摘 要：“電磁場與電磁波”是安徽工程大學電子信息科學與技術(shù)專業(yè)的核心課。針對教學中存在的高階思維難建立、知識遷移難應(yīng)用、學習情感難持續(xù)等“痛點”問題，課程團隊堅持以學生發(fā)展為中心，提出“教、學、做（仿真與實驗）合一”的教學理念，將立德樹人的根本任務(wù)融入課程，深挖“科學”思政，運用“5W1H5E”教學法，從源于教材，高于教材立體構(gòu)建知識體系，利用數(shù)字化資源構(gòu)建“線上線下混合教學”師生學習共同體，虛擬仿真與實驗結(jié)合、多元化考核評價體系等方面進行教學創(chuàng)新。經(jīng)過近6年的改革實踐，學生的高階目標、內(nèi)在驅(qū)動力與科技創(chuàng)新力得到了提升，育人效果明顯。

關(guān)鍵詞：電磁場與電磁波；立德樹人；“5W1H 5E”教學法；教學創(chuàng)新

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2024）06-0089-04

2017年，隨著新工科建設(shè)“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”的先后提出，“新工科”背景下對人才培養(yǎng)和課程建設(shè)提出了新的要求[1]。目前，普通高校工科專業(yè)在人才培養(yǎng)上還比較側(cè)重基本理論知識的教學，缺乏實踐教學和培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和解決工程問題的能力。在此背景下，將“5W1H5E”教學法充分應(yīng)用于“電磁場與電磁波”的課程教學中，在課程體系與內(nèi)容、教學方式與方法和課程考核方式等方面結(jié)合“新工科”對課程的教學改革需求不斷完善和改進。其中，“5W1H”即Who，源（電荷、電流）；When，時間（靜態(tài)、時變）；Where，空間（有界、無界）；What，場（電場、磁場）；Which，求解方法；How，如何應(yīng)用。“5E”即吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）與評價（Evaluation）。

通過理論、案例引入與實驗實踐相融合，多方面挖掘和融入思政元素，旨在深入推動高等教育教學課程改革，探究如何在“新工科”形勢下培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才。

1 課程概述與教學目標

1.1 課程概述

“電磁場與電磁波”課程是高等學校電子信息類專業(yè)本科生的一門基礎(chǔ)課，主要任務(wù)是在大學物理（電磁學）的基礎(chǔ)上，深入認識宏觀電磁場與電磁波的基本規(guī)律，具備分析和解決電磁工程問題的基本能力。通過課程學習，在思想觀與方法論方面，認識電磁本質(zhì)的思想觀與分析電磁規(guī)律的方法論；在知識建立方面，認識和建立電磁因果規(guī)律，為“微波與天線技術(shù)”“移動通信”等后續(xù)專業(yè)課程學習奠定必要的基礎(chǔ)，對培養(yǎng)現(xiàn)代通信領(lǐng)域高素質(zhì)人才具有重要作用[2]。

1.2 課程教學目標

教學團隊秉承學?！罢\實做人、踏實做事、扎實做學問”的育人理念，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)具有社會責任感、創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和實踐能力的“高素質(zhì)復(fù)合型、應(yīng)用型人才”的培養(yǎng)定位，依據(jù)工程教育認證通用標準和補充標準提出的畢業(yè)要求，根據(jù)布魯姆認知模型，將課程教學目標制定如下。

（1）價值引領(lǐng)（思政目標）。堅持立德樹人根本任務(wù)，結(jié)合“科學精神、科學家品質(zhì)、科學力量”培養(yǎng)新時代學子具有愛國情懷和擔當；擁有辯證、嚴謹、創(chuàng)新的科學思維。

（2）知識探究（知識目標）。培養(yǎng)學生正確理解電磁場與電磁波的基本概念與性質(zhì)；掌握歸納表述、分析求解靜態(tài)電磁場問題的基本方法；掌握利用麥克斯韋方程分析電磁波傳播的原理及方法；理解電磁輻射的基本建模分析方法。

（3）能力建設(shè)（能力目標）。使學生具備從場和波的角度觀察、分析以及解決問題的能力；能借助仿真軟件建模，具備工程實踐能力。

（4）素質(zhì)養(yǎng)成（素質(zhì)目標）。培養(yǎng)學生具備工程師求實、探索的科學精神，正確的科學態(tài)度和倫理素養(yǎng)，社會責任及追求卓越的工匠精神。

2 學情分析與課程教學存在的主要痛點

本課程授課對象為省屬普通高等學校電子信息科學與技術(shù)專業(yè)本科二年級學生，該階段學生已學習高等數(shù)學、大學物理等基礎(chǔ)課程知識，但理論知識與實際應(yīng)用之間不能建立有效鏈接；學生學習興趣濃厚，喜歡互動，對未來充滿期待，但注重習題和考試，忽視實踐工程的參與；思想也還不成熟，三觀尚未完全建立。

本課程教學的難點問題主要表現(xiàn)為公式多、難理解；現(xiàn)象多、應(yīng)用廣；理論聯(lián)系實際門檻高。因此，該課程被普遍認為是一門既難“教”又難“學”的工科課程。如何瞄準高階性、探索創(chuàng)新性、提升挑戰(zhàn)度，是課程教學要解決的重點問題。

3 教學創(chuàng)新采取的主要舉措

針對教學中存在的痛點問題，堅持以學生發(fā)展為中心，在“教、學、做（仿真與實驗）合一”教學理念的指導(dǎo)下，依托電子科技大學建設(shè)的教育部電磁場課程虛擬教研室、教育部“拓金計劃”示范課程、省級一流課程等進行改革與創(chuàng)新，將“5W1H 5E”應(yīng)用于教學中，在融合理論、案例與實驗的創(chuàng)新教學設(shè)計中有效融入“科學精神、科學家品質(zhì)、科學力量”的“科學”思政[3]。課程教學堅持理論與實際相結(jié)合，教學與科研相結(jié)合，抽象與直觀相結(jié)合，深化以學生為中心和成果為導(dǎo)向的教育理念，實現(xiàn)教學內(nèi)容高階性、教學方法創(chuàng)新性和教學方式挑戰(zhàn)性的總體目標。在知識傳授、能力培養(yǎng)中實現(xiàn)價值引領(lǐng)，提高協(xié)同育人水平，解決痛點問題。

3.1 基于“5W1H”重構(gòu)教學內(nèi)容——源于教材高于教材，立體構(gòu)建知識體系

選用謝處方等編著的國家級規(guī)劃教材《電磁場與電磁波（第5版）》，教材內(nèi)容豐富、深刻。課程中的知識點近300個，重要概念近100個。學生首次面臨將數(shù)學、物理知識綜合運用的挑戰(zhàn)。課程團隊近幾年重構(gòu)課程內(nèi)容，建立“場”的思維，注重理解電磁本質(zhì)，設(shè)計了一條主線清晰的教學內(nèi)容，核心是麥克斯韋方程組，如圖1。

課程圍繞“源與場”和“場與物質(zhì)相互作用”這兩大主要問題，課程團隊源于教材，高于教材，提出重構(gòu)課程內(nèi)容的“5W1H”方案，通過“5W1H”思維導(dǎo)圖，幫助學生構(gòu)建知識體系。圖2是以“電磁波在有界空間傳播”內(nèi)容為例的知識體系構(gòu)建導(dǎo)圖，即從源，時間、空間、場，求解方法以及如何應(yīng)用這六個方面構(gòu)建課程內(nèi)容，幫助學生從宏觀上對要學習的內(nèi)容有一定的認知。

通過教學內(nèi)容重構(gòu)，幫助學生強化內(nèi)容認知，進行建模、分析、求解、解釋時空域中電磁現(xiàn)象和內(nèi)在物理過程。并引入工程案例展開分析，如發(fā)電機、雷達探測、隱身飛機、“天眼FAST”、電磁污染等，拓展知識外延方向，學習基于公式背后的工程應(yīng)用，使學生擺脫課程數(shù)理公式繁多的恐懼心態(tài)，增強學好課程的信心。

3.2 基于“5E”教學模式創(chuàng)新混合教學設(shè)計，構(gòu)建師生學習共同體

基于“5E”教學模式創(chuàng)新教學設(shè)計，該模式是美國生物學課程研究會（BSCS，1989）開發(fā)的基于建構(gòu)主義教學理論的模式，是一種致力于引起學生學習興趣的有效教學模式。5E是指吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）與評價（Evaluation），始終體現(xiàn)學生主體，教師主導(dǎo)，營造自主、合作、探究式學習環(huán)境，做到師生、生生互動，構(gòu)建師生學習共同體，解決傳統(tǒng)教學模式下缺少互動的問題。

結(jié)合學生學習現(xiàn)狀、學生發(fā)展需求及學科前沿，基于5E模式進行混合教學設(shè)計，通過回顧與問題導(dǎo)入式、探究式、討論式、類比式、案例分析等教學方法，使用“雨課堂”等現(xiàn)代化信息教學工具在課前、課中、課后教學環(huán)節(jié)將學生有效帶入，使學生充分參與，將課程思政融入教學活動，實現(xiàn)開放式、交互式教學?；旌辖虒W設(shè)計如圖3所示。

3.3 以“實驗感知、應(yīng)用認知”為思想，“看見知識”而學習知識，“感知內(nèi)涵”而應(yīng)用知識

電場磁場與電磁波是“看不見、摸不著”的，需要學生具備強大的抽象思維、空間想象能力以及三維矢量場時空耦合關(guān)系等核心知識。利用虛擬仿真技術(shù)（比如MATLAB仿真等）將抽象的概念以動畫的形式進行“開放式”模擬展示，如極化的旋向、電磁波的衰減等[4，5]。如圖4所示。

3.4 引入工程應(yīng)用案例，融入“科學”思政元素，激發(fā)學習情感

選取與內(nèi)容密切相關(guān)的工程應(yīng)用案例，對蘊含的“科學”思政元素進行凝練，強化辯證思維，熏陶科學素養(yǎng)，激發(fā)家國情懷，體驗和探索課程在工程實際中的應(yīng)用，抓住學科前沿和理論的結(jié)合，持續(xù)激發(fā)學生興趣和學習情感。

在講解三大實驗定律（庫侖定律、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律）時，引入科學家的偉大實驗事跡，讓學生在了解實驗定律的背景知識的同時，鼓勵學生以他們?yōu)榘駱?，積極開展大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。

在講解“場”和“路”以及“靜態(tài)場與時變場”教學內(nèi)容時，采用矛盾分析的方法，認真梳理課程多個知識點中蘊涵的對立和統(tǒng)一關(guān)系[6]。

在講解電磁波的空間傳播和電磁波作為信息載體應(yīng)用時，引入學生感興趣的新科學和新技術(shù)，如雷達、無人機、隱身技術(shù)、無線通信等。例如通過視頻了解我國先進的雷達技術(shù)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在北京冬奧會以及生產(chǎn)生活中的重要應(yīng)用；舉例隱身飛機除了依靠外形設(shè)計外，還需機身表面涂覆吸波材料。通過這一系列的案例激發(fā)學生的求知欲，增強學生的使命感。

在課程實驗實踐教學中，有的同學在學習中存在困難，導(dǎo)致學習積極性不高，此時教師可通過引入講解一些工程設(shè)計方案，鼓勵學生發(fā)揚迎難而上的“科學鉆研精神”。另外要求學生按時參加實驗課程，發(fā)揮團隊合作精神，培養(yǎng)學生塑造紀律意識和責任意識。

3.5 設(shè)計多元化考核評價體系，彌補“一卷定分不合理”的考核缺陷

為了評價學生學習效果與課程目標達成度，構(gòu)建了強調(diào)過程考核，基于多目標（知識、能力、素質(zhì)與思政目標）、多方式（定量與定性相結(jié)合，診斷性、形成性與終結(jié)性相結(jié)合）、多主體（學生自評，生生互評，教師評價）的評價體系，彌補了“一卷定分不合理”的考核缺陷。課程考核內(nèi)容構(gòu)成與權(quán)重系數(shù)如圖5。

4 實施效果

課程結(jié)束后，通過“雨課堂”對2020級電子信息科學與技術(shù)專業(yè)的學生進行了教學效果的問卷調(diào)查。圍繞教學目標的知識、能力、素養(yǎng)、思政四個層次目標，學生可進行多項選擇。有84名學生參與問卷調(diào)查，其中有76人（占總?cè)藬?shù)的90.48%）表示能夠?qū)局R做到重點掌握。有68人（占總?cè)藬?shù)的80.95%）表示能夠利用相關(guān)理論知識解釋相關(guān)工程問題。有45人（占總?cè)藬?shù)的53.57%）表示能夠通過引入課程思政，培養(yǎng)良好的工程意識、創(chuàng)新能力、職業(yè)素養(yǎng)和正確的科學態(tài)度。有62人（占總?cè)藬?shù)的73.81%）表示通過課程學習增強了自身使命感，樹立了自主創(chuàng)新、科創(chuàng)報國的意識。學生的學習積極性明顯提高，課程不及格率也明顯下降。

5 結(jié)語

在新工科背景下，將“5W1H 5E”教學法充分應(yīng)用于教學中，有效融入“科學”思政元素，經(jīng)過幾年的創(chuàng)新探索和實踐，實現(xiàn)了教學模式由單一理論教學到多元互動教學模式的創(chuàng)新；學生學習動機由成績驅(qū)動向價值追求轉(zhuǎn)變，學習態(tài)度由被動向主動轉(zhuǎn)變；學生成績由靜態(tài)遞增向動態(tài)增長轉(zhuǎn)變。在今后的教學過程中，根據(jù)教學目標和教學背景情況，靈活采用不同的教學方法，授課內(nèi)容突出教學重點和難點，并最終從各個角度建立對電磁波全方位的“立體”認知，促進學生的全面發(fā)展，在以中國式現(xiàn)代化全面推進中華民族偉大復(fù)興的道路上，培養(yǎng)肩負民族復(fù)興大任的新時代大學生。

參考文獻：

〔1〕佘昭威.新工科背景下黑龍江省屬高校工科專業(yè)建設(shè)對策研究[D].哈爾濱：哈爾濱商業(yè)大學，2021.

〔2〕許萬業(yè)，宋立偉，馬娟，等.“電磁場與電磁波”教學中的案例啟發(fā)式實踐[J].電氣電子教學學報，2021， 43（05）：98-101.

〔3〕邵小桃，李一玫，王國棟.電磁場與電磁波：M+Book[M].2版.北京：清華大學出版社，2021.

〔4〕謝處方，饒克謹，楊顯清，等.電磁場與電磁波[M].5版.北京：高等教育出版社，2019.

〔5〕梅中磊，曹斌照，李月娥，等.電磁場與電磁波[M].2版.北京：清華大學出版社，2022.

〔6〕任宇輝，王夫蔚，李珂，等.“電磁場與電磁波”教學中的對立與統(tǒng)一關(guān)系[J].電氣電子教學學報，2019，41（05）：84-87+109.