譚陽紅 高 兵

(湖南大學 電氣與信息工程學院,長沙 410082)

“電磁場與波”是電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課(48學時,3學分),內(nèi)容包括:靜電場、恒定場、時變場、準靜態(tài)場、電磁波在無界空間的傳播、電磁波的反射和折射等內(nèi)容。課堂面臨如下問題[1]:

(1) 數(shù)學基礎(chǔ)要求高:課程要求學生具備良好的數(shù)學、物理基礎(chǔ)。本課程的數(shù)學基礎(chǔ)是矢量代數(shù),重點是梯度、旋度和散度,不少學生根本不懂它們的物理含義,更別說靈活運用。

(2) “四大天書”中排名第二,學生畏懼心理強:“場”和“波”都看不見、聽不見,也摸不著,故要求學生有較強的空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力。課程理論性強、概念抽象、數(shù)學推導多且繁雜,是公認的難教難學的課程。

(3) 課程內(nèi)容多課時少:內(nèi)容縱深不夠,學完后學生不能運用“場”解決實際工程問題。

(4) 學生專業(yè)跨度大:課程由學院四個專業(yè)的學生自由選課,因?qū)I(yè)跨度大,學生需求各異。

(5) 課程沒有實驗,缺乏以解決工程問題為導向的設(shè)計類環(huán)節(jié),不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

(6) 課程思政實施困難:因課程內(nèi)容抽象難懂,教材鮮有實際應(yīng)用案例,且沒有實驗,學生缺少切身體驗,普通思政案例難以引起共鳴。

因此,需要消除學生的畏懼心理,激發(fā)學習主動性,提高課程質(zhì)量和教學效果,迫切需要對課程內(nèi)容、教學手段及方法進行改革。

1 一流課程建設(shè)舉措

課程采用OBE理念,讓學生能學以致用,培養(yǎng)其解決實際工程問題的能力[2-3],對課程目標、教學內(nèi)容、手段、考核等進行了全過程設(shè)計?！半姶艌龉こ虘?yīng)用”課程已經(jīng)獲批首批國家級一流課程。如圖1所示,這里僅闡述教學內(nèi)容設(shè)計。

圖1 以學生為中心的課程教學

(1) 針對數(shù)學基礎(chǔ)要求高的問題,我們設(shè)計了若干個專門的數(shù)學專題,將學生認為晦澀難懂的矢量代數(shù)轉(zhuǎn)換為身邊的生活內(nèi)容,直觀易理解。

(2) 針對課程內(nèi)容抽象難懂,將教學內(nèi)容進行“四化”處理:教學內(nèi)容游戲化、教學內(nèi)容生活化、教學內(nèi)容故事化、教學內(nèi)容直觀化。

(3) 對課程內(nèi)容多和學時少的矛盾,繪制了課程知識圖譜,給知識點配置了工程應(yīng)用實例;根據(jù)知識點錄制了視頻并配套其他多種資源,制作了“電磁場工程應(yīng)用”MOOC課程,在“學堂在線”上線。教師開展基于MOOC+SPOC+混合式教學。通過學生課前和課后的自主學習,將部分教學內(nèi)容移到線上和課外,不但釋放了課堂教學時間,而且拓展了師生間的信息交流渠道。

(4) 針對學生專業(yè)跨度大,課程內(nèi)容與學生需求的矛盾,給不同專業(yè)的學生配置了不同的應(yīng)用實例。例如,對電氣專業(yè)的學生,在MOOC資源區(qū)設(shè)置了電氣專題:涉及發(fā)配電、電力電纜、電機電器、新能源等應(yīng)用實例。對電子專業(yè)的學生,配置的是通信專題,以及波在移動通信、雷達、遙控遙測、衛(wèi)星定位等方面的工程應(yīng)用實例。同時采取就地取材的方式,配置可應(yīng)用于日常生活的應(yīng)用案例,在慕課中就有幾十個案例,如奶牛被嚴重擊傷,人卻安全無恙;又如魚塘死魚之謎、別墅起火之謎、自動秋千制作、簡易防曬霜制作等。

(5) 針對課程沒有實驗,課程設(shè)計了很多淺顯易懂的生活案例,讓學生自己去動手,從動手中體會知識點的含義和應(yīng)用。例如,在“電磁波對理想導體的反射和折射” 一節(jié)中,①課前:讓學生用易拉罐為家里或?qū)嬍抑谱鱓IFI增強器,下載手機App,在安裝易拉罐前后,測量不同位置不同角度的WIFI信號變化。②課中:引導學生研討,對增強效果從理論上進行分析和討論。將分界面換成理想介質(zhì)、有損媒質(zhì),效果如何?從而引出其他教學內(nèi)容。③課后:用Maxwell仿真易拉罐增強器,并和理論計算值、手機App的測量結(jié)果進行對比分析。

(6) 針對課程思政實施困難的問題,課程中很多思政案例來源于應(yīng)用和動手實踐:因為教學內(nèi)容貼近生活,加上動手實踐的切身體會,容易引起學生共鳴,從而達到“育人于無痕”的效果。例如上述易拉罐增強器讓學生明白哪些材料可看成理想導體、哪些是有損媒質(zhì),它們對電磁波的傳輸特性有何影響等。這個實例讓學生明白:理論始終要服務(wù)于實際,理論如何才能服務(wù)于實際等思政內(nèi)容。

2 教學內(nèi)容設(shè)計示例

2.1 數(shù)學專題設(shè)計舉例

梯度是描述標量場的物理量,是引入位函數(shù)和簡化場研究方法的關(guān)鍵,故設(shè)計了2個梯度案例。

1)案例1:小飛蟲逃生

小飛蟲不小心誤入有火爐的房間,房間的溫度分布不均勻,要求設(shè)計飛蟲的最佳逃生路徑,如圖2(a)所示。顯然,逃生路徑就是溫度下降最快的路徑,它包含了梯度物理含義的全部內(nèi)容。

(a)小飛蟲逃生

2)案例2:梯度與生活

如圖2(b)所示、爬山與攀巖是從不同方向達到同一高度,但不同方向的陡度不同,引導學生理解方向?qū)?shù)的物理含義。在圖2(b)的不同上山方向中,攀巖是陡度最大(高度上升最快)的,引出對梯度物理含義的解釋。再通過圖2(c)、(d)的電梯實例,引導學生學會用數(shù)學語言描述實際工程問題。

進一步引導學生思考:還有哪些生活場景可用梯度來描述。這樣學生不僅能理解梯度的物理含義,還能用數(shù)學語言表示工程案例中的梯度問題。課程設(shè)計了很多類似專題,從不同角度闡釋物理含義、模型描述以及工程應(yīng)用。

2.2 教學內(nèi)容游戲化

課程不少內(nèi)容的推導過程復雜,學生學完后不會靈活應(yīng)用。如教材對“鏡像法”給出的是正向過程:先介紹等效方法,再尋找正確的鏡像電荷分布,這很容易理解。但是,如何根據(jù)不同的實際應(yīng)用場合去尋找正確的鏡像電荷分布,學生往往難以主動分析,是被動接受已有結(jié)論的。

經(jīng)過改革后,課程將它變成了逆向過程:先用“鏡子游戲”得到鏡像電荷分布的直觀印象,再證明兩者的解相同。課前的“鏡子游戲”為:兩面鏡子呈不同的角度(如90°、60°、45°等)放置,如圖3所示,觀察像的分布,并歸納總結(jié)。

(a) 90°放置,3個像

通過游戲,學生很快能得出特殊角度的像分布規(guī)律,教師只需要引導學生理解其中的內(nèi)涵,并應(yīng)用到靜電場中,后面的問題即可迎刃而解。進一步引出用保交變換求解非特殊角度的鏡像分布。

2.3 教學內(nèi)容生活化

課程側(cè)重知識結(jié)構(gòu)的模塊化,加強理論與生活及工程實際的聯(lián)系,讓抽象知識具體化,學以致用,這就是教學內(nèi)容生活化。

例如“電磁波的極化”一節(jié),傳統(tǒng)的授課內(nèi)容是極化方式的判斷,其原理特別簡單,就是參數(shù)方程的消元。但是,學生學完后不知道極化如何應(yīng)用,甚至連普通天線的極化方式都不知道。因此,經(jīng)過改革后,課程采取了教學內(nèi)容生活化的策略。因為篇幅的關(guān)系,這里只給出部分內(nèi)容。

課前:請學生買極化膜(成本0.4元/張,可同時供20人使用),剪成成合適大小,貼在手機攝像頭上,給水下或玻璃后的物體拍照,觀察貼膜前后的照片變化,部分照片如圖4所示。

(a)貼膜前(水下物體)

課中:采用“討論”方式進行,通過學生討論、教師糾正、互動討論等環(huán)節(jié),真正實現(xiàn)以學生為主,教師引導為輔的課堂教學環(huán)境,將所學知識應(yīng)用于設(shè)計與實踐,并解決實際問題。

1)討論:極化的應(yīng)用場合有哪些?

請學生展示課前拍照內(nèi)容,相互質(zhì)疑后,給對方組評分;請其中一組學生說出電磁波極化的作用,其他組補充;教師引導其拓展極化的應(yīng)用實例,如汽車夜行時如何屏蔽對方車遠光燈。

2)學會“火眼金睛”:識別天線的極化類型

(1)引導學生識別常用天線的極化類型,例如圖5列舉的天線[4-5]等;進一步學會如何判斷發(fā)送天線和接收天線是否匹配。

(a) 汽車防撞雷達天線

(2)日常生活中的典型天線分析。例如,為抑制干擾,多數(shù)國家(包括我國)的天線以水平極化方式為主:垂直極化經(jīng)過地面反射時,入射波和反射波間的相位偏移較大,遠距離傳播時可能導致入射波和反射波相互抵消。且水平極化天線的支持物(鐵桿、鐵塔等)及垂引饋線的再輻射對天線的影響也較小,其優(yōu)越性明顯。例如,車載廣播的天線一般采用垂直極化方式:只需將天線垂直擺設(shè)就能保證極化匹配。如果采用水平極化方式,需隨車輛道路方向的改變而調(diào)節(jié)天線方向,才能保證最佳接收。

(3)引導學生對不同應(yīng)用場合的天線特點進行分析,進一步設(shè)計天線的極化類型:如移動通信、飛機和衛(wèi)星通信使用的天線等。

(4)極化電磁波的產(chǎn)生方法討論,如兩根位置相異的線天線,控制其波的幅度即可合成圓極化波和橢圓極化波。

3)課后完成簡單的小制作:

(1)自制簡單立體眼鏡,觀察不同場景的物體;

(2)自制天線,用它接收不同極化方式的波;

(3)夜晚開車,如何避免對面汽車遠光燈的干擾?請學生動手制作實物、用App測量。

通過上述教學內(nèi)容的設(shè)計,本節(jié)內(nèi)容的思政內(nèi)容就很明顯了:“身體力行,勤于實踐”,讓學生體會“紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行”。只有將理論和實踐緊密結(jié)合,才能做到學以致用。

和課程的知識目標、能力目標一樣,思政目標也需要評價。通過學生展示課后小制作的功能展示和答辯:理論分析、實物制作、功能展示與實驗測試、研討分析等,上述思政目標就很容易評價了。

2.4 教學內(nèi)容直觀化

教學內(nèi)容直觀化是指借助Matlab,將看不見、聽不見、摸不著的場和波用動圖直觀表示。每組學生至少做10個將場直觀化的動圖實例,每個實例同時布置給兩組,便于組間質(zhì)疑和相互補充。

例如,電磁波(沿z軸傳播)的頻率和初相位為ω、θ,其x、y分量Ex、Ey(幅度為Em為

Ex=Emsin(ωt-θ),Ey=Emcos(ωt-θ)

(2)

則電磁波為右旋圓極化波,可以通過圖6(a)所示的簡單語句進行極化,如圖6(b)。

(a) Matlab代碼截圖

2.5 教學內(nèi)容故事化

教學內(nèi)容故事化是將教學內(nèi)容變成故事。例如疫情期間,一位新疆籍學生家里信號不好,影響了上課效果,遠程指導他做了2個簡單器件,如圖7所示。經(jīng)他用手機App測量,信號增大為原來的18～28倍。經(jīng)過這個過程,不僅解決了WiFi信號弱的問題,也使學生理解了波的傳播和波的反射折射原理,一舉兩得。

(a)易拉罐制作的增強器

3 思政育人基因式融于教學內(nèi)容中

課程的很多思政案例來源于上述工程應(yīng)用案例和動手實踐,因為有了以上的內(nèi)容改革,加上自己的動手實踐,學生對理論知識的應(yīng)用有了切身體會,很快就能引起思想共鳴。這種共鳴讓課程的思政效果加倍。

如“電介質(zhì)極化”的思政內(nèi)容之一是口罩駐極體的應(yīng)用:疫情防控關(guān)鍵期,N95口罩的優(yōu)異防護性能主要是無紡布的靜電吸附作用。而將無紡布變成駐極體的方法就是介質(zhì)極化。無紡布如何變成駐極體呢?課前請學生觀看視頻(https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&auto=0&vid=wxv_1209663657567797248)?？戳艘曨l后,學生對介質(zhì)極化有了初步理解,不少學生感嘆:“哇,原來極化還能變廢為寶啊”。

有了直觀認識后,在課中討論介質(zhì)極化的工程應(yīng)用時,即能順利找到突破口和思路。例如從疫情期間,我國N95口罩的迅速補貨,到我國的防疫政策和國家擔當,引出作為電類學子的專業(yè)擔當和擇業(yè)責任。更重要的是,不少學生對動手實踐躍躍欲試。這種將思政元素無痕嵌入在課堂教學中達到潤物細無聲的效果。

4 教學效果

從2019年開始,對湖南大學電氣與信息工程學院修課學生進行了跟蹤分析。全院全體學生(四個專業(yè)共500人,組成16個班)都自由選課,其中8個班采用改革方式教學,其余班級仍保持傳統(tǒng)教學。16個班采用統(tǒng)一的期中、期末試卷,采用流水式改卷,其學生成績和滿意度調(diào)查如圖8(a)所示。從圖中不難看出:

(a) 改革班級和傳統(tǒng)班級的成績對比分析

(1) 對于期末考試卷面分,改革班級比傳統(tǒng)授課班級高7～11分;

(2) 對于總評成績和期末考試卷面分的差,改革班級只有3分左右,而傳統(tǒng)授課班級達到10分。因此,改革班級的形成性評價更能體現(xiàn)OBE理念,更能反映學生的真實水平。

2019級(2021年)學生的滿意度調(diào)查如圖8 (b)所示,很多學生評價:“這種教學方法很perfect”“能讓我立即投入到實踐運用中,提高我的課堂專注力和知識轉(zhuǎn)化能力”“用實際的例子來解釋問題,讓人有恍然大悟的感覺”“終于知道電磁場原來可以有這么多用”。

改革班級的獲得感調(diào)查結(jié)果如圖9所示:學生的獲得感有了很大提高,其中學習興趣、思維方法和成就感的“有很大提高”的比例均在97%以上,說明課程的形成性評價發(fā)揮了其應(yīng)有的作用。

圖9 改革班級的獲得感

5 結(jié)語

深入分析了課程的特點,設(shè)計了若干個專門的數(shù)學專題,將學生認為晦澀難懂的矢量代數(shù)轉(zhuǎn)換為直觀易理解的生活內(nèi)容;優(yōu)化整合了教學內(nèi)容,將教學內(nèi)容游戲化、教學內(nèi)容生活化、教學內(nèi)容故事化和教學內(nèi)容直觀化,讓學生在“思”和“做”中將抽象難懂的知識和現(xiàn)實生活和工程實際緊密結(jié)合。課后調(diào)查結(jié)果表明,這種做法開拓了學生主動探索的求知精神,提高了學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力,學生的滿意度和獲得感高。