面向“电磁场与电磁波”课程的微课建设与改革

［摘 要］ “电磁场与电磁波”课程是培养新工科电磁场工程专业人才的一系列课程中的基石，是一门核心专业基础课程。探讨微课在“电磁场与电磁波”课程中的运用，主要从课程概念抽象和数学推导复杂的特点出发，从传统教学的课前、课中和课后三个方面，结合互联网的优势，给出了“电磁场与电磁波”课程的微课制作标准、制作内容和制作形式，鼓励学生成为微课制作的主体，不仅有效拓展了学生自主学习的空间，还丰富了学生自主学习的形式，让学生更有信心、更有兴趣地学习“电磁场与电磁波”课程，从而实现了以学生为主体的微课翻转课堂的教学改革目标。

［关键词］ 微课；电磁场与电磁波；教学改革

［基金项目］ 2020年度华南理工大学本科教研教改面上项目“‘互联网+微课’在‘电磁场与电磁波’教学中的混合运用”（C9203031）

［作者简介］ 涂治红（1977—），女，湖北武汉人，博士，华南理工大学电子与信息学院教授，博士生导师，主要从事电磁场与微波技术研究；陈付昌（1982—），男，江西抚州人，博士，华南理工大学电子与信息学院教授，博士生导师，主要从事电磁场与微波技术研究；王 云（1982—），女，河南南阳人，硕士，华南理工大学电子与信息学院实验师，主要从事电磁场与微波技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）07-0057-04 ［收稿日期］ 2022-05-05

引言

我国的地面移动通信系统和卫星通信系统将逐步融合，构建空天地一体化融合通信网络［1］，其相关产业已成为国家发展的支助产业，如天线、大规模集成高速电路和芯片制造产业等。因此，通信及其相关产业对高质量新工科人才的需求更加迫切［2］。为满足社会对新工科电磁场工程专业人才的需求，华南理工大学针对信息工程和微电子等专业开设了一系列电磁场工程课程，主要包括“电磁场与电磁波”“射频电路”“天线”等，每年学习的学生人数都超过了400人。“电磁场与电磁波”课程是这一系列课程中的基石，是一门核心专业基础课程。该课程以高等数学、数理方程和复变函数等为基础，涉及的新概念及定律不仅抽象难懂，而且推导过程复杂，要用到矢量运算、微积分等数学工具，难度较大，如亥姆霍兹定理和时变电磁场复数运算等，因此学生比较畏惧这门课程。此外，经过专业体系的整体优化，这门课的学时调整为64个。可见，不论是“学”还是“教”都存在一定的困难。因此，如何在有限的学时内，让数理基础并不深厚的学生学好这门课程，是课程改革面临的巨大挑战。

随着移动网络的高速建设，以及智能手机和平板电脑等便携式终端设备的不断普及，线上教学模式已逐渐和传统线下教育模式并驾齐驱，两者相辅相成，共同满足日益增长的学习需求［3］。这次席卷全球的新冠病毒感染，更加凸显了线上教学模式的优势。但是线上教学存在与学生互动不足、学生参与课堂度不高等问题，也无法通过实时观察学生在课上的反应来及时调整授课内容。此外，与电磁场相关的线上课程建设虽然提供了丰富的视频课程资源，但也使学生目不暇接，无法有效抓住课程的重点和理解难点。此外，线上课程和线下课程都属于系统性地讲授课程内容，需要学生看完整节内容才能学习到知识点，而且学生对于不懂的地方，无法和教师及时沟通，需要在课后去理解掌握。因此，这些都间接增加了学生的额外学习负担，降低了学习效率，不利于激发学生的学习兴趣。

微课是一种运用信息技术按照认知规律，呈现碎片化学习内容、过程及扩展素材的结构化数字资源，一般为10分钟以内的小视频［4］。它将学习需求和学习兴趣结合起来，可带动学习者在看、听、说等方面协同运作，能够有效增强学习者的参与感，有利于对知识点的记忆、理解和应用，对线上和线下教学模式的发展起到了促进作用。本文以在教学实践中进行微课设计与应用的情况，论述微课在“电磁场与电磁波”课程中的教学改革情况与改革效果。

一、“电磁场与电磁波”微课教学改革内容

“微课”是以视频为主要载体，针对某个学科知识点或教学环节设计开发的一种情景化、趣味化和可视化的数字学习资源包。它支持多种学习方式，突破了传统课堂的时间和空间限制，可将学习时间碎片和离散学习空间统一起来，可以使学生随时随地地学习。

本文从微课教学制作标准、制作内容和制作形式三个维度，探讨了利用微课提升“电磁场与电磁波”课程教学质量的具体措施。

（一）结合“电磁场与电磁波”的教学特点，研制融合思政教育的微课教学制作标准

“电磁场与电磁波”课程的微课制作要符合国家有关高等教育的方针和政策，要充分体现思想政治教育；要能够帮助学生理解各类电磁场理论和了解电磁场与电磁波在实际应用中的动态发展，有效培养学生工程电磁场学科的素养；要符合当代大学生的认知规律和心理特征，能调动学生的学习主动性和积极性。

教学团队紧扣当前的复杂国际环境和我国的对外开放战略，立足粤港澳大湾区建设，将思想政治和电磁场与电场波的发展历史、科学家的故事和实际应用相结合，提炼出“电磁场与电磁波”课程的“家国情怀、责任担当、夯实基础、敢于创新”的思想政治育人主线，一方面肯定我国在电子信息等领域取得的先进技术和成果，另一方面指出我国工业发展的35项“卡脖子”技术和西方国家对我国的技术封锁，阐述我国在电子信息领域的优势和短板，厚植家国情怀，鼓励学生勇于承担起国家重任，树立强国之志，培养学生“十年磨一剑”的决心，努力学好专业知识，敢于拼搏，勇于创新，为中华民族伟大复兴贡献自己的力量。

（二）紧扣“电磁场与电磁波”课程教材和教学大纲，确定适合制作微课的教学内容，并鼓励学生成为微课制作的主体

教材和教学大纲是学生课程学习的重要资料，对提高学习质量和学习效率具有重要的作用。微课内容需紧扣符合新工科发展的“电磁场与电磁波”的教学大纲和教材，凸显教学重点和学习难点。在内容的组织与编排上，紧紧围绕教学大纲中各章节的知识点展开，做到主线清晰、重点突出和逻辑性强，有利于学生自主学习。

本课程主要选用两本教材［5］。这两本教材从不同的体系架构讲述了电磁场与电磁波的基础概念和理论，可以帮助学生从不同的角度学习相关知识点。针对华南理工大学开设的一系列工程电磁场课程之间的关联性和继承性，将原课程中的导行电磁波内容转移到“射频电路”课程中，让学生在有限的课时里更好地掌握和理解电磁场与平面电磁波的相关知识，为后续课程打下坚实的基础。

教师和学生制作微课的目的和针对性不同。教师可以根据工程实践制作与课程相关的展现实践内容或前沿科研内容的微课；学生可以根据在学习中遇到的问题，结合自己对某个知识点由浅入深的理解过程制作微课。从学生的角度出发，做出针对课程中某个知识点的微课。优秀课件可以在课前、课中、课后展示给全年级的学生，或上传至课程网站上。这样学生相当于间接地参与了将来的电磁场授课，可以激发学生的兴趣，增强其荣誉感。

（三）结合学生的特点和学习方式，呈现丰富的微课形式

微课要把语言文字表达的艺术性和视频图像显示的直观性有机结合起来，做到图文并茂、音像同步，使得复杂问题简明化、抽象问题形象化、枯燥问题趣味化。其呈现方式既可以是录屏、拍摄、PPT等基本形式，又可以是动画、手绘、软件仿真和互动电影等多种创新形式，需要充分调动学生的积极性，让学生共同参与微课制作，丰富微课的呈现形式。

二、“电磁场与电磁波”微课教学改革实施方法

（一）组建微课教学团队

“众人拾柴火焰高”，组建专业的微课教学团队对开发课程起着关键作用。团队能够有计划、相互衔接地设计微课内容，使其更有针对性，更有效地解决学生可能遇到的各种问题。教学团队除了承担教学任务外，还承担大量电磁场与微波技术领域的相关科研工作。丰富的科研经历和丰硕的科研成果可以转化为微课内容，从而进一步提高学生的学习兴趣。

（二）微课的建设

微课的建设主要包括两个方面：微课资源体系的建设和微课制作方法的建设。

1.微课资源体系的建设。微课的建设需要注重微课资源的系统化、结构化和完整化。首先，根据人才培养目标整体规划微课资源。其次，根据“电磁场与电磁波”课程的教学大纲和教学计划来确定微课资源的建设方案，形成规范化的微课资源体系。根据教学大纲和教学计划，教学团队将微课资源建设分为场和波两个体系，图1和图2分别给出了框架图。场体系主要包括静电场、静磁场和时变电磁场三个子体系；波体系主要包括均匀无界空间中的平面波传播和具有分界面的不同均匀媒质分界的平面波传播两个子体系。将每个子体系进一步分解为任务单元，每个任务单元对应相应的知识点。这样拆分后的教学内容，可以更好地突出教学的重点和难点。根据每个任务单元收集相关的素材，然后制作相关知识点的微课。例如：时变电磁场中的全电流定律的微课内容包括：安培环路定律针对时变场的局限性和如何突破这个局限性，从而得到全电流定律。这个微课可以帮助学生充分理解安培环路定律和全电流定律的联系与不同。对于时变电磁场的边界条件可以安排学生分组对时变电场和时变磁场在分界面上的方程进行推导，再把不同组的内容合成一个微课，方便学生对比不同的学习思路，从而更好地掌握这个知识点。

除了关于课程知识点的微课体系建立外，例题和习题微课制作也是微课建设的重要组成部分，也很重要。例题和习题是帮助学生加深知识点的理解与应用的一种最直接、有效的方式。不论是线上教学还是线下教学，其课堂教学时间都是有限的，教材中的典型例题和有代表性的课后难题在课堂上很难全部讲解清楚，因此，教师可以进行深入剖析，将其制作成微课供学生课后反复多次进行学习，更好的加深学生的思考与吸收。同时，可以鼓励学生从不同角度对例题和难题求解。例如，在静磁场中求取两个电流环的互感。对于此问题，教材上只给出了利用互感定义求解的方法，还可以从诺依曼公式和磁感应强度两个角度来求解。这三种求解方法可以制作成微课，供学生参考学习。

2.微课制作方法的建设。针对微课内容的特性，可以采用不同的方法制作。对于复杂的理论推导，可以采用PPT公式推导与录屏结合来制作动态公式的推导过程，增强趣味性。对于抽象概念，如电场和磁场的描述、电磁波极化等，可以结合数学软件和电磁专业仿真软件建立模型仿真计算，也可以收集相关电磁场与电磁波应用的网络视频。鼓励和引导学生积极参与微课的制作，让其成为微课内容的制作主体。例如，利用平板电脑书写和录屏功能制作电介质极化和均匀平面波传播参数知识点的微课；利用在HFSS仿真软件制作中，矩形金属波导中的时变电磁场的各分量随时间变化的矢量动态图微课。

（三）微课的使用

按照课前预习、课中答疑、课后巩固和延展三个阶段，可以创建基于微课的“课前学习”“课堂互动”“拓展延伸”“学情检测”四个环节的翻转课堂教学模式。不论是课前、课中还是课后，微课制作可以采用“学生主导，教师配合”的制作方式，从而激发学生学习的热情，主动参与到这门课程的学习中。同时，当代大学生思想活跃、创造力强，可以更好地丰富微课的内容和表现形式。

三、微课教学改革应用

围绕新工科人才培养要求，借助互联网的优势进行教学改革。首先，把现有的在线课程教学资源整合到微视频中，以微课形式呈现，包括电磁场理论课视频教程、文本课件、在线课堂讨论环节、课后作业和章节测验等。其次，以工程应用为导向，结合教学团队的相关科研成果，以微课的形式呈现给学生电磁场理论在工程应用中的场景和科研成果。最后，从学生的角度出发，让学生针对课程中的某个知识点制作微课，并将优秀的微课在课前、课中和课后展示。

教学团队的教学经验丰富，近五年的评教分均排在电信学院前列（前15%），深受学生的欢迎。此外，每位教师承担不同的科研项目，为拓展微课内容，为实现科研成果与微课结合提供了保障。已形成基于微课的翻转课堂的教学思想、教学模式和方法，激发了学生的学习积极性，提高了学生的动手能力和创新能力。教学成果已逐步在华南理工大学信息工程专业推广，为国内其他高校开展电磁场系列课程的教学改革提供了借鉴。