是教师在教学过程中，把能唤醒学生学习动机和学习兴趣的元素“无声”地融入课程教学，促使学生建立起正确的世界观、人生观和价值观，发展出优秀的做人做事的素养和品格[6]。

而大学阶段正是一个人心理发展的黄金时期，良好的激励可巩固其正确的人生观和价值观的形成，促使其道德修养和精神境界升华[7]。

电磁场与电磁波中有很多可切入的思政元素点。

自从库仑提出电和磁有本质上的区别以来，很少有人再会去考虑它们之间的联系。

而安培和毕奥等物理学家认为电和磁不会有任何联系。

可是奥斯特一直相信电、磁、光、热等现象相互存在内在的联系，经过不懈的实验，终于在1820年通过实验发现了电流的磁现象。

此例体现了“不迷信，不盲从”，勇于尝试的精神。

而“电学之父”和“交流电之父”法拉第出生于贫困的铁匠家庭，只上过两年小学，但他勤奋好学，不放过任何一个学习的机会，积极参加各种学术活动，努力工作，重视实践，终在1831年发现了电磁感应定律，并根据这个定律，发明了人类历史上第一个发电机。

而他的成就也不仅于此，他还是电场、磁场的提出者，引入电场线和磁场线解释电和磁现象，“磁光现象”的发现者。

此例体现了“英雄不问出身”，勤奋好学，不懈努力可突破出身的限制，使个人在某些领域获得很高的成就，可激励学生自强不息，勤奋刻苦，坚定不移地朝目标努力。

微波炉的加热原理、微波中继站的架设、极化在增加通信容量中的应用，雷达隐身的实现，磁卡的消磁现象，飞机上禁用手机，潜水艇不能采用微波通信等日常生活中常见现象的穿插，可以使学生发现抽象的电磁场其实与日常生活密切相关，从而激发学生的学习兴趣和学习热情。

1.2 线上+线下混合教学，有效应对疫情，停课不停学
线下教学是传统的教学模式，学生和教师集中在学校里，教师在授课的同时观察学生的接受情况，实时调整教学的进度，同时督促开小差的学生，引导学生往正确的方向发展。

并且学生可以使用学校的仪器和设备，通过实验的现象和数据，加深对理论知识的理解。

“言传身教”是线下教学的一个重要的特点。

线上教学是教师和学生在网络平台上进行的教学活动。

新冠疫情暴发后，教育部提出“停课不停教，不停学”的要求，加速了在线教学在全国的推广。

目前在线教学主要的教学模式有“直播+在线互动”和“录播+在线互动”两种；教学平台有中国大学MOOC、爱课程、超星等各类教学资源平台及钉钉、腾讯等技术服务平台。

线上教学能跨越时空组织教学活动，教学资源丰富，教学时间灵活，能很好地应对因疫情或其他因素导致的“停课、停学”的状况，保证了教学的连续性。

线上教学最大的挑战是如何保证学生的学习投入问题。

布卢姆等指出学生花在积极学习上的时间不能少于需要的时间才能掌握某门学科[8]。

而学习投入的時间往往受到学习氛围的制约。

线下学习受老师和同学的监督，学生更容易集中精力。

线上学习缺乏与老师和同学的互动，经常出现老师在直播，学生把视频打开后，便做其他的事情去了；隔着屏幕，教师无法从学生的眼神和表情判断学生是否与自己同步，只能机械地讲完课前准备的内容，这种情况也是导致学生容易分神的主要原因。

尽管在线教学最初是为避免因疫情导致的大规模的长时间的停教、停学而推广的教学方式，但三年的时间也让人们看到了它的先天优势和在教学中的积极作用，有着传统的线下教学不具备的时间和空间上的灵活机动、可重复观看的优势。

因此，在后疫情时代，更应考虑如何把线下线上教学有机结合在一起，根据每门课程的特点，合理划分线上和线下的教学时间和知识点。

1.3 理论教学和实验仿真相结合
由于自身经济条件的限制，大部分学校都只能开设电磁场与电磁波这门课程的理论教学，而无法开设课程的实验教学，导致学生觉得该课程学无所用；且由于场的抽象性，很多学生很难在脑海中构建场的模型，而导致学习兴趣的丧失。

为此，可将计算机仿真引入到该课程的教学中，实现可视化教学。

如将Matlab引入动态模拟电磁波的传播和辐射等特性；用Ansoft HFSS仿真设计对称振子天线，可直观地看到所仿真天线所发射的电磁场在空间分布的情况，从而能更好地理解天线方向的含义和重要的作用。

图1给出了对称阵子天线的3D方向增益图，信号频率为28 GHz。

相对于制作实物天线，在仿真中很容易调节振子长度，从而很容易看到振子长度的变化对天线各项参数的影响。

用仿真的方法可以找出针对某一信号频率的天线的最佳长度，避免了直接试验的经济和时间的浪费。

因此，仿真教学的引入也可进一步提高学生的科学素养，为进一步的研究和学习打下基础。

1.4 案例教学法
案例教学法是启发学生思考，激发学生探索，培养学生分析能力的有效方法。

电磁场与电磁波是一门与现实联系非常紧密的课程，在生活中可以找到许多案例。

如移动手机中天线的发展大致经历了外置天线、内置天线、金属边框、MIMO天线、毫米波天线。

以摩托罗拉为代表的1G模拟机使用外置的单极螺旋型天线；诺基亚设计的直板手机Nokia 3210中采用的天线为更典型的内置天线；iPhone4独具匠心地将手机天线和位于手机厚度方向中间的边框整合在一起；5G手机使用毫米波，采用MIMO多天线和波束赋形来解决毫米波的衰减问题。

从手机的外形（图2），很容易看到其天线的变化，引导学生思考天线长度和信号频率之间的关系，进一步引导学生从手机的发展去思考通信技术的发展及通信技术的未来。

微波炉是生活中常见的家用电器，它对不同物质的加热效果的差异可以作为讲解极化的案例，同时其金属外壳可作为电磁屏蔽的案例，其前玻璃门上加贴金属网可作为电磁波的波动性的案例。

把电磁波在生活中的应用案例引入课堂教学，可最大限度地激起学生学习的兴趣，同时通过这些例子的引入，也可引导学生用知识了解生活、破除迷信，如“微波炉加热的食物致癌”等。

1.5 板书与多媒体教学相结合
多媒体教育技术是集声音、文字、图像、音频、动画等多种功能于一体的技术，其主要目的是保障教学质量，提高教學效果[9]。

随着计算机和网络技术的发展，多媒体教学技术在学校教育中越来越受追捧。

在装备了电脑和投影的学校，下至幼儿园和小学教育，上至大学本科教育，都要求教师在教学中采用多媒体教育技术，甚至在教学评价中把是否使用先进的多媒体教学方式作为评价的一项指标。

为了达到这项指标，不管是中小学教师还是大学教师，在上课时都不得不采用多媒体教学，而放弃传统的板书。

诚然，多媒体教育技术有着信息多维，资源丰富、应用便捷、可重复播放等优点，但其带来的负面影响也非常大。

如在小学低年级阶段语文教学中过度使用多媒体教学，直接导致儿童书写潦草、混乱。

即使是在大学本科教育中，在讲解复杂公式推导中完全通过讲解课前完成的PPT，也会导致速度过快或过慢，导致学生思维跟不上或停顿导致丧失学习的兴趣。

多媒体教学有着信息泛化，弱化教师教学能力，减少师生交流，降低教师“导师”作用等缺点。

相反在使用传统板书教学时，往往教师进行板书的同时学生也在做笔记；教师在讲解的过程中通过眼神和语言的交流，了解学生的理解程度，从而及时调整教学的进度和重点。

所以多媒体教学和板书教学不是一个替代和被替代的问题，而是应该如何让两者有机结合相辅相成的问题。

电磁场与电磁波课程现在面临的一个尖锐问题是日益缩短的教学学时，但教学内容没多大调整，为此引入多媒体教学是完全必要的。

但其物理定律和典型例题的讲解又不能完全依赖PPT讲解，须引入板书教学，适当放慢教学的进度，使学生来得及理解和接受教师所教的知识。

例如，在静电场的教学中，库仑定律的学习可使用多媒体教学，由库仑定律引出电场强度的定义可采用板书，而电力线的分布又可使用多媒体教学。

讲解高斯定律的应用时，从点电荷过渡到电荷球体分布，再过渡到电荷球壳分布，整个讲解过程使用板书讲解，可使学生掌握电荷球状分布时的高斯面的确定和定律的数学式的物理意义；同时使用PPT展示模型和求解的结果，可使学生得出电荷不同分布时电场分布的异同。

1.6 思维导图法
思维导图法是将各级主题的关系与相互隶属的层次关系用图文形式表达的思维工具，使一种将思考方式图示化的辅助工具，它作为一种先进的教学工具已被国内外学者应用于多个领域[10-13]。

电磁场与电磁波涉及的知识点多但体系严谨，前后联系紧密。

这个特点使其特别适合在章节和课程总结时采用思维导图法进行归纳，可使学生一目了然地发现知识点间的前后联系，加深对课程的理解和记忆。

课程总思维导图如图3所示。

而静电场、恒定电流场、恒定磁场、自由空间中的电磁和导行电磁波又可在相应内容的学习结束后进一步画对应的思维导图，并辅之适当的习题，可使章节的学习取得良好的效果。

2 结束语
电磁场与电磁波是大学本科电子信息专业的专业基础课，具有数学知识多，内容抽象，理论性强的特点，因此，在教学中更应采用多元教学的方法。

本文探讨了引入课程思政元素激励学生的学习兴趣和动机；采用线上和线下教学灵活利用课余时间又保证课堂的互动和教师对学生及学生与学生之间的相互监督，增加学生学习的投入；采用实验仿真使抽象的场可视化；采
用案例教学使理论的学习和实际的应用相结合，提升学生对身边科技的理解提升学习的动力；采用板书和多媒体技术相结合，充分考虑学生接受新知识的速度，又可使课堂生动活泼；采用思维导图法完整展示了分立的知识点之间的关联，促进学生对学科的认识和掌握。

将这六种教学方法灵活应用在实际的教学活动中，可改善课程难“教”、难“学”的现状。

3 参考文献
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