摘 要：“電磁場(chǎng)與電磁波”是安徽工程大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課。針對(duì)教學(xué)中存在的高階思維難建立、知識(shí)遷移難應(yīng)用、學(xué)習(xí)情感難持續(xù)等“痛點(diǎn)”問題，課程團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持以學(xué)生發(fā)展為中心，提出“教、學(xué)、做（仿真與實(shí)驗(yàn)）合一”的教學(xué)理念，將立德樹人的根本任務(wù)融入課程，深挖“科學(xué)”思政，運(yùn)用“5W1H5E”教學(xué)法，從源于教材，高于教材立體構(gòu)建知識(shí)體系，利用數(shù)字化資源構(gòu)建“線上線下混合教學(xué)”師生學(xué)習(xí)共同體，虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合、多元化考核評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新。經(jīng)過近6年的改革實(shí)踐，學(xué)生的高階目標(biāo)、內(nèi)在驅(qū)動(dòng)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(chǎng)與電磁波；立德樹人；“5W1H 5E”教學(xué)法；教學(xué)創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-260X（2024）06-0089-04

2017年，隨著新工科建設(shè)“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”的先后提出，“新工科”背景下對(duì)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(shí)的教學(xué)，缺乏實(shí)踐教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和解決工程問題的能力。在此背景下，將“5W1H5E”教學(xué)法充分應(yīng)用于“電磁場(chǎng)與電磁波”的課程教學(xué)中，在課程體系與內(nèi)容、教學(xué)方式與方法和課程考核方式等方面結(jié)合“新工科”對(duì)課程的教學(xué)改革需求不斷完善和改進(jìn)。其中，“5W1H”即Who，源（電荷、電流）；When，時(shí)間（靜態(tài)、時(shí)變）；Where，空間（有界、無界）；What，場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)）；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(píng)價(jià)（Evaluation）。

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

1 課程概述與教學(xué)目標(biāo)

1.1 課程概述

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是高等學(xué)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(xué)物理（電磁學(xué)）的基礎(chǔ)上，深入認(rèn)識(shí)宏觀電磁場(chǎng)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(xué)習(xí)，在思想觀與方法論方面，認(rèn)識(shí)電磁本質(zhì)的思想觀與分析電磁規(guī)律的方法論；在知識(shí)建立方面，認(rèn)識(shí)和建立電磁因果規(guī)律，為“微波與天線技術(shù)”“移動(dòng)通信”等后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定必要的基礎(chǔ)，對(duì)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(xué)目標(biāo)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)秉承學(xué)?！罢\實(shí)做人、踏實(shí)做事、扎實(shí)做學(xué)問”的育人理念，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)具有社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識(shí)和實(shí)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(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)提出的畢業(yè)要求，根據(jù)布魯姆認(rèn)知模型，將課程教學(xué)目標(biāo)制定如下。

（1）價(jià)值引領(lǐng)（思政目標(biāo)）。堅(jiān)持立德樹人根本任務(wù)，結(jié)合“科學(xué)精神、科學(xué)家品質(zhì)、科學(xué)力量”培養(yǎng)新時(shí)代學(xué)子具有愛國(guó)情懷和擔(dān)當(dāng)；擁有辯證、嚴(yán)謹(jǐn)、創(chuàng)新的科學(xué)思維。

（2）知識(shí)探究（知識(shí)目標(biāo)）。培養(yǎng)學(xué)生正確理解電磁場(chǎng)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(chǎng)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(biāo)）。使學(xué)生具備從場(chǎng)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(shí)踐能力。

（4）素質(zhì)養(yǎng)成（素質(zhì)目標(biāo)）。培養(yǎng)學(xué)生具備工程師求實(shí)、探索的科學(xué)精神，正確的科學(xué)態(tài)度和倫理素養(yǎng)，社會(huì)責(zé)任及追求卓越的工匠精神。

2 學(xué)情分析與課程教學(xué)存在的主要痛點(diǎn)

本課程授課對(duì)象為省屬普通高等學(xué)校電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科二年級(jí)學(xué)生，該階段學(xué)生已學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)課程知識(shí)，但理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間不能建立有效鏈接；學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，喜歡互動(dòng)，對(duì)未來充滿期待，但注重習(xí)題和考試，忽視實(shí)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(xué)的難點(diǎn)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(shí)際門檻高。因此，該課程被普遍認(rèn)為是一門既難“教”又難“學(xué)”的工科課程。如何瞄準(zhǔn)高階性、探索創(chuàng)新性、提升挑戰(zhàn)度，是課程教學(xué)要解決的重點(diǎn)問題。

3 教學(xué)創(chuàng)新采取的主要舉措

針對(duì)教學(xué)中存在的痛點(diǎn)問題，堅(jiān)持以學(xué)生發(fā)展為中心，在“教、學(xué)、做（仿真與實(shí)驗(yàn)）合一”教學(xué)理念的指導(dǎo)下，依托電子科技大學(xué)建設(shè)的教育部電磁場(chǎng)課程虛擬教研室、教育部“拓金計(jì)劃”示范課程、省級(jí)一流課程等進(jìn)行改革與創(chuàng)新，將“5W1H 5E”應(yīng)用于教學(xué)中，在融合理論、案例與實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)中有效融入“科學(xué)精神、科學(xué)家品質(zhì)、科學(xué)力量”的“科學(xué)”思政[3]。課程教學(xué)堅(jiān)持理論與實(shí)際相結(jié)合，教學(xué)與科研相結(jié)合，抽象與直觀相結(jié)合，深化以學(xué)生為中心和成果為導(dǎo)向的教育理念，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容高階性、教學(xué)方法創(chuàng)新性和教學(xué)方式挑戰(zhàn)性的總體目標(biāo)。在知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)中實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)，提高協(xié)同育人水平，解決痛點(diǎn)問題。

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

選用謝處方等編著的國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《電磁場(chǎng)與電磁波（第5版）》，教材內(nèi)容豐富、深刻。課程中的知識(shí)點(diǎn)近300個(gè)，重要概念近100個(gè)。學(xué)生首次面臨將數(shù)學(xué)、物理知識(shí)綜合運(yùn)用的挑戰(zhàn)。課程團(tuán)隊(duì)近幾年重構(gòu)課程內(nèi)容，建立“場(chǎng)”的思維，注重理解電磁本質(zhì)，設(shè)計(jì)了一條主線清晰的教學(xué)內(nèi)容，核心是麥克斯韋方程組，如圖1。

課程圍繞“源與場(chǎng)”和“場(chǎng)與物質(zhì)相互作用”這兩大主要問題，課程團(tuán)隊(duì)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(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系。圖2是以“電磁波在有界空間傳播”內(nèi)容為例的知識(shí)體系構(gòu)建導(dǎo)圖，即從源，時(shí)間、空間、場(chǎng)，求解方法以及如何應(yīng)用這六個(gè)方面構(gòu)建課程內(nèi)容，幫助學(xué)生從宏觀上對(duì)要學(xué)習(xí)的內(nèi)容有一定的認(rèn)知。

通過教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)，幫助學(xué)生強(qiáng)化內(nèi)容認(rèn)知，進(jìn)行建模、分析、求解、解釋時(shí)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(jī)、雷達(dá)探測(cè)、隱身飛機(jī)、“天眼FAST”、電磁污染等，拓展知識(shí)外延方向，學(xué)習(xí)基于公式背后的工程應(yīng)用，使學(xué)生擺脫課程數(shù)理公式繁多的恐懼心態(tài)，增強(qiáng)學(xué)好課程的信心。

3.2 基于“5E”教學(xué)模式創(chuàng)新混合教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建師生學(xué)習(xí)共同體

基于“5E”教學(xué)模式創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)，該模式是美國(guó)生物學(xué)課程研究會(huì)（BSCS，1989）開發(fā)的基于建構(gòu)主義教學(xué)理論的模式，是一種致力于引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的有效教學(xué)模式。5E是指吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）與評(píng)價(jià)（Evaluation），始終體現(xiàn)學(xué)生主體，教師主導(dǎo)，營(yíng)造自主、合作、探究式學(xué)習(xí)環(huán)境，做到師生、生生互動(dòng)，構(gòu)建師生學(xué)習(xí)共同體，解決傳統(tǒng)教學(xué)模式下缺少互動(dòng)的問題。

結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀、學(xué)生發(fā)展需求及學(xué)科前沿，基于5E模式進(jìn)行混合教學(xué)設(shè)計(jì)，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(xué)方法，使用“雨課堂”等現(xiàn)代化信息教學(xué)工具在課前、課中、課后教學(xué)環(huán)節(jié)將學(xué)生有效帶入，使學(xué)生充分參與，將課程思政融入教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開放式、交互式教學(xué)。混合教學(xué)設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.3 以“實(shí)驗(yàn)感知、應(yīng)用認(rèn)知”為思想，“看見知識(shí)”而學(xué)習(xí)知識(shí)，“感知內(nèi)涵”而應(yīng)用知識(shí)

電場(chǎng)磁場(chǎng)與電磁波是“看不見、摸不著”的，需要學(xué)生具備強(qiáng)大的抽象思維、空間想象能力以及三維矢量場(chǎng)時(shí)空耦合關(guān)系等核心知識(shí)。利用虛擬仿真技術(shù)（比如MATLAB仿真等）將抽象的概念以動(dòng)畫的形式進(jìn)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(xué)”思政元素，激發(fā)學(xué)習(xí)情感

選取與內(nèi)容密切相關(guān)的工程應(yīng)用案例，對(duì)蘊(yùn)含的“科學(xué)”思政元素進(jìn)行凝練，強(qiáng)化辯證思維，熏陶科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)家國(guó)情懷，體驗(yàn)和探索課程在工程實(shí)際中的應(yīng)用，抓住學(xué)科前沿和理論的結(jié)合，持續(xù)激發(fā)學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)情感。

在講解三大實(shí)驗(yàn)定律（庫侖定律、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律）時(shí)，引入科學(xué)家的偉大實(shí)驗(yàn)事跡，讓學(xué)生在了解實(shí)驗(yàn)定律的背景知識(shí)的同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生以他們?yōu)榘駱樱e極開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)。

在講解“場(chǎng)”和“路”以及“靜態(tài)場(chǎng)與時(shí)變場(chǎng)”教學(xué)內(nèi)容時(shí)，采用矛盾分析的方法，認(rèn)真梳理課程多個(gè)知識(shí)點(diǎn)中蘊(yùn)涵的對(duì)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(shí)，引入學(xué)生感興趣的新科學(xué)和新技術(shù)，如雷達(dá)、無人機(jī)、隱身技術(shù)、無線通信等。例如通過視頻了解我國(guó)先進(jìn)的雷達(dá)技術(shù)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在北京冬奧會(huì)以及生產(chǎn)生活中的重要應(yīng)用；舉例隱身飛機(jī)除了依靠外形設(shè)計(jì)外，還需機(jī)身表面涂覆吸波材料。通過這一系列的案例激發(fā)學(xué)生的求知欲，增強(qiáng)學(xué)生的使命感。

在課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中，有的同學(xué)在學(xué)習(xí)中存在困難，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高，此時(shí)教師可通過引入講解一些工程設(shè)計(jì)方案，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揚(yáng)迎難而上的“科學(xué)鉆研精神”。另外要求學(xué)生按時(shí)參加實(shí)驗(yàn)課程，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神，培養(yǎng)學(xué)生塑造紀(jì)律意識(shí)和責(zé)任意識(shí)。

3.5 設(shè)計(jì)多元化考核評(píng)價(jià)體系，彌補(bǔ)“一卷定分不合理”的考核缺陷

為了評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果與課程目標(biāo)達(dá)成度，構(gòu)建了強(qiáng)調(diào)過程考核，基于多目標(biāo)（知識(shí)、能力、素質(zhì)與思政目標(biāo)）、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(xué)生自評(píng)，生生互評(píng)，教師評(píng)價(jià)）的評(píng)價(jià)體系，彌補(bǔ)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(shí)施效果

課程結(jié)束后，通過“雨課堂”對(duì)2020級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)效果的問卷調(diào)查。圍繞教學(xué)目標(biāo)的知識(shí)、能力、素養(yǎng)、思政四個(gè)層次目標(biāo)，學(xué)生可進(jìn)行多項(xiàng)選擇。有84名學(xué)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(shí)做到重點(diǎn)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(shí)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(shí)、創(chuàng)新能力、職業(yè)素養(yǎng)和正確的科學(xué)態(tài)度。有62人（占總?cè)藬?shù)的73.81%）表示通過課程學(xué)習(xí)增強(qiáng)了自身使命感，樹立了自主創(chuàng)新、科創(chuàng)報(bào)國(guó)的意識(shí)。學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)法充分應(yīng)用于教學(xué)中，有效融入“科學(xué)”思政元素，經(jīng)過幾年的創(chuàng)新探索和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)模式由單一理論教學(xué)到多元互動(dòng)教學(xué)模式的創(chuàng)新；學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)由成績(jī)驅(qū)動(dòng)向價(jià)值追求轉(zhuǎn)變，學(xué)習(xí)態(tài)度由被動(dòng)向主動(dòng)轉(zhuǎn)變；學(xué)生成績(jī)由靜態(tài)遞增向動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變。在今后的教學(xué)過程中，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)背景情況，靈活采用不同的教學(xué)方法，授課內(nèi)容突出教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，并最終從各個(gè)角度建立對(duì)電磁波全方位的“立體”認(rèn)知，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，在以中國(guó)式現(xiàn)代化全面推進(jìn)中華民族偉大復(fù)興的道路上，培養(yǎng)肩負(fù)民族復(fù)興大任的新時(shí)代大學(xué)生。

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