“电磁场与电磁波”课程混合教学模式研究

蔡轶珩 陈华敏 稂时楠 解意洋 赛景波

(北京工业大学 信息学部， 北京 100124)

“电磁场与电磁波”课程是高等学校电子科学与技术、通信工程、电子信息等专业本科生的一门基础课，也是“微波技术”“通信电路”“电磁兼容”等课程的理论基础。特别是在现代电子技术高速发展的信息时代，电磁场与电磁波被广泛运用到广播电视、信息通讯、军事侦察、电子对抗等各个领域中。因此，它是一门重要的基础理论课程。另一方面，该课程内容涉及面广、理论抽象、数学分析多，也是被公认为难教、难学的一门课程[1-2]。结合“电磁场与电磁波”课程教学的实际，尝试利用前沿技术引领课堂教学，对教学模式进行改革与实践。以课程为中心、教师为主导、学生为主体，探索覆盖体系课程融合、课外仿真实践、课程思政、工程案例与科研融入、翻转课堂、线上线下并行等混合教学模式[3]。通过教学模式改革，希望打通课前、课中、课后以及相关课程间的连接通道，帮助学生系统理解和消化电磁场与电磁波的基本理论，充分锻炼学生独立解决实际问题和实践创新的能力。

1 体系课程融合教学模式探索

电磁场与电磁波课程是通信工程和电子信息工程等专业的一门公共基础必修课，还是多个学科的交叉融合点。前修课程有“高等数学”“大学物理”“电路分析基础”等，这些课程对该课程的学习起着基础铺垫作用；同期相关课程有“通信系统原理”“信号与系统”“射频与通信电路”等，这些课程与该课程相辅相成；后续课程有“射频天线设计与仿真”“移动通信”“光通信技术”“无线通信”“电磁兼容”等，这些课程内都有该课程基础知识的具体应用。研究体系内课程的相关内容，针对后续课程的先导知识，融入相应应用背景，打通课程间知识连接通道，将有效提升课程中理论内容的实用性。

与电磁场与电磁波课程相关联的后续课程中，“射频天线设计与仿真”课程需要利用该课程有关传输线电流波和电压波的一般表达式以及反射系数、驻波比等基本概念，以及矩形波导中的电磁波传输特性、波型和场结构等。“光通信技术”课程中需要利用电磁场理论精确求解光在光纤中传输特性，确定光纤单模或多模工作条件和特性。“无线通信”课程中，无线电波传播、发送和接收信号模型、无线信道特性等基础内容是基于电磁场理论得到的。“移动通信技术”课程中，需要利用电磁场理论确定电磁波在手机与基站之间传播时的功率损耗。“电磁兼容技术”课程中，需要利用电磁场理论分析电磁干扰的传输途径等。基于上述课程的内容分析，提取“电磁场与电磁波”课程中的直接关系内容，形成体系课程内容关联图，将后续课程中相应应用背景以工程案例形式融入授课内容，提升课程中理论内容的实用性。

2 仿真实践教学模式探索及体系构建

“电磁场与电磁波”的理论分析及计算涉及较为复杂的数学物理知识，且不够直观、抽象难懂。为了解决这些问题，实践环节的加入显然是最有效的途径[4]。但是由于学时有限，需要学生掌握的教学内容又多，如果占用课堂教学时间组织实践环节，会压缩理论教学时间，同样影响学生对理论方法的理解。因此，有必要探索课下实践的方式，采用软件仿真手段对涉及的数学分析建模展现，形成课下实践指导及评估体系，让学生直观感受建模结果的影响因素，使学生能够主动思索、勤于动手，加深对理论知识的理解，并提升分析问题的能力。

采用Matlab、HFSS 以及ADS 等软件作为仿真平台，通过课后作业的形式，鼓励学生将抽象的理论模型及相关特性直观地展示出来[5-6]。可根据课程进度，将仿真实践分为基础知识验证以及综合问题分析两大类。例如，在静电场分析中，可以利用仿真软件相关指令计算梯度和绘制等位线，得到二维空间电偶极子周围的电场及等位线分布。在电磁波分析中，可以三维动态仿真分析均匀平面波的传播、均匀平面波的极化、均匀平面波的反射与透射、矩形波导中场的分布特性等典型问题。学生通过使用仿真软件分析电磁场与电磁波问题，不仅增强编程和利用现代工具分析科学问题能力，同时也更加直观地理解其抽象的理论过程。

3 课程思政

传统工科教育多重理论与公式，“电磁场与电磁波”的教学也是如此，它对于“高等数学”“大学物理”等基础学科知识储备要求比较严格，课程中强调抽象的物理概念理解与复杂的计算分析。这使得学生虽具备一定的逻辑分析能力，但人文素养有所欠缺，关注结论却忽略探索过程。课程思政教学理念提出后，注重人文情感、注重思维模式逐渐成为课程教学内容的重要环节。研究电磁学相关的科技史，在课堂教学中引入人文内容，使得学生更加多维地理解理论知识，更加完整地了解科学家们的探索过程，同时以我国相关领域的发展激发学生的家国情怀[7]。

在授课过程中，引入电磁学史相关内容，借鉴相关专著总结出电磁学发展历史线索，并提炼可借鉴的翔实史料，达到最好的教学效果[8]。例如，《梦溪笔谈》中沈括对于指南针的实验以及发现磁偏角的记载，为我国古代对电磁学的贡献记下重要一笔。以科学家库仑、安培、欧姆、亨利、奥斯特、法拉、赫兹等为节点，串联形成电磁简史。麦克斯韦又是如何在这些巨人的肩膀上，通过精妙的数学语言得到科学史上最伟大的公式的。另一方面，我国相关领域的发展也取得了骄人成绩。例如，我国航天人奋发图强，目前已完成北斗二代卫星导航基本系统；我国自主研发的攻击-11隐形无人机，在建国70周年阅兵式上的精彩展现等都可以作为课程人文内容补充，构建课程思政案例库。

4 案例式教学与科研融入

目前，“电磁场与电磁波”的授课过程中主要从电磁基本理论出发去分析静电场、恒定磁场及时变电磁波基本现象及问题，与实际工程应用结合较少，这造成电磁理论与工程实际有较大的脱节现象，使学生在理解电磁理论上感觉抽象。

首先针对课程中的基本知识点，结合工程应用构建工程案例库，特别是后续课程相关内容的应用案例，在应用中把握电磁基本理念。例如，二战期间电磁场理论应用最活跃的雷达系统案例，体现了电磁波的传播及反射特性。立体电影的摄制与放映，体现了电磁波极化的应用。另一方面，针对近年来在信息领域中的电磁场与电磁波应用研究热点，与基本电磁波理论结合，构建科研前沿案例库，促进学生的学习及研究兴趣。例如在当今的第四代、第五代移动通信中无线宽带接入、多天线阵列、电磁兼容及电磁对抗存在很多理论研究及应用分析。同时，可以引入大学MOOC中一些领域专家的专业课实践内容[9]。

5 翻转课堂及线上线下并行教学模式

目前，“电磁场与电磁波”的教学方式是通过数学推导，得到理论性强且难于理解的结论公式。单一的教学方式不仅不利于教师的教，同时也给学生的学增加了很大的难度，学生往往不能做到对知识点的真正理解。“翻转课堂”为“电磁场与电磁波”课程改革提供了一种新的途径，它以教育实践为基础，克服了死板的填鸭式教学模式存在的弊端，重新调整了知识的传授与内化的顺序，有利于培养学生的自主探索和创新精神。选择合适的内容，结合线上资源，采用问题引导学生课前自主学习思考，课上分组合作进行讲座实施翻转课堂。从而引导学生从被动接受知识转向积极主动获取知识，乐于探究，同时培养学生搜集和处理信息、分析和解决问题、协同工作的能力，增强教学实效，不断提升教学质量。

受学时限制，可在综合分析章节选择合适的内容，设计分组问题。课堂中的教学活动主要以小组合作、师生交流互动为主。首先教师针对课前学习情况组织各小组进行展示；然后组织同学们对其中内容进行讨论；最后，教师再针对学生普遍存在的问题和本节课的重难点进行总结，从而更好地促进知识点的巩固和掌握。

6 结语

针对“电磁场与电磁波”课程内容在专业课程中的地位，建立与体系内先修、同期、后续课程的内容关联性，打通课程间知识通道；探索课下仿真实践的方式，采用软件仿真手段对涉及的数学分析建模展现，形成课下实践指导及评估体系；研究电磁学相关的科技史，在课堂教学中引入科技人文内容，以及我国相关领域的发展，形成课程思政案例库；基于课程基本知识点的工程应用背景，结合信息领域中的相关研究热点，形成工程及前沿案例库，落地案例式教学；遴选合适的翻转课堂内容，采用问题引导结合线上资源，尝试建立翻转课堂讲座选题。最终达到改革传统教学模式，形成课前、课上、课后紧密衔接体系，帮助学生系统理解和消化“电磁场与电磁波”的基本理论，充分锻炼学生独立解决实际问题和实践创新能力。同时，使学生切实感受到“电磁场与电磁波”的实用价值，并激发学生的使命感和爱国热情。