“四个一流”建设背景下地方高校教学改革与实践

杨琳 刘皎 张娜 李英 袁训锋 何适

[ 摘 要 ] 在“四个一流”计划的形势下，商洛学院面临加速应用型转型的艰巨任务。针对当前电子信息类专业的“电磁理论”相关课程教学过程中存在公式繁多、概念抽象等问题，主要从课程体系调整、开发立体化教学包、开发LED点阵演示教具、建设精品课程网站、融入创新创业教育5个方面出发，以提高应用能力为目标，结合项目和市场实际需求，加强实践教学。学生的逻辑思维、工程设计能力得以提升，为应用型人才的培养奠定了基础。

[ 关键词 ] 教学改革；电磁场与电磁波；创新教育；立体化教学

[ 中图分类号 ] G642.0 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1005-4634（2018）04-0074-06

0 引言

“十三五”规划期间，陕西省全面深化高等教育综合改革，实施“四个一流”计划[ 1 ]（一流大学、一流学科、一流学院、一流专业），持续推进省属高水平大学建设，加快部分地方本科高校向应用型院校转型[ 2，3 ]。近几年来，商洛学院（以下简称学院）作为偏远的地方院校，积极响应国家政策，向应用型院校转型，着重培养学生的应用实践能力，从而减小学生理论学习与实际生产的差距，完成为社会培养应用型人才的目标。

“电磁理论”相关课程涉及到理工科的所有专业，尤其是电子信息类专业中的《电磁场与电磁波》课程，是专业基础课，对其他课程的进一步学习至关重要。该类课程的教育质量成为一个突出的问题。学生的理论基础差异较大，大部分学生的学习能力有所欠缺，这就要求教师寻求更为积极有效的教学方式，给学生多元化、全方位的学习指导。另外，在教学中存在不规范、不系统，数量多、质量差，针对性、实用性不强，不能满足教学需要等问题。近些年来，很多高校教师对此展开了广泛的讨论和深入研究。邵初寅[ 4 ]研究了應用型高校的课程教材建设。姜宇[ 5 ]探讨了如何构建与实现电磁场与电磁波精品课程教学模式。梅中磊[ 6 ]、李虎[ 7 ]、葛文萍[ 8 ]、曹斌照[ 9，10 ]、叶宇煌[ 11 ]、张晓萍[ 12 ]等人，分别研究了“电磁场理论”的研究型教学设计、微课设计、教学思考、课程建设、题库建设、课程设置、计算机辅助教学。苏波[ 13 ]研究了演示方法。霍佳雨[ 14 ]对实验教学进行了改革。杨琳[ 15-17 ]、汤红卫[ 18 ]、吕丽君[ 19 ]、黄健全[ 20 ]等人，分别讨论了Presentation、 Matlab GUI、 HFSS等软件在电磁波教学中的应用。任仪[ 21 ]、任宇辉[ 22 ]讨论了电磁波课程中的计算思维培养。许丽洁[ 23 ]展开了物联网时代电磁理论教学的的研究。在这些教师改革的基础上，本文提出建设一种立体化教学的思路，围绕《电磁场与电磁波》《大学物理》《电磁学》等课程中的“电磁理论知识”进行立体化教学建设，开发教学资源，改善教学模式，从而将理论知识的学习转化为学生的创造能力，达到产、学、研相结合的目的。

1 课程改革背景

《电磁场与电磁波》是电子信息科学与技术专业、电子信息工程专业以及电气工程及其自动化专业的专业必修课；《电磁学》是物理学专业的专业必修课；《大学物理》是理工科必修的一门基础课，学生人数多且覆盖面广。这3门课程中都有很大一部分关于“电磁理论”的知识内容，而电磁理论内容复杂、概念抽象、公式繁多，要求教师和学生要有较好的数学功底和物理基础。

在国内诸多大学，该类课程被誉为“天书”，可见其教学难度。学院大多数学生由于数学基础薄弱，入门学习难度较大，也难以进行深入的理解和学习。与此同时，此类知识公式繁多，推导过程也相当复杂，学生很容易混淆公式，不知道什么时候用哪个公式，也理不清公式之间的关系。另外，电磁场与电磁波的理论非常抽象，尤其是电磁波的三维特性和波动性，要求学生要有较强的空间分析能力、抽象思维能力和逻辑推理能力。但是，由于传统教学模式的限制，教师无法生动、形象地将抽象的教学内容演示给学生。学生难以在自己的知识体系中建立起相关模型，也难以理解相关的概念与理论。除此之外，由于该课程难度系数大、学生基础差，传统教学模式限制等问题，学生难以培养起学习该课程的兴趣，考试不及格的现象也较为常见，更难以将所学知识应用到实践过程中。

多年来，为提高此类课程的教学质量，围绕电磁理论知识教学改革、数字媒体教材的建设团队做了大量的研究工作。这些工作得到了有关专家和校领导的认可。其中，《电磁场与电磁波》演示PPT获得“商洛学院2014年度校级优秀电子课件奖”；2014年开发完成的“电磁波仿真演示软件”（如图1所示），在教学过程中使用了3年，提高了教学内容的可视性，很大程度地提高了学生学习的兴趣；2015年教学改革项目“计算机辅助《电磁场与电磁波》课程，教学的研究与实践”结题，发表相关论文3篇。

但是，由于计算机软件的三维立体局限性，使得学生的感受不够具体。因此，笔者及教学团队尝试使用单片机来控制LED点阵光立方，制作“光立方电磁理论演示教具”来展示电磁波的各种特性，不仅能减少学生枯燥的想象，还能够吸引学生的注意力，从感官上给学生真实的感受和强有力的视觉冲击，从而激发学生学习该门课程理论的兴趣。与此同时，笔者及教学团队编写《电磁场与电磁波》课程讲义，构建了多元化、立体化的《电磁场与电磁波》课程资源系统，为该类课程的教学提供了便利。

2 改革目标

2.1 知识体系结构改善，提升知识的融合度

在知识体系结构中，将以往的从静态场到动态场的体系，改为从源到场，再到性质的体系。这样的学习过程，颠覆之前的顺序，使学生更容易类比类似的知识，更加方便地将新学的知识点纳入自己的知识体系结构中，有助于学生的理解与应用。在此基础上，教师要改进传统的以单向性知识传授为主的教学方式，在课堂教学中充分利用现代化教学手段。

2.2 变抽象为直观，增加趣味性

利用LED点阵光立方制作出电磁场与电磁波相应的三维立体动画来辅助教学，以点阵光立方作为电磁波演示的载体，刺激学生的视觉感官，降低教学内容的复杂程度，让抽象的、完全靠想象的教学内容变得更容易通过视觉感官来认知，将教材中简单的静态图片显示成三维立体的动态炫彩效果，使教学内容变成动态的，看得见、摸得着的，可以调控的实体，增加其趣味性。

2.3 开发立体化教学包，实现在线自主学习

开发立体化教学包，编写应用型讲义，辅助课程教学，为学院网络教学平台提供《电磁场与电磁波》课程的视频动画等素材，为该课程的网络化教学打好基础。

2.4 变被动接受为主动探索，提高创新能力

教学等环节中引入MATLAB、HFSS、ADS等专业软件，同时加强课程之间的联系，探索微波与天线课程设计的教学实践；通过学生自主的电磁仿真训练，强化学生对复杂电磁波问题的理解，将理论与实践相结合，增强学生的专业能力。鼓励学生自己动手将一些实际应用中的电磁问题在计算机中寻找解决的方案，把课堂中的理论学习和工程中的实践操作有机结合起来。构建多层次人才培养模式，提高应用型院校本科生的实践能力、创新能力和综合素质。

3 教学模式改革与探索

针对现有传统教学中存在的主要问题，在转型发展趋势下，以培养应用型学生为宗旨，以提高学生算法与数据结构应用能力为目标，结合工程实践具体需求，完善并加强实践教学内容。

3.1 整合教学内容，优化知识体系结构

1） 讲授顺序调整。之前的教学依据传统的知识理论体系顺序授课（如图2所示），在矢量场、静电场、恒定电场、恒定磁场、边值问题、电磁波、中间穿插结合4～6个相关知识的仿真应用。然而当前应用转型环境下这种模式已难以适应。根据学生学习认知一般规律及学院电子信息科学与技术专业自身特点，教师在传统教学基础上进一步优化课程培养体系，整合教学体系内容，將原来的顺序式的教学，优化为采用“麦克斯韦方程组→各类场”的演绎法进行知识点讲授。

首先，根据人才培养方案，电子信息类专业学生在学习《电磁场与电磁波》之前，已经系统地学习过《高等数学》和《大学物理》，具备曲线、曲面积分的知识储备，使用该体系可行。其次，采用该体系能够节省静态场的学习时间，尽快进入重点内容时变场和电磁波的学习。再次，学习麦克斯韦方程组后，静态场和时变场方程都是麦克斯韦方程组的特殊形式，能够从麦克斯韦方程组中直接导出。

2） 体系结构优化。《电磁场与电磁波》的公式繁多、概念复杂，为了让学生通过更加简洁易行的方式来理解、掌握知识，而不是无效记忆，必须进行共性知识的整合。知识按共性归纳整合后，学生能够通过类比来理解记忆，达到举一反三的效果。调整后的课程体系结构如图3所示，已经整合的内容有：各种场的基础概念、基础物理现象；静电场（电荷）、恒定电场（电流）、恒定磁场（电流）的知识；三种静态场的边值问题。增加共性整合内容有：电导、电容、电感；电场力与磁场力；电场能量、磁场能量。

3.2 开发立体化教学包，编写应用型本科院校的讲义 立体化教学包中包括课程方案、电子教案、教学素材资料库及试题库系统等，以适应不同专业的《电磁场与电磁波》以及其他课程的教学，提高教学质量和教学效果，推动学院《电磁场与电磁波》等课程中的电磁理论知识的教学改革，以适应陕西地方应用型本科院校人才培养的需要。

1） 课程方案。教师编写了《电磁场与电磁波》课程新体系的讲义、学习指导、教学计划、学习提示等；以章为单位设置学习要求，重点知识学习导航图，重点、难点剖析，典型例题解析。

2） 电子教案。重新设计教学过程，增加了有效的师生互动环节，使教学课件的设置符合学生的认知规律和思维过程；添加了大量的教学动画，以直观的方式揭示电磁理论的思想本质，加深学生对电磁场电磁波的基本概念、原理和方法的理解；教学过程设计更适合教师进行课堂教学，补充了类型丰富的教学示例供教师选用；增加了课堂练习环节，为提高教学效率、突破教学难点、增强教学效果奠定基础。课件中有明确的学习目标或教学基本要求陈述（体现到章节）；为自学者提供学习方法或内容的建议、帮助，并在内容设置中体现相关知识点之间的联系。

3） 教学素材资料库。该资料库搜集整理了大量的教学资源和备课元素，供教师修改选用，充分展现教师个性化授课特点，具体包括MATLAB电磁建模、应用与实践案例库、常用电磁公式、中英对照电磁理论词汇、基本电磁理论图像（flash动画）、电磁学简史与电磁理论、趣味电磁学视频等。

4） 试题库。题库总试题量500余道，可满足学院各个专业试题组卷的要求；含选择题、填空题、计算题、证明题、综合应用题等，以经典测试理论为基础，实现试题编辑、组卷、输出等功能。教师只需要根据考试要求直接选择考点和题型，通过智能组卷按钮，几秒钟内即可生成试卷和相应的答卷。

3.3 开发LED点阵三维电磁理论演示教具

利用人类对光源的视觉暂留效应，开发出光立方电磁理论教具，在LED点阵三维演示系统中显示电磁波的相关理论，实现真正意义的三维立体电磁波显示系统。电磁理论LED点阵三维演示系统的硬、软件方案如图4和图5所示。该演示教具给教师和学生提供良好的用户视觉体验，具体演示效果如图6所示。

3.4 开发建设精品课程网站

精品课程网站包含教学动态发布、课程建设介绍、学习辅导答疑、学习论坛讨论、综合提高训练、电磁实验与建模、电磁史话与背景资源、师生互动、网络课程等栏目。使用方便，为全体师生提供了一个优秀的学习平台。

3.5 融入创新创业教育

将创新创业融入教育分融入教学、融入实践两步走。

第一，融入教材，融入课堂。创新创业教育融入教材主要体现在引入学科发展前沿、联系教师科研成果、融入实际问题、发掘教材细节等。教材电导内容中引入超导现象及其应用情况，光波与电磁波区别时介绍LED光源的发光原理及优点；边值问题数值求解方法和电磁波的辐射与传播内容，结合教师科研实际问题进行讲解；针对电磁理论应用，融入“太阳能电池”最终的电流连续性方程，“半导体器件原理”中的场效应晶体管、半导体光的吸收和发射，“移动通信”中电磁波的传播特性、传播响应模型；在教材细节中进行问题发掘、拓展、整理形成学生学术论文成果，激发学生对科学问题的质疑精神，培养学生的创新意识。