基于CDIO的電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)改革探討

李雪萍　張瑜

摘 要：本文針對(duì)目前高校電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)中存在的學(xué)生興趣不高、知識(shí)掌握不牢固等現(xiàn)狀，分析了電磁場(chǎng)與電磁波課程的特點(diǎn)和傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，并根據(jù)CDIO工程教育模式思想，從整合教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)方法、訓(xùn)練工程實(shí)踐能力等方面對(duì)該課程教學(xué)進(jìn)行了改革探討。新的課程教學(xué)模式不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且通過“學(xué)中做”和“做中學(xué)”的教學(xué)過程，使得學(xué)生的綜合素質(zhì)和工程實(shí)踐能力得到顯著提高，同時(shí)也培養(yǎng)了其創(chuàng)新性思維和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：CDIO；電磁場(chǎng)與電磁波；課程教學(xué)；教學(xué)改革

在高校電子信息工程、通信工程、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)等工科專業(yè)中，電磁場(chǎng)與電磁波課程是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。由于該課程不僅理論性強(qiáng)，涵蓋內(nèi)容多，知識(shí)跨度大，具有大量繁雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，而且電磁場(chǎng)與電磁波又看不見、摸不著，直觀性很差，因此使得該課程成為相對(duì)較難的課程之一。學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)往往會(huì)感到枯燥乏味，失去學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而影響對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握。另外，目前大多數(shù)高校的該門課程只有理論課，沒有開設(shè)相應(yīng)的實(shí)踐課程；或者即使有的高校開設(shè)了實(shí)踐課程，但大多數(shù)也只是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)或仿真實(shí)驗(yàn)，這與實(shí)際應(yīng)用還有較大的距離。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使大家很好地掌握本課程的知識(shí)，并能將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工程中，提高應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，需對(duì)目前該課程的常規(guī)教學(xué)模式進(jìn)行改革。

要讓學(xué)生獲得更豐富知識(shí)的同時(shí)提升個(gè)人能力、人際交往能力、系統(tǒng)和過程的建造能力，即工程素質(zhì)和能力，目前最好的解決方法是利用麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)組成的跨國(guó)研究機(jī)構(gòu)在2000年提出的CDIO工程教育模式，即將構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)行（Operate）運(yùn)用到教學(xué)的全過程。[1][2]目前我國(guó)已有50多所高校進(jìn)行了不同程度的CDIO教學(xué)模式的應(yīng)用，并取得了良好的成效。[3][4]

本文根據(jù)CDIO工程教育理念，針對(duì)高校電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)中出現(xiàn)的不足，在教學(xué)內(nèi)容的整合、教學(xué)方法的改變、實(shí)踐能力的培養(yǎng)等方面對(duì)該門課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革探討。

一、教學(xué)內(nèi)容的合理整合

電磁場(chǎng)與電磁波課程是在大學(xué)物理電磁學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述宏觀電磁場(chǎng)的基本性質(zhì)、基本規(guī)律和基本分析方法的課程。為了體現(xiàn)CDIO工程教育理念，盡量減少理論課學(xué)時(shí)，并且增加實(shí)踐課學(xué)時(shí)，使得學(xué)生在“學(xué)中做”和“做中學(xué)”；在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的同時(shí)培養(yǎng)工程應(yīng)用能力，需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理整合。

（1）積分形式描述宏觀電磁場(chǎng)理論的內(nèi)容學(xué)生已在大學(xué)物理課程中學(xué)習(xí)過，因此在該課程中只需對(duì)電磁場(chǎng)規(guī)律的積分描述形式進(jìn)行總結(jié)和復(fù)習(xí)，將重點(diǎn)放在用微分形式描述電磁場(chǎng)理論上。

（2）對(duì)相關(guān)的微波與天線內(nèi)容盡量簡(jiǎn)化，學(xué)生只需掌握一般知識(shí)即可，即能夠?yàn)楹罄m(xù)微波與天線課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)即可。

（3）目前電磁場(chǎng)與電磁波課程的教材眾多，采用的教學(xué)內(nèi)容安排也不盡相同。大體上主要按由特殊到一般或由一般到特殊的兩種形式進(jìn)行闡述[5][6]。根據(jù)學(xué)生接受能力和循序漸進(jìn)的思想，采用由特殊到一般的方式可能更適合學(xué)生學(xué)習(xí)，即從靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)、時(shí)變電磁場(chǎng)，最后形成完整的麥克斯韋方程組等方面講授其方法。

（4）為了增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以及培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力，盡量采用與工程應(yīng)用相結(jié)合的例題，課后作業(yè)題也需有一定量的可直接解決工程實(shí)際問題的習(xí)題。

二、教學(xué)方式的多樣化

要使得學(xué)生對(duì)較難學(xué)的電磁場(chǎng)與電磁波課程內(nèi)容有興趣，且能夠較好地掌握相關(guān)知識(shí)，并能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工程中，在教學(xué)方式上就應(yīng)該根據(jù)課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)的思維習(xí)慣和對(duì)知識(shí)接受的方式，采取多樣化的教學(xué)方式。

1.對(duì)比式教學(xué)模式

本門課程中的概念和有關(guān)公式總是成對(duì)出現(xiàn)，在靜態(tài)場(chǎng)中電場(chǎng)與磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)規(guī)律尤為突出，如電場(chǎng)和磁場(chǎng)、庫(kù)倫定律和安培力定律、電偶極子和磁偶極子、電位與磁位、電容與電感、靜電能與靜磁能等。盡管它們所處的環(huán)境有所不同，但在表達(dá)式上有許多相似之處。因此在靜態(tài)場(chǎng)教學(xué)中對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)采用對(duì)比方法講授。如在教學(xué)中詳細(xì)講解電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，電場(chǎng)的有關(guān)公式、規(guī)律及其引出的電位、電場(chǎng)能、電場(chǎng)力等。對(duì)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)、磁場(chǎng)的有關(guān)公式、規(guī)律及其引出的磁位、磁場(chǎng)能、磁場(chǎng)力等，采用對(duì)比的方式進(jìn)行簡(jiǎn)要講解。最后，對(duì)基本概念、基本規(guī)律和涉及的公式進(jìn)行總結(jié)對(duì)比。這樣不僅可以使學(xué)生對(duì)知識(shí)有一個(gè)系統(tǒng)的把握，容易理解和記憶有關(guān)概念、公式，而且可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，節(jié)省上課學(xué)時(shí)。

2.啟發(fā)式教學(xué)模式

以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、師生互動(dòng)的啟發(fā)式教學(xué)是引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立鉆研、全面發(fā)展的一種教學(xué)方法。在教學(xué)中，將理論問題實(shí)際化更能引起學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，將疑難問題啟發(fā)化更能激發(fā)學(xué)生的求知欲望，將技術(shù)問題工程化更能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力。

（1）通過將生活中的實(shí)例與理論知識(shí)的結(jié)合提出問題，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這種教學(xué)方法不僅可以啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，激活思維，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、主動(dòng)學(xué)習(xí)，而且也可以使得學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)，勤于思考，用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，以及探索新的相關(guān)知識(shí)。如在講授法拉第電磁感應(yīng)定律時(shí)，通過設(shè)置在自行車上增加一裝置解決本身照明問題的一個(gè)題目，不僅使得學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)講授內(nèi)容，并對(duì)內(nèi)容深刻理解，而且也積極思考，尋求多種方法解決問題。另外伴隨基本概念、基本理論的講授，增加與講授內(nèi)容相關(guān)的實(shí)例和應(yīng)用性例題，可使得學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際，加深對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐素質(zhì)。

（2）設(shè)置疑問，啟發(fā)思維。對(duì)不易理解的概念、不能正確運(yùn)用的知識(shí)或容易混淆的問題，有意識(shí)地讓學(xué)生利用已知知識(shí)進(jìn)行大膽分析，從而解決問題。對(duì)學(xué)生不能解決或解答錯(cuò)誤的問題要給出正確的結(jié)論，并進(jìn)行詳細(xì)的講授，這樣促使學(xué)生對(duì)知識(shí)有更深的理解，最終掌握知識(shí)。如在講授位移電流概念時(shí)，根據(jù)電路中增加電容器時(shí)還有電流連續(xù)的現(xiàn)象，指出恒定電流連續(xù)性方程與電荷守恒定律之間存在的矛盾，讓學(xué)生進(jìn)行分析和解決。隨后采用啟發(fā)式方法引入位移電流的概念，最后形成全電流的思想。

（3）設(shè)置與所學(xué)知識(shí)相關(guān)的典型性工程項(xiàng)目，使得技術(shù)問題工程化，著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。學(xué)生為解決實(shí)際工程問題，必須對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，這樣，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且也會(huì)促使他們想法設(shè)法解決實(shí)際問題，完成工程項(xiàng)目。

3.多媒體與板書相結(jié)合教學(xué)模式

實(shí)際存在的電磁場(chǎng)與電磁波看不見，摸不著，對(duì)它的描述很抽象，不容易被學(xué)生接受，繁雜的公式也使得學(xué)生感到枯燥無味而失去興趣。因此應(yīng)采取不同的方式進(jìn)行教學(xué)。對(duì)于抽象概念采用多媒體技術(shù)進(jìn)行講授，對(duì)于繁雜公式采用板書進(jìn)行講授。

（1）為了使學(xué)生易于理解基本概念和規(guī)律，需通過自制和搜集相關(guān)的圖片、視頻、動(dòng)畫資料等制作形象生動(dòng)的多媒體課件，使抽象概念形象化，展現(xiàn)出“看得見”的電磁場(chǎng)。這種授課方法不僅可以讓學(xué)生在形象化教學(xué)中獲得對(duì)抽象概念的感性認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣、求知欲和滿足其好奇心，對(duì)所學(xué)內(nèi)容加深理解，而且也可節(jié)省課時(shí)，提高效率，增加授課信息量，擴(kuò)大知識(shí)面。

（2）本課程中描述電磁場(chǎng)與電磁波的公式較多，為了促使學(xué)生能夠掌握電磁場(chǎng)與電磁波的規(guī)律，需要對(duì)有關(guān)公式進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)。如果采用多媒體課件教學(xué)，不僅不利于學(xué)生進(jìn)行思考，而且學(xué)生也很難跟上教師講課的節(jié)奏，教學(xué)效果不理想，因此對(duì)公式推導(dǎo)應(yīng)采用板書形式進(jìn)行教學(xué)。另外，由于課時(shí)所限，教師可選擇重要的公式和較難的公式進(jìn)行推導(dǎo)，對(duì)較容易的公式可讓學(xué)生自己推導(dǎo)。

4.演練與展望相結(jié)合教學(xué)模式

通過比較式方法對(duì)課堂知識(shí)進(jìn)行小結(jié)，讓學(xué)生抓住所學(xué)知識(shí)的重點(diǎn)，對(duì)知識(shí)有系統(tǒng)的把握。在課堂上選擇有代表性的綜合習(xí)題讓學(xué)生練習(xí)，可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和鞏固。為使所學(xué)知識(shí)得到實(shí)際運(yùn)用，可以設(shè)置一些相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目讓學(xué)生課后進(jìn)行思考和探討。

另外，為了使學(xué)生能夠了解本領(lǐng)域的最新知識(shí)和發(fā)展方向，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和對(duì)新技術(shù)的探索，課程講授中應(yīng)將本領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)和前沿問題介紹給學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間選擇題目進(jìn)行針對(duì)性研究，將研究成果以專利和論文形式發(fā)表出來，使得前沿問題學(xué)術(shù)化。

三、工程實(shí)踐能力培養(yǎng)

為了培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，以及團(tuán)隊(duì)合作精神，必須加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)課程建設(shè)。構(gòu)建以項(xiàng)目為主導(dǎo)的知識(shí)、技術(shù)和能力培養(yǎng)一體化的實(shí)踐課程是實(shí)施CDIO工程教育模式的重要環(huán)節(jié)。首先應(yīng)對(duì)沒有實(shí)踐課程的高校需要建立較為完備的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，已有實(shí)驗(yàn)室的高校對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行完善，根據(jù)課時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目精心選擇，然后采用以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的二級(jí)項(xiàng)目分級(jí)制進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。各級(jí)項(xiàng)目都要涉及CDIO的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的整個(gè)階段。

1.一級(jí)項(xiàng)目著力于本課程知識(shí)綜合運(yùn)用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程分析能力、創(chuàng)新能力

具體方法如下。

（1）在講授理論課的緒論后，由教師給出幾個(gè)能夠涵蓋本門課程主要知識(shí)并具有實(shí)際工程價(jià)值的題目讓學(xué)生進(jìn)行思考；在理論課程講授一半時(shí)，由學(xué)生自行挑選，鼓勵(lì)學(xué)生自設(shè)題目，但是自設(shè)題目必須經(jīng)過指導(dǎo)教師的確認(rèn)，以防止因題目過大，學(xué)生不能完成的現(xiàn)象出現(xiàn)。

（2）根據(jù)不同項(xiàng)目的難易程度，學(xué)生3～5人組成一個(gè)小組共同完成。項(xiàng)目組人員輪流承擔(dān)課題負(fù)責(zé)人，小組成員不僅有各自具體的工作重點(diǎn)，而且對(duì)其他人的工作也需要了解，以便共同探討和解決項(xiàng)目中的難題，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

（3）一級(jí)項(xiàng)目主要利用課余時(shí)間完成，實(shí)驗(yàn)室全天開放，在本課程結(jié)束后的一周之內(nèi)完成。需要提交方案論證報(bào)告、設(shè)計(jì)報(bào)告、測(cè)試報(bào)告、項(xiàng)目樣機(jī)等有關(guān)材料。在每個(gè)階段都需要向指導(dǎo)教師匯報(bào)，以便于教師提供針對(duì)性指導(dǎo)。

2.二級(jí)項(xiàng)目是一級(jí)項(xiàng)目的支撐，著力于學(xué)生對(duì)本課程應(yīng)具備的基礎(chǔ)能力培養(yǎng)，加深和強(qiáng)化對(duì)本課程各階段知識(shí)的掌握和應(yīng)用能力

具體方法如下。

（1）對(duì)理論課講授的每個(gè)階段都給出一個(gè)相關(guān)的小題目，讓每個(gè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)本階段知識(shí)的深入掌握和應(yīng)用。如講授靜電場(chǎng)后，讓學(xué)生設(shè)計(jì)一種靜電除塵器；講授靜磁場(chǎng)后，讓學(xué)生一種小型選礦器等。不能按時(shí)完成的學(xué)生，可利用課余時(shí)間到開放實(shí)驗(yàn)室完成。這種情況下指導(dǎo)教師應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)，以督促學(xué)生完成任務(wù)。

（2）對(duì)二級(jí)項(xiàng)目采用以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)鼓勵(lì)的方式進(jìn)行設(shè)置。

（3）項(xiàng)目完成后，學(xué)生需要提交設(shè)計(jì)報(bào)告、測(cè)試分析報(bào)告。某些項(xiàng)目還需要提交實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

學(xué)生的最終實(shí)踐課程成績(jī)，指導(dǎo)教師可根據(jù)一、二級(jí)項(xiàng)目的完成情況和水平進(jìn)行綜合評(píng)定。通過實(shí)踐課程的訓(xùn)練，不僅可以促使學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象，利用知識(shí)解決實(shí)際問題的應(yīng)用能力培養(yǎng)，而且也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。學(xué)生也可對(duì)完成的項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化，參加全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽、“挑戰(zhàn)杯”大賽等。

四、結(jié)語(yǔ)

電磁場(chǎng)與電磁波課程既是相關(guān)工科專業(yè)重要的基礎(chǔ)必修課程，又是教師最難教、學(xué)生最難學(xué)的課程之一。面對(duì)抽象的概念、繁雜的公式，要求學(xué)生不僅要具有空間幾何想象力，還必須具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。通過改進(jìn)常規(guī)教學(xué)模式，建立對(duì)比、啟發(fā)、多媒體與板書相結(jié)合、工程訓(xùn)練等方式的教學(xué)模式，使得抽象概念形象化、理論問題實(shí)際化、技術(shù)問題工程化、前沿問題學(xué)術(shù)化。不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的自信心，利于學(xué)生深入理解和掌握相關(guān)知識(shí)，而且還可以促使學(xué)生在“學(xué)中做”和“做中學(xué)”，培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)能力和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)CDIO工程教育的人才培養(yǎng)目標(biāo)，滿足社會(huì)的需要。下一步的工作是根據(jù)該門課程的內(nèi)容，通過精心設(shè)計(jì)，優(yōu)化提煉，建立一、二級(jí)實(shí)踐項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)，以便既能增加綜合本課程知識(shí)的實(shí)際工程題目，又能使學(xué)生有更多的興趣選擇。

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