《电磁场与电磁波》课程混合式教学实践研究

王 筠,李建明,胡 森

(1 湖北第二师范学院 物理与机电工程学院， 武汉 430205；2 湖北第二师范学院 光电材料与元器件研究所，武汉 430205)

1 引言

电磁场与电磁波课程主要内容包括：场论基础、电磁实验定律和场量基本方程、静态场、动态场、电磁波的传播、电磁波的传输和电磁波的辐射等。本课程学习过程需要在大学物理基础上进一步深入分析电磁场性质，在分析过程中，必须综合运用微分、积分和矢量计算及坐标变换的知识，这就要求学生能够将数学和自然科学的基本知识、模型及典型方法应用到不同场的分析中，建立不同场的特定条件下的抽象的数学模型，然后对场进行分析求解。通过本课程学习，使学生从会计算提升到能根据实际要求进行合理近似计算、从掌握数学建模方法提升到能根据实际问题建模的能力层次，因而本课程目标的达成有助于培养学生解决实际复杂工程问题的能力，它也是光电信息科学与工程本科专业学生学习工程光学、信息光学(傅里叶光学)及激光原理和光电子技术等后续专业课程的基础，在学科建设中发挥着承上启下的作用，是一门重要的专业基础课。本课程涉及的基础知识广、理论系统性强、数学推导繁琐和计算难、概念多且抽象，是一门难度系数较大的课程，同时由于面临大幅减少的课堂授课时间，教与学的矛盾十分突显；尤其目前学生普遍数学基础较薄弱，教师难教、学生难学的矛盾更加突出。为了解决教学中出现的问题，教育部出台的《关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》中提出大学教育教学要主动适应信息技术与认知科学带来的变化，要更加重视以学生为中心的本科教育。本课程组在近几年开展了一系列线上建课、线下课堂改革等课程教学改革。

2 线上线下混合式教学改革

随着网络信息技术加速发展和应用，教育与新技术的结合越来越紧密，在线学习成为一种新型学习方式。尽管在线学习能够给予学生 “私人订制”般的学习体验，但对于电磁场与电磁波课程这个学生心目中的“难课”，无论是从“教”还是从“学”的角度看，完全抛开线下课堂教学是不可行的，原因在于本课程涉及的许多概念抽象难懂，单凭学生一己之力非常困难，而凸显物理本质的探索环节离不开实体课堂上的师生互动。因此，贯彻以学生为中心的教学思路，采用线上线下混合式教学，重讨论、重总结，促进学生专业核心素养的养成是本课程教学目的。

2.1 线上学习分析

本课程于2019年2月在超星学习通上建课，线上有各章节的课件PPT、每一大节课后作业题、各单元测试试卷、期中考试试卷、各章节的在线问答题、试题库及参考书籍的PDF文档等。线上学习方便学生利用碎片时间高效学习、允许反复观看直到理解为止，同时还可以利用在线测试题检验理解程度，推动教师从讲授者转变为学习的管理者，有利于培养学生学习的主动性和自控力。2021年3月-6月，是一个光电信息科学与工程本科班开课时间段，由于学时限制，采用了线上线下混合式教学改革，即每一大节线下课堂授课的课后作业及各个单元测验、期中考试均是在线进行，学生在规定时间内在线提交课后作业、各个单元测验答卷及期中考试答卷，在线作业和各种测验使得学生可以自主利用碎片空闲时间完成，更能凸显以学生为中心的教与学，但是也存在一些疑难问题，即不能完全真实反映学生学习成效，下面分别从学生在线学习章节、在线提交作业和在线单元测验考试等几方面具体分析。

2.1.1 在线课程章节学习。利用在线学习方式，学生可以很方便利用任何空闲时间随时随地开展课前预习，图1是学生一个月内在线学习课程章节的次数统计图，表面看还是比较正常，但是在查看学生学习所用时间，就有点失望，如图2所示学习进度统计图，从图中得知学生在线学习所用时间少得可怜，不足25分钟。

图1 学生在线学习情况统计截图

图2 一个月内学习进度统计图

2.1.2 在线提交的课后作业。由于学习通平台上在线编辑公式不方便又费时，所以，学生是通过拍照上传纸质版作业方式在线提交的，图3是一学期的作业成绩统计表截图，从统计表中可知平均成绩达到了96.08的高分，但是，查看作业相似度却大失所望，见图4所示，学生1和学生2作业相似度100%。

图3 光电信息科学与工程本科班一学期全班作业成绩统计图

图4 一次作业相似度部分统计图

2.1.3 在线单元测验考试。在线完成单元测验考试，与平时在线作业相类似，只不过考试时间限制在120分钟，超过规定时间系统自动关闭，在线提交的各个单元测验考试和期中考试成绩统计如图5所示，图中统计全班考试成绩平均分是77.54，出现20分的最低分，这个最低分必须引起重视，需要及时和该学生联系，单独谈话，了解情况。再来看某一个单元测验考试卷面分析截图，如图6所示，卷面成绩呈正态分布，比较正常，学习情况较好。

图5 光电信息科学与工程本科班一学期各单元和期中考试成绩统计图

图6 一个单元测验考试成绩分析截图

对学生学习成效的考评必须客观真实，学生在线学习成绩显然不能完全真实反映其学习成效，必须与线下课堂学习和线下期末考试综合评定才能得出确定的结果。

2.2 线下课堂教学和讨论

针对每一次课后作业，及时解答学生在作业中出现的疑难问题是非常重要的环节，由于课时有限，师生只能采取课外空闲时间通过集体讨论课来解决这些疑难问题，这就是线下集体讨论课的重要性。针对单元测验考试，通过翻转课堂方式，学生以自愿组成学习小组并选出各组代表，走上讲台，在全班同学面前讲解解题思路，推导求解过程并对结果展开讨论。在单元复习时，引导学生采用思维导图法对所学知识体系进行梳理，这样做十分有利于学生从繁复的推演计算中抽离出来，对所学知识体系进行归纳总结，有利于学生对所学知识的把握和巩固，达到融会贯通的目标。

通过一个学期的学习，学生的学习效果能较真实的体现在期末考试中，如图7是期末考试卷面成绩分析图。图中最低分6分，最高分91分，平均分52.7分。这与之前分析的在线学习成绩相差太多，说明在线学习情况好坏并不能完全反映学生实际掌握知识情况，另外本学期由于疫情防控影响，学生在校学习时间很紧张，尤其在接近期末复习阶段，学生根本找不出更多时间讨论疑难问题，只能匆忙上阵迎接期末考试，所以，卷面成绩很不好。图8是本课程目标达成度分析表截图，从图8中分析数据可知，课程目标1、课程目标3和课程目标5达成度较高，这表明学生对基础部分的掌握情况较好。课程目标2和课程目标4的达成度不理想，课程目标2和课程目标4所涉及的是综合运用电磁场基本原理和基本方法开展一些理论计算，只有少数学生掌握了基本计算与分析，而有近五分之一学生几乎不会，分析其原因可能存在如下几点：(1)本学期平时作业采取的是学生在规定时间内在线提交作业(学习通平台)，导致部分学生出现抄袭，平时没有掌握，所以，期末考试出现完全不会做；(2)单元测验也是在学习通平台进行，所以，教师对学生关于所学知识的掌握情况不是全面清楚；(3)本学期教学周数因为疫情防控缩短了，学生根本没有时间复习巩固所学知识。针对课程目标2和课程目标4的达成度不理想，进行教学上的改进，主要是：(1)平时作业不能采取在线提交作业；(2)单元测验可以在学习通平台进行，但是应该抽取空余时间补上习题课，及时解决学生学习中的疑难问题；(3)加强与学生的沟通，及时了解学生学习中遇到的困难。

图7 一份期末考试卷面成绩分析图

图8 课程目标达成度分析表截图

学习是一个过程，对学习的评价必须是对学习过程的总体评价，不能一味只看期末考试。大学本科教育教学都要围绕学生毕业能力达成这一核心任务展开。所以，课程考核方式方法的改革迫在眉睫。

2.3 课程考核方式改革

为了体现学生在学习过程中的努力付出，也为了激发学生平时学习积极性和主动性，本课程考核分为平时成绩占比20%，单元测验考试和期中考试各占比20%，期末考试占比40%，其中平时成绩包括平时考勤、课后作业。这样总评之后图7期末考试情况很不好的这个班只有2名学生需要补考。

3 总结

贯彻以学生为中心的教学思路，采用线上线下混合式教学，重讨论重总结促进学生专业核心素养的养成是本课程教学目的。 但是，要让线上学习和线下课堂教学真正有机结合，实现本专业学生毕业能力达成这一核心任务并不能一蹴而就，需要潜心研究细致摸索和大胆创新。通过一个学期的探索，有收获也有失败，收获在于学生在线预习可以随时随地进行，失败之处是在线提交作业和单元测验考试，抄袭现象严重，导致平时单元测验考试成绩很好，而期末考试卷面成绩不理想的奇怪现象。因此，在后面的课程改革中，去掉在线提交作业，改为线下完成作业，线上单元测验考试可以适当增加题量，尤其分析计算题，可以有效避免学生之间的抄袭。坚持线下经常性的讨论课和翻转课堂，坚持引导学生用思维导图法梳理所学知识，坚持课程考核重在学习过程考核，坚持选择与工程实际结合紧密的习题作为课后作业题。