电磁场和微波课程群专题化教学实践

2015-08-23许明妍马愈昭

电气电子教学学报 2015年5期

范懿，许明妍，马愈昭，张喆，韩萍

(中国民航大学电子信息工程学院，天津 300300)

我校电磁场和微波课程群主要包括“电磁场与电磁波”和“微波技术与天线”两门课程。其理论性和实践性都很强。课程群内的知识点之间相互紧密联系，是一个有机的整体，其教学效果要通过实验和仿真设计等实践环节来提高［1］。本文主要介绍专题化教学在该课程群中的应用，涉及教学内容、教学方法和手段、考核方式等方面的教学实践。

1 课程群的教改思想

电磁场和微波课程群的两门课程通常是按照教材的章、节次序开展教学的，存在的主要问题是:分章节讲解容易造成知识点的割裂;同一知识点在前后课程中可能出现重复;实践环节相对薄弱，不利于培养学生的动手能力和工程设计能力等。在新版教学大纲中，课时量较少与教学内容较多之间的矛盾更为突出。

为了解决上述问题，笔者在教学实践中，采用了专题化教学模式，既突出了同一课程的各知识点的内在关系，又体现出不同课程相关知识点的联系，把相关教学内容整合为若干既有机联系又相对独立的专题。

专题化教学模式下，要对教学内容进行合理安排:对学生可自学掌握的内容不讲，对学生有所了解的内容少讲，而基础性的内容精讲，对专题内的重点和难点内容要详讲，对工程应用性较强的内容要多讲［2］。各专题所包含的内容不但有基础理论，还有实践项目。专题化教学模式可以大幅度地提高单位学时内的知识容量，适当减少理论学时，增加实验、仿真或学术讨论学时，这既能拓宽学生的知识面、扩展视野，还能增强学生研究能力及适应技术工作的能力。

课程群的教学改革思想可以概括为:以学生为中心，以能力培养为导向，以专题化教学模式为手段，以整合的专题化的教学内容为载体，形成专业知识学习、能力培养与素质提高三位一体的教学体系。

2 专题化教学模式的改革实践

1)教学内容的优化

专题化教学模式的核心是教学内容的优化。如把“电磁场与电磁波”原来八章的内容整合为三个专题(见图1，专题1～3)，把“微波技术与天线”原来五章的内容整合为三个专题(见图2，专题4～6)。在同一专题内，由于知识的关联性，在授课时可以举一反三，相互借鉴，既提高了教学效果，又能减少学时。

图1 “电磁场与电磁波”优化示意图

图2 “微波技术与天线”优化示意图

在专题化模式下，更注重培养学生解决实际问题的能力，强化实践能力的培养目标，不仅增加了实验项目，还增加了基于Matlab、ADS和HFSS等工程软件的仿真设计项目和小论文，目的在于培养学生可迁移能力和工程设计能力。

2)实践环节的强化

每个教学专题，都设计相应的实践项目。既增加了实物实验，也增加了仿真设计以及小型论文等。各专题的实践教学内容，如表1所示，主要目的在于培养学生可迁移能力和工程设计能力。

表1 专题化模式改革前后对比图

在实践教学中开展仿真设计，使得模拟仿真和实物实验相互配合，进而提高了实践环节的教学效率并改善了教学效果，为发展学生的科学想象力和创造力提供广阔的空间。仿真设计能极大地激发了学生的学习兴趣，也使学生认识到它是一个十分有效的研究方法。

提出一个有意义的问题，指导学生去查阅有关资料，进行探究，将心得写成小论文，可以使学生的科学思维能力得到训练，还可以训练学生查找文献、阅读文献、分析讨论、书面表达和团队合作的能力，可谓一举多得。

3)教学方法和教学手段的改进

为了更好的实施专题化教学模式，整合并优化专题内容，笔者对教学方法和手段进行了改进。注重以学生为中心，采用了思维导图教学法、启发式教学法、现场教学法和知识迁移法等行之有效的教学方法。

(1)采用思维导图教学，将每个专题的教学内容“结构化”和“可视化”。用简洁的形式高度概括大量内容，采用文字、框图、连线和箭头等形象化的处理方式，说明知识点的逻辑关系。这些逻辑关系不仅限于每个专题内的知识，还包括不同专题知识点之间的相互联系。这种方法具有层次清晰、逻辑严谨和结构完整的特点，有利于展现各个知识点的关联性，让学生一看就明白专题内容的来龙去脉，从而比较容易地把握知识脉络。

(2)采用启发式教学，提高学生思维的能力，注重对讲课的内容和节奏的把握。例如，在讲解麦克斯韦方程组(专题2)时，针对简单安培环路定律在交变电磁场中出现的问题，首先引导学生思考解决的方法，然后引出位移电流的概念，并对麦克斯韦提出位移电流的思考过程进行说明，这样让学生有茅塞顿开、豁然开朗的感觉，大大增强学习这种创造性思维方式的积极性。在专题化模式下进行实验教学时，对实验的目的和要求要讲清楚，但不要把操作步骤等一切内容都一次性讲透，要留给学生思考的空间和时间。

(3)采用现场教学法，引起学生进行实验验证的兴趣以及深入学习课程的热情，使枯燥的学习过程变得饶有趣味。在改革前，通常是先集中上完理论课程，再集中上实验课程，使得理论和实际割裂开。改革后，采用现场教学法，使得实验室的实验和上机的仿真设计都紧随理论的教学内容进行，为理论教学服务。使学生感到直观性强和紧密联系实际的特点。在有多媒体设备的电磁场实验室和微波实验室内，先简单讲解理论知识，然后立刻进行实验，用实验验证理论。例如电磁波的反射与折射、微波参量的测量和定向耦合器特性测量等，都是依托实验室的设备，进行现场教学，并立即进行实验。或是在计算机房，通过虚拟技术，对难以在现有实验设备进行的实验内容进行仿真演示。

(4)采用知识迁移法，提高教学效率和教学质量。例如，同一个分离变量法，既可以解决静电场的边值问题(专题2)，又可以对电磁波的波动方程进行求解(专题3)，还可以应用于矩形波导和圆波导的电磁波传输模式的分析(专题4)，在教学时，注意让学生理解知识迁移能够解决多种问题。

4)考核方式的转变

由于期末考试的试卷成绩难以体现学生的真实水平［3］。为了提高和评估教学效果，笔者也进行了考核方式的改革。以“”电磁场与电磁波“”课程为例，增加了阶段性考试和实践项目成绩的比重(见表1)，而期末考试成绩的比重则减少到40%。

考核方式的具体改革措施包括:平时成绩应结合学生的上课出勤情况、上课表现和作业完成情况等因素综合考虑，占总评成绩的10%;在每个专题结束时，进行一次阶段性考试，考试的成绩计入总评，占总评成绩的35%;实验室进行的实验、机房进行的设计仿真和小论文作为实践项目，占总评成绩的15%。除了规定的必做实验和设计仿真项目以外，每个学生必须完成一个自选设计仿真项目，每3-5名学生以小组为单位必须完成一篇小论文;期末考试的成绩仅占总评成绩的40%。

考核方式的转变，使得教师和学生关注平时的教学质量和实践项目，减轻学生期末考试的负担，同时也会减少学生考试违规现象的发生。