基于建构主义的电磁场虚拟仿真实验教学设计与实践

摘  要：电磁场是电气工程专业的基础课程，在实际教学过程中，存在实验课程与理论课程脱节、脱离工程实际、教学效果不理想的问题。根据国家一流课程建设“两性一度”要求，该文结合建构主义和教育心理学教学方法将虚拟仿真技术应用于电磁场教学，建设虚拟仿真实验平台，讨论教育建构主义的电磁场虚拟仿真实验教学设计与教学方法，突破实验教学对客观条件的依赖性，激发学生的学习兴趣和探索求知的热情，提升高校实验教学水平和人才培养质量。

关键词：电磁场教学；虚拟仿真；实验教学；建构主义；一流课程

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：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

基金项目：2023年山东省本科教学改革研究面上项目“基于生成式设计的‘三联三合’电气课程教学改革与实践——以电磁场为例”（M2023202）；2021年度山东大学高等学历继续教育教学改革研究项目“电磁场”（2021CE07）；2022年度山东大学教育教学改

革与研究项目“工程电磁场仿真与实验”（2022Y163）

第一作者简介：仲慧（1974-），女，汉族，山东济宁人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为高等教育，电磁场分析与计算。

*通信作者：王晓龙（1982-），男，汉族，山东寿光人，博士，教授，院长助理。研究方向为高等教育，高电压技术。

建构主义最早由瑞士皮亚杰（J.Piaget）提出，其是在人类认知发展基础上产生的学习理论和教学理论。建构主义学习环境包含情境、协作、会话和意义建构等四大要素，这一理论强调以学生为中心，将学生由信息的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者[1]。建构主义的教学模式是教师指导下的、以学生为中心的学习，在这种模式下，教学过程中所包含的教师、学生、教材和媒体四个要素[2-3]彼此相互联系、相互作用，形成一个有机的整体。电磁场虚拟仿真实验教学模型如图1所示。

一  建构主义与电磁场虚拟仿真

一流本科课程建设，要求教学组织与实施突出学生中心地位， 根据学生认知规律和接受特点，创新教与学的模式，因材施教[2]。电磁场课程由于其自身知识体系特点，一直存在概念抽象、数学计算复杂的问题，同时在实际教学过程中，受到电磁场实验复杂、实验耗时较长、关键测试设备价格昂贵等问题的限制，实物实验开展困难，存在理论教学与实验研究验证脱节、实验教学脱离工程实际的问题。相比于大学物理电磁学，电磁场课程更关注于场的空间分布，突出微分形式，对边值问题进行建模，为解决实际工程问题提供理论依据作为教学目标。将虚拟仿真实验与实际实验相结合，突破实验教学对客观条件的依赖性，不仅可以满足实际课堂教学需要，同时可以让抽象的电磁场理论可视化呈现，调动学生学习和参与实践的积极性和主动性，让学生对真实实验难以开展的电磁场理论和电磁现象进行深入了解，提高学生的实践能力，实现将学生培养为具有创新精神和实践能力的复合型人才的目标。

多媒体计算机和网络通信技术作为建构主义学习环境下的理想认知工具，能有效地促进学生的认知发展，在这种场合下，建设电磁场虚拟仿真实验，有利于实现建构主义学习理论中的四要素，即以工程项目创设“情境”，通过实验过程中的分工合作实现“协作”，而“会话”是协作过程中不可缺少的环节，实验学习小组成员之间必须通过会话商讨如何完成规定的实验任务，“意义建构”则是整个仿真实验过程的最终目标，通过仿真实验有效实现电磁场空间分布形象化地展示，突出微分形式和边值问题建模运用场合，合理运用物理引擎和仿真软件将电磁场知识准确、高效地呈现给学生，实现一流课程需要具备的“两性一度”特性，即高阶性、创新性和挑战度[4]。在学习过程中，“协作”对学习资料的搜集与分析、假设的提出与验证、学习成果的评价和意义的最终建构都具有重要作用。

二  电磁场虚拟仿真教学设计

传统电磁场实验教学设计中有许多优点，但也存在着一个较大的弊病，即以教师为中心，全部教学设计理论都是围绕如何“教”而展开，很少涉及学生如何“学”的问题。在这种实验教学模式下，学生大部分时间处于被动接受状态，主动性、积极性很难发挥，更不利于创新型人才的成长。基于建构主义的电磁场虚拟仿真教学，从教学原则和教学方法上都需要重新进行设计。

（一）  基于布鲁姆法则的实验教学规划

基于建构主义学习理论，学生作为认知的主体，是知识意义的主动建构者，在教学过程中，按照布鲁姆法则，根据认知度差异，将需要记忆的场量概念与公式，需要理解的电磁场定理等低认知度的内容设计为演示验证实验；将对电磁理论的应用、对实际工程中电磁现象的分析以及对电磁工程方案的评价等高认知度内容设计为基础仿真实验；结合当前的新知识，新技术以及前沿的科技活动相关内容，进行虚拟仿真创造性实验。

（二）  仿真实验教学的情景创设

多媒体技术是创设真实情境的最有效工具[5]，通过与仿真技术相结合，建设电磁场虚拟仿真实验课程，对于电磁场课程的学习具有重要意义。

演示验证实验中，学生通过理论学习界面和数据输入界面进行理论分析和计算，然后观看实物演示实验视频，验证理论学习的成果；虚拟基础实验中，学生采用计算机软件，通过虚拟仿真平台提供的仿真电路和器件，搭建仿真平台，进行电磁场的计算分析和图像展示；观看实物演示实验视频，验证理论学习的成果；虚拟仿真创造性实验中，学生则可以自主选取典型、有趣的电磁场问题主动去设计仿真实验内容，实验方法并最终展示仿真结果。

基于Matlab GUI编写的电磁场虚拟仿真实验平台实验界面和螺线管磁场分布如图2、图3所示。在平台中，通过嵌入有限元软件进行场分布展示，让学生通过仿真实验创设的情景建立相应的电磁场知识体系。

（三）  电磁场虚拟仿真实验教学设计原则

在电磁场虚拟仿真实验平台建设及实验教学过程中，采用以下教学设计原则。

1  强调以学生为中心

在教学设计中，明确“以学生为中心”，要在学习过程中充分发挥学生的主动性，通过实验内容自主性体现出学生的首创精神；激励学生采用不同的方法去解决同一个工程案例或者创设不同的工程应用案例情境，让学生在多个情景下应用他们所掌握的电磁场理论知识；通过仿真实验结果能让学生清晰地了解自己对电磁场理论的掌握程度，能够明确解决实际电磁场问题的方案，形成自我反馈。

2  强调“情境”对意义建构的重要作用

在仿真实验设计中，根据教学目标，设计不同的工程应用实例，构建生动、丰富的“情景”，让学生能利用自己原有认知结构中的有关经验去同化和索引当前学习到的新知识，实现对电磁场理论工程应用的建构。

3  强调“协作学习”对意义建构的关键作用

通过引用实际工程案例，学生们可以在教师的组织和引导下讨论和交流，通过协商和辩论最终形成实验方案，构建仿真模型。这种协作学习环境实现了整个学习群体共同完成对所学知识的意义建构。

（四）  电磁场虚拟仿真实验教学模型

基于建构主义教学模式，电磁场虚拟仿真实验教学从维果斯基的“最邻近发展区”理论[6]出发，创设概念框架，将学生引入问题情境，确定将要分析的工程问题与给定概念的关联性并进行分析，在分析过程中通过小组协商、讨论最终确定仿真模型并进行仿真，在共享集体思维成果的基础上达到对当前所学电磁场概念比较全面、正确的理解，最终完成对所学电磁场知识的意义建构。在实验结束后，通过教师评价、学生自我评价和小组评价方式来检验对电磁场知识的掌握以及学生素质能力的提升。

三  电磁场虚拟仿真实验教学实践

虚拟仿真实验的教学结构模式如图4所示，围绕课程目标，以工程案例组织教学活动，并结合智慧教学环境，开展多维度的教学评价。以接地电阻实验为例，指导教师根据课程目标要求提出实验任务与目标，指导学生围绕恒定电场理论与计算方法的学习主题建立起静电场和恒定电场的知识框架，并在该框架内对创设的实际工程环境进行分析，对不同形状电极、不同接地电流“情景”进行分析，建立电流和电场强度计算仿真的物理模型及数学模型，编写程序，得出仿真结果，并对结果进行讨论分析，最终获取影响接地电阻大小的因素。在仿真结果展示过程中，由学生来评价计算模型的优缺点，分析计算模型中应用的电磁场理论，将理论转化为实际应用的能力。

按照电磁场虚拟仿真实验教学模型，在山东大学电气工程学院2020级和2021级进行了两轮教学实践。经过近两年的课程建设，电磁场虚拟仿真实验教学已经形成了完备的教学文档，电磁场课程被评为山东省混合式一流课程。考核评价体系见表1。

2022年春季课程结束后，基于腾讯问卷平台开展了电磁场仿真实验教学效果调查。参与调查的为2020级共268名学生，共回收问卷221份，评价调查结果如图5所示。调查结果显示，85%以上的学生对电磁场仿真教学模式表示满意（图5（a）），90%以上的同学认为通过课程获得了能力的提升（图5（c））。电磁场仿真实验能力培养调查结果如图6所示。同时问卷调查显示，学生通过电磁场仿真实验课程，不仅掌握了电磁场概念和理论，而且提升了对计算机软件应用的能力以及团队合作沟通能力、实践创新能力和写作能力，从而提升了自身的综合素质。

四  结束语

电磁场虚拟仿真实验课程的教学利用虚拟仿真教学技术的特性和优势，实现了建构主义学习理论中的四要素，以工程项目的电磁场问题创设情景，利用模拟虚拟实验环境将抽象的电磁场理论可视化呈现，调动学生学习和参与实践的积极性和主动性，让学生对真实实验难以开展的电磁场理论和电磁现象进行深入了解，加快了学生从理论电磁场分析向实际电磁测试实验构建的过程，为学生提供了一个解决科研问题和工程设计问题的专业平台，为学生“创新性”的培养提供了有力支撑，有效地将理论、实验、仿真三者相融合，使学生综合能力和专业素质得到渐进式的锻炼和培养。

参考文献：

[1] 张红霞.教育科学研究方法[M].北京：教育科学出版社，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] 教育部关于一流本科课程建设的实施意见（教高〔2019〕8号）[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.教育信息化发展新阶段的观念更新与理论思考[J].中国教育科学（自然科学版），2016（2）：23-29，22.

[6] 马秀芬，李克东.皮亚杰与维果斯基知识建构观的比较[J].中国电化教育，2004（1）：20-23.