“电磁场与电磁波”课程教学改革研究

［摘 要］ 通过分析“电磁场与电磁波”教学过程中出现的典型问题，首先将教学内容具体化，通过案例分析其中蕴含的思政意义。其次，将理论内容与马克思主义的基本原理相结合，达到以教育人的效果。之后，通过补充“电磁场与电磁波”在生活中的应用，使学生能够从身边案例中寻找所学知识点的踪迹，温故知新。最后，对传统的单一化读写教材的教学方式进行了全新的教学改革，增加了CDIO教学法，解决了原理性强、内容繁多的问题；增加了对分课堂PAD教学法，解决了教学时长受限、课本局限的问题；增加了PBL教学法，解决了教学设施有限、高数学能力要求等问题。

［关键词］ “电磁场与电磁波”；教学改革；思政意义；实际应用

［基金项目］ 2019年度国家自然科学基金“基于多维数据融合的民航无线电干扰实时监测研究及系统设计”（61863035）；2022年度云南省科技厅农业联合专项“基于黑磷和二氧化钒的动态双调谐完美吸波体”（202101BD070001-064）；2022年度云南农业大学一流课程课题“通信电子线路一流课程建设”（2021YLKC114）

［作者简介］ 胡宝晶（1983—），男，云南大理人，博士，云南农业大学理学院副教授，主要从事电子技术研究；杨 利（2002—），女，云南昆明人，云南农业大学大数据学院2021级计算机科学与技术专业本科生，研究方向为电子线路。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）02-0045-04 ［收稿日期］ 2022-10-31

“电磁场与电磁波”是高等院校电子信息专业的必修课程，为学生之后在无线电波通信技术、卫星通信、天线技术等领域深入研究打好稳固的地基。然而，“电磁场与电磁波”涉及的复变函数、矢量分析、积分方程等数学领域的知识很多，对学生运用数学的能力要求极高。不仅如此，课时的压缩使本就不充裕的学习进程更加紧凑；同时，科技的快速更新使得课本上的内容显得略微落后。此外，年复一年使用的基础实验器材，导致实验还停留在最开始的状态。随着党的二十大的召开，习近平总书记强调：我们要坚持教育优先发展、科技自立自强、人才引领驱动，加快建设教育强国、科技强国、人才强国，坚持为党育人、为国育才，全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才，聚天下英才而用之［1］。基于以上情况，我们将典型案例进行剖析，与思政意义结合，做到以学育人。再将生活中实际使用的应用与所学的知识相结合，实时更新补充课本内容，做到学以致用，知行并进。最后，我们将传统的教学模式进行了全新的教学改革和创新，创新了CDIO教学法，并将对分课堂PAD教学法、PBL教学法加以综合运用，全面提升学生做人做事的水平，达到为国养英才之目标。

一、“电磁场与电磁波”教学中存在的问题

通过以往教学所累积的经验，笔者发现电子信息工程系“电磁场与电磁波”课程的传统教学主要存在以下几方面的问题。

（一）学时受限，内容繁多

“电磁场与电磁波”课程的教学仅有48个学时，加之其中原理性内容繁多，大量的公式需要推导，还要结合实验进行实操验证，更有实时内容要进行补充扩展，因此本就不充裕的学时显得十分紧凑。快节奏的学习进度，让学生无法深刻理解其本质，导致学生半懂不懂地学习，课下缺乏自主学习查漏补缺，导致基础不扎实，影响之后的深入研究。

（二）对学生的数学能力要求较高，需要扎实的数学功底

“电磁场与电磁波”中涉及的矢量分析、各种定律的验证、各种方程组的计算等都需要灵活运用高等数学、复变函数、微积分等数学知识及总结规律等数学思维。又由于这些数学知识是不同学期所学，没有及时回顾复习而对知识点有遗忘无疑又增加了学生活学活用相关数学知识的难度。

（三）教学环境和设施有限

除了课本上的理论知识学习外，还需要学生动手实验验证所学的公式定理的正确性，让学生学会最基本的实验、记录、假设、分析、总结等，不仅通过听说读写记忆所学知识点，更要从科学由来的本质上去认识所学的知识。但是由于现在所用的实验器材年代久远，部分器材的内部结构老化，影响实验的结果。加之这些器材远落后于时代的发展，学生只能做最原始的实验，无法进行更多的实验内容和创新突破。

（四）原理性强，课本知识局限和抽象

由于“电磁场与电磁波”所学的内容抽象，学生无法在现实生活中有直观的感受，各种数据算出来的结果只能停留在死记硬背的概念上。冗长的计算、繁缛的概念、多样的情况分析让学生在学习和记忆的过程中举步维艰，如此助长了畏难情绪，最后导致学生失去了学习的欲望，学习的积极性降低，教学的效果不佳。

二、“电磁场与电磁波”教学改革

针对电子信息工程系在“电磁场与电磁波”教学过程中出现的一系列问题，本文通过深入剖析典型案例，分析其蕴含的思政意义，并且结合现实生活中的运用阐述所学知识，最后提出一系列创新的教学方式，来实现全面提升学生成人成才的目标。

（一）教学内容改革

1.剖析典型案例，挖掘其所蕴含的思政意义。（1）用辩证唯物主义基本原理理解电磁场的物理性质。人们对事物的认识是从宏观的、可用五官感知的现象开始的。例如，石头落入水中会泛起阵阵波纹，琴弦的拨动引起振动波等，这些波的传播过程都离不开气体、液体、固体等物质，需要以这些物质作为介质进行传播。根据马克思主义的物质观，世界是由物质与意识组成的，意识是物质世界的主观映像，意识对物质具有能动作用。为此，法拉第通过物质感知的现象，在头脑中改造后引入了磁力线的概念。然而，新事物的产生在那个年代是很难让人接受的。尽管电磁场看不见、摸不着，但可以通过其他物质作用的结果来认识它。于是利用马克思主义的物质观，通过对电磁场物理性质的认识，让学生能够通过马克思主义的世界观认识世界。（2）用唯物辩证法中矛盾对立统一的思想分析电磁波。大量的历史经验反映了客观世界发展的普遍规律，而一切事物之间的本质关系和发展动力在于事物的对立统一，即周围的一切事物都是运动的、互相联系的。对于电磁波中所涉及的电场与磁场的转换，就可以通过它们的对立统一的关系去理解。从对立统一的角度理解电磁波：在对立统一的电场与磁场相互依存，相互联系的前提下，它们共同处于一个统一体中，如麦克斯韦的第一和第二方程所述，它们在一定的条件下又互为条件，相互转化。从矛盾的对立性来看，二者又各有区别，如麦克斯韦第三和第四方程所述，磁通量恒连续，磁场恒为散场等。让学生学会用具体问题具体分析的方法探讨事物之间的区别。

2.补充实际应用的教学内容，灵活运用所学知识，紧跟前沿科技，做到不脱节。（1）电磁场与电磁波在移动通信中的应用。电磁场与电磁波的最初应用是基于模拟蜂窝所建立的移动电话系统，这个阶段主要依靠分频多址技术。此后深入研究3G、4G和5G技术，将其与无线电波结合，利用电磁场与电磁波的原理不断改进和完善，有效扩大了通信讯号的覆盖范围，极大降低了时间复杂度，高效传输的同时也保障了用户的使用体验。（2）电磁场与电磁波在微波通信中的应用。电磁波是微波通信的信息载体，同时电磁波的产生又依靠于电磁场。因为电磁波的传播速度近似于光速，所以电磁波携带的信息在空气中传播的速度极快。电磁波遇到电子信号接收设备，根据设备设定的滤波范围便可以筛选信息。（3）电磁场与电磁波在卫星通信中的应用。卫星通信是微波通信的一种，各国通过对卫星通信的深入研究，发现电磁场与电磁波技术能够让卫星通信所依托的信号质量得到提高。微波通信与卫星通信有相似之处，二者利用中间站，可有效保证信息的传播、转换等。（4）电磁场与电磁波可应用于磁悬浮列车中。驱动磁悬浮列车的原理可分为利用磁场间异性相吸的定理和磁场间同性相斥的定理。同时，在车底部和两侧安置磁铁，让电磁铁与轨道间保持间隙，利用这种引力抵抗万有引力，使之悬浮于空中，大大减少阻力，提高运行的速度，并且还能保障其稳定性。

（二）教学方法创新

1.CDIO教学法。CDIO工程教育模式，即将构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运行（Operate）运用到教学过程当中［2］。第一，构思（Conceive）部分是教师在讲授完理论课程后，给出具有实际工程价值的问题让学生分析思考，学生自行选命题或者自定命题，但所自定的命题要经过教师确认可行才可进行下一步。第二，设计（Design）部分可通过思维导图的方式进行。学生通过思维导图分解问题，并将分解的问题再一一对应所学的知识点画一级标题，又将一级标题中涉及的知识点用二级标题等依次细化，同时借助彩色笔进行重点等级分类和标注补充。思维导图的过程也是学生掌握和消化所学知识点的过程，需要学生在画思维导图之前进行大局观的判断和思考，这样在画的过程中也会顺畅很多，帮助学生解决各个步骤中面临的问题。不仅如此，学生在设计图示化的内容的过程中也会将知识点记忆得更加牢固，不易出现知识点错乱的现象。第三，实现（Implement）部分是根据所定命题的难易程度进行分工，学生5～8人组成一个小组，每组成员都要参与其中，轮流担任项目负责人，共同协助项目的进行，这样有助于小组的团队合作及保证项目的最终成果。最后，运行（Operate）部分是小组成员利用课余的时间到实验室进行测试，在提交方案的前一周将查找文献、设计报告、实验数据等总结合并，向教师汇报，汇报的过程中鼓励学生勇于表达自己。在此基础上再通过多元互评的方式，学生各小组互相打分，最后以去掉最高分和最低分后的平均分作为一部分分数，大部分分数由教师最终给出。这种方式一是优化了最后所得成绩的结果，二是能够让学生学会互相学习借鉴，差则补之，好则保持。

2.对分课堂PAD教学法。PAD即讲授、作业、讨论三个模块，根据学生的学习规律进行规划和设计。第一个模块讲授部分是教师通过板书与多媒体结合的方式进行教学。因为对于“电磁场与电磁波”中涉及的矢量场、电磁波极化等抽象的内容来说，仅靠描述是十分生硬晦涩的，学生不容易接受消化。但利用多媒体的图形、配音、色彩、动画、视频等便可以从另一个维度更直观地记忆这些知识点。同时，视觉的冲击能够有效缓解僵硬的课堂局面，活跃课堂的氛围，提高学生的求知乐趣。最后配上精简整齐的板书笔记，所学内容一目了然，大大提高了学生学习的效率，增加了课堂的知识容量。第二个模块作业部分是通过习题文献和科技论文写作的方式进行。习题文献的本质是促进学生自我学习，学会学习的有效途径。书上的课后习题虽然大部分是根据前面所学的知识点出的，但是一小部分习题及习题的背景是学生可以通过知网、谷歌学术、维普、万方等搜索相关文献，拓宽知识面，从文献中发现一些方法的本质，自己可以总结其规律，并可以积累这些经验，为以后深入研究做铺垫。科技论文的写作可以锻炼学生思维的严谨性，精准表述学生的学术思维，为之后的毕业设计打好基础，也能够让教师在阅读所写论文的过程中发现学生的问题，及时进行答疑指导，全面提升教学的效果。第三个模块讨论部分是将主动权交给学生，学生之间相互讨论交流，学生再将讨论不出的问题进行记录总结，反馈给教师，最后教师再进行答疑总结。由此，既帮助学生解决了学习过程中遇到的问题，又减轻了学生的学习负担，同时促进了学生和教师之间的交流及学生与学生之间的交流。

3.PBL教学法。PBL（Problem-based Learning）教学法是以问题为导向的教学方法［3］。近年来，互联网技术在线上教育平台迅猛开发，基于此便有了PBL教学法的混合教学模式。整个教学方法分为基础教学模块、答疑与测验模块、扩展学习模块三个模块。基础教学模块为教师在线上上传课程资源，在线下进行引导学习和问题设置，学生在线上学习，教师梳理知识点和讲解重难点；答疑与测验模块为学生在线上进行提问，教师在线下总结问题，并重新讲解相关知识点，在线上布置作业与考试进行测验回顾；扩展学习模块为线上教师进行专题的分类，学生进行专题的研讨，线下教师总结创新、鼓励和引导创新，学生于线上设计研究进行仿真实验。而仿真实验又可通过有限差分时域仿真设计软件（FDTD）进行实验，该仿真实验增加了学生动手的能力，打破了空间环境的局限。虚拟的仿真实验可以帮助学生在没有解题思路的情况下，根据所需问题进行实验得到结果，最后根据结果反推中间缺失的过程，逆向分析更能巩固学生所学知识，锻炼学生的创新思维，学会分析和解决问题。并且，由于“电磁场与电磁波”的内容抽象，公式复杂，学生在学习的过程中便可以借助MATLAB进行计算，可以大大缩短计算的时间。不仅如此，MATLAB还可根据所列写的公式将图像画出，这便可以从可视化的角度帮助学生理解公式所用的本质意义。例如，平面电磁波在介质界面的反射、透射等，便可运用MATLAB，只需改变参数、固定图形，根据前者与后者的图像变化便可以总结规律。这种教学方法主要是基于学生的问题反馈进行的线上与线下的教学方式，有效锻炼学生学习的自主性，可及时解决学生学习过程中遇到的疑难杂症，同时可视化的结果呈现也让学生很有成就感，促进良性学习，提高教学效果。