“电磁场与电磁波”课程教学改革初探

“电磁场与电磁波”课程教学改革初探［摘要］在新工科的内涵和背景下，研究了“电磁场与电磁波”课程改革的思路和方向”电磁场与电磁波”作为典型的工科原理类课程，内容抽象、难以理解针对目前“电磁场与电磁波”课程教学中存在的问题，如学员有畏难情绪、学习热情欠缺，教学资源欠缺特色，课程思政欠缺体系性等，从构建心理赋能式教学方式、构建动态可视化教学资源、构建体系化课程思政设计三方面入手，改革“电磁场与电磁波”课程的教学现状，形成有目标、有措施、有效果的“电磁场与电磁波”课程改革路线［关键词］电磁场与电磁波；教学改革；教学方式；教学资源［中图分类号］G

642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324202508-0076-04［收稿日期］2023-12-04自2016年提出新工科概念以来，教育部便积极推进新工科建设和发展什么是新工科、为什么要建设新工科、如何建设新工科，都是需要迫切解决的热点问题［1-2］o新工科概念的提出，给传统工科课程带来了发展革新的机遇和挑战我校在课程建设上积极响应教育部的号召，深入探索在新工科要求下工科原理课程应该如何建设同时，我校作为军事院校在人才培养上具有特殊性，军队院校因打仗而生、为打仗而建，必须围绕实战搞教学、着眼打赢育人才为应对满足新工科的要求和军事院校人才培养要求的双重挑战，“电磁场与电磁波”课程组积极推进课程改革本文将从课程现状、改革策略、效果分析三个方面进行探索研究

一、课程现状我校开设了电磁场类课程群，包含“电磁场与电磁波”“微波技术基础”“天线与电波传播”三门课程该类课程涉及我校电子信息和电气工程专业60%以上的学员，受众面广泛，“电磁场与电磁波”作为课程群的首门课程，是后续课程的基石，其重要性不言而喻笔者通过教学积累、教学评价、追踪调查等多形式、多角度分析，发现目前课程教学中存在以下问题或不足

（一）学员有畏难情绪，学习热情欠缺电磁场与电磁波是一门综合性较强的学科，要求学员具备扎实的数学、物理基础“电磁场与电磁波”课程多将物理概念以数学公式的形式表现出来，该课程虽然与“大学物理”中的电磁学部分内容有重合、交叉，但侧重点不同，该课程中更注重电磁场在空间中每一点的性质，赋予其“场”的分析方法，即重点分析“场”在空间中每一点的特性，也就是其微分特性分析时多采用场的微分方程，例如在求解静态场的解时，运用了常微分方程求解；在求解电磁波在导电媒质中传播的解时，运用了亥姆霍兹方程求解因此，该课程要求学员具备一定的微积分、数学物理方程、场论等方面的知识［3］在学习该课程时，部分学员“高等数学”“大学物理”等课程的学习基础不够扎实，导致出现畏难情绪，欠缺学习热情

（二）教学资源欠缺特色学员是教学活动的中心，教学资源是课程实施及学员自主学习的重要支撑，必须为学员提供丰富、完整、成体系、有特色的教学资源目前“电磁场与电磁波”课程的教学资源包含教材、课件PPT及网络学习资源等教学资源基本满足了丰富、完整、成体系的需求，但是特色不够突出，即没有针对该课程的特色建设教学资源该课程内容抽象、难以理解、不直观、不形象，学员在学习时遇到重点和难点问题,没有纵向、深入的教学资源配套，如部分学员抽象思维欠缺，对于抽象的概念无法在脑海中构建直观、形象的模型，这时如果没有配套的教学资源及时解决学员学习的痛点，就会导致学员在学习时处于一知半解的状态，不能深入、正确理解电磁问题的本质，甚至会导致教学资源对学员没有足够的吸引力，使学员学习缺乏动力

（三）课程思政欠缺体系性培养什么人、怎样培养人、为谁培养人是教育的根本问题，育人的根本在于立德理工类课程不能单单满足于知识和技能的传授，同样需要凸显育人目标理工类课程在开展素质教育的过程中要全面落实新工科教育理念，实现知识传授和价值引领的统一课程组通过调研以及教学实践发现，该课程在思政教育中存在以下问题

（1）欠缺顶层设计，课程思政的内容或案例是零散、非系统的，未成体系；有时是教员的独角戏，学员并未积极主动地参与进来

（2）知识传授和课程思政没有实现有机融合，往往以“硬”思政的形式呈现给学员，未实现如盐入水的效果

（3）课程思政的价值目标和教学内容脱节，导致课程思政成了“无源之水”“无本之木”，不能凸显知识传授和价值引领的统

一二、改革措施针对本课程教学中存在的问题，课程组积极探讨教学改革，以适应新工科和我校人才培养方案的双重要求教学改革主要从以下三方面展开

（一）构建心理赋能式教学方式赋能，顾名思义就是赋予能力及能量在这里指增加能力、能量，提高自我效能感；着眼于解决问题，挖掘积极因素，提升解决问题的信心，积极主动寻找改善现状的方式、途径等赋能的目的是通过调动、挖掘并利用自身在学习、应对、适应方面的潜在能力，将不利因素转变为心理能量，增强应对其他危机和挫折的本领,完善心理韧性学员在学习电磁场与电磁波的过程中，需要运用高等数学和电磁学及场论的知识如果学员的数学、物理基础薄弱，便会产生畏难情绪，如果畏难情绪没有得到及时纠偏，就会进一步使学员产生厌学情绪，即学员在学习本门课程时无求知欲、无动力教学活动要突出学员的主体地位，因此在组织教学活动时，要唤醒学员的求知欲，点燃学员的学习兴趣和探究动力基于上述情况，课程组首次尝试将心理赋能与本课程教学相结合，具体实施方式分两步走第一步教师赋能学员，第二步学员自我赋能，最终使学员在课程学习中具备自我赋能的能力，激发自主学习的能动性第一步教员赋能学员，课程开课前，教员对学员进行多形式的摸底，内容包含课程相关和心理相关两大类问题调查,以掌握学员学习木门课程“有形”“无形”的基础，“有形”基础如高等数学微积分、电磁学等知识储备，“无形”基础包含心理建设，如遇到难题时是习惯迎难而上，还是退缩避让等根据摸底情况，利用课前5分钟有针对性地开设“课前聊电磁”活动，可以聊身边的“电磁人”，也可以聊电磁现象的原理等，内容、形式不限例如第一次课课前5分钟的“课前聊电磁”就设定了一个小案例，给学员分享了课程组一位退休老教授的故事该教授最初是一名医生，后改行通信专业，并做出了一系列成绩这些成绩是学员所熟知的，老教授正是学员身边的“电磁人”，这样容易使学员共情，克服基础不好学不好本课程的心理暗示，并在无形中完成自我赋能第二步学员自我赋能的建立，可以将“课前聊电磁”活动交由学员自身主导，学员是“课前聊电磁”的导演，自定话题，完成资料搜集、整理、输出，在学习情境中对电磁现象的本质有所了解，不仅能够调动学员学习的兴趣、热情，激发学员的求知欲、好奇心，还能够帮助学员提高自主学习能力，在整个过程中无形激发学员的探究动力，完成自我赋能

（二）构建动态可视化教学资源学习认知理论认为，学习是学习者主动对所学内容进行心理构建的过程，该过程需要消耗认知资源，如果学习者在认知过程中，也就是在知识构建过程中使用的资源超过了学习者拥有的认知资源总量，就会阻碍学习因此，只有通过对学习材料和学习过程的合理设计，才能减少所需的认知资源，从而发挥其有效性而电磁“场”和“波”，看不见、摸不着，内容抽象，难以理解，学员在知识构建过程中所需的认知资源超过了所拥有的认知资源，就会使学习效果大打折扣，出现认知过程困难的情况，这给本课程教学带来了很大的挑战如果对本课程进行教学资源优化，将抽象、看不见摸不着的内容适宜合理地设计为动态可视化的教学资源，直观形象地用动画呈现电磁现象，有助于学员理解复杂的电磁理论知识，激发学员的想象力，把抽象的电磁问题变形象，变难为易、化繁为简，则可促进学习，优化教学效果对于“电磁场与电磁波”课程教学，可借助MATLAB、HFSS等仿真工具，将抽象复杂的电磁问题转化为直观可视化的图像，从而获得更清晰的空间分布模型或图像，加深学员对抽象电磁概念的理解根据课题组教员的教学经验及总结，结合对学员的问卷调查，梳理了本课程的重点和难点，建立了基本物理量的可视化演示实验模型及复杂工程的虚拟仿真模型动态可视化的课程知识点是教学资源体系建设的核心例如“场”部分以亥姆霍兹定理为主线进行学习研究，亥姆霍兹定理是学习“场”的基石，理解亥姆霍兹定理的基础是要掌握梯度、散度、旋度，即“三度”的概念和计算然而“三度”概念难以理解，计算通常比较复杂，学员在理解和掌握“三度”的概念或物理意义时存在一定的困难基于此，引入MATLAB,对“三度”进行建模仿真，如散度的概念表示空间某点单位体积内散发出的矢量的通量的体密度，反映了矢量场在该点通量源的强度，其中通量是矢量在闭合面积上的积分基于概念描述，学员不能直观地理解其物理含义，可借助仿真工具辅助学员理解矢量在某点的散度值代表着该处是否有散度源，以及源的强弱［4］矢量场沿着某方向在某点处的散度值取决于各分量沿着自身方向的变化情况，这种变化导致包围该点的闭合面有净通量发出以点电荷的电场为例，研究点电荷的电场所在点处的变化率及减小方向通过仿真图形可以清晰地看到矢量分布情况，中心即点电荷所在位置处矢量模值较大，且方向具有规律性，即表现为由中心向外部发散的方向同样可由图得出矢量的散度在空间的分布，即中心有正源，从原点向外散度值减小

（三）构建体系化课程思政设计课程思政是以课程为载体，以立德树人为根本任务，充分挖掘蕴含在专业知识中的思政元素，将知识传授和价值引领深度融合，并贯穿教学全过程的教学环节课程思政的价值目标必须落脚于实实在在的教学内容上，承载了思政价值目标的教学内容被称为思政元素课程组在设计挖掘课程的思政元素时，从顶层设计出发，确定好课程思政的目标，并用思政目标指导教学设计、教学内容和教学实施，最终将课程思政目标分解到教学内容的各个教学知识点上课程思政的设计自教学计划开始，最终落到课堂设计上，开展形式灵活多样，如研讨式、案例式、情景式等，主要落实以学员为主体，体现学员的参与度课程组将课程思政目标落实到教学知识点时，以时事热点、先进装备、科技项目、大国重器等为牵引

[5],结合电磁场理论的发展脉络、工程应用和授课内容设计了本门课程的思政元素，将思政元素和知识点与工程应用进行有机融合，在讲授知识点的同时融入思政教育，达到“如盐入水、润物无声”的效果以电磁波的辐射为例，知识点为电磁波的传播，思政点为南仁东与“中国天眼”的故事，可通过讲述南老为“天眼”选址和建设的过程,增强学员的专业认知，培养学员严谨、细致、实事求是、精益求精的科学态度列举本课程的部分思政元素设计如表1所示

三、改革成效自本课程的教学改革方案提出以来，课程组积极实施改革模式根据近两年来的课程考核成绩、后续课程如“微波技术基础”等课程教员问卷的调查等，对本课程的教改效果进行追踪首先，教改后课程平均分相较于教改前有近5分的提高；其次，对学员进行调查，学员的学习热情有大幅度提高，70%的学员认为本课程有吸引力，对本课程感兴趣，65%的学员认为本课程不再是“天书”，有效打消了学员的畏难情绪后续课程教员反馈，学员对后续课程中所用到的电磁场与电磁波知识掌握好、基础牢，学员的电磁素养有了明显的提高针对“电磁场与电磁波”课程在“教”和“学”上的难题，本文对新工科背景下的“电磁场与电磁波”课程教学现状、改革措施、改革成效进行了粗浅的探讨力求提升学员的综合学习能力，培养学员扎实的电磁工程素养、人文素养，形成有目标、有措施、有效果的“电磁场与电磁波”课程改革路线

[1]“新工科”建设复旦共识[J].复旦教育论坛，2017,15227-

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[2]“新工科”建设行动路线“天大行动”[J].高等工程教育研究，2017224-

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[3]梅中磊，曹斌照，李月娥，等.电磁场与电磁波[M].北京清华大学出版社，201825-

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[4]邵小桃.电磁场与电磁波M+BodcoK[M].2版.北京:北京交通大学出版社，202152-

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[5]林健.新工科专业课程体系改革和课程建设[J].高等工程教育研究，202011-13,

24.Discussion onTeaching Reformof Electromagnetic Field andElectromagneticWaveFENG Hui-ting,WU Hua-ning,ZHAO LinSchoolof ElectronicEngineering,Naval Universityof Engineering,Wuhan,Hubei430033,ChinaAbstractThis articlestudies theideas anddirections ofelectromagneticfield andelectromagnetic wave course reformunder theconnotationand backgroundof newengineering.As atypical engineeringprinciplecourse,the electromagneticfield andwavecourseis abstractanddifficult tounderstand.In viewof existingproblems incurrent courseteaching,such asstudents,fear ofdifficulties and lack ofenthusiasm forlearning,the teaching resources,lack offeature,andlackof systematicnessofideological andpolitical education.This articlestudies fromthreeaspectsconstructing apsychological empowermentteaching method,constructing dynamicvisualization teachingresources,and constructingsystematicideological andpolitical educationdesign,to reformthe teachingofelectromagnetic fieldsand wavescourses,forming agoal orientedandmeasure orientedapproach aneffective curriculumreform routeforElectromagnetic Fieldand ElectromagneticWave.Key wordsElectromagneticFieldand ElectromagneticWave;teachingreform;teaching methods;teachingresources。