“电磁场与电磁波”可视化教学法的研究与应用

摘 要：文章针对可视化教学法进行了系统的研究，设定研究对象、提出研究方法、制订研究内容、分析研究效果，结合大学课程“电磁场与电磁波”，提出了应用方法并分析了应用效果。基于可以同样适用于大学电类通信类型课程的新型教学方法的原则，采用完善的可视化教学模式，结合传统的教学手段，达到更好的教学效果。

关键词：可视化教学法;电磁场与电磁波;教学效果

一、研究内容

本研究通过前期文献研究，结合经验分析，学生问卷调查等系统研究，想要创建适用于大学课堂电磁类课程的可视化教学模式，需要具备三个创建机制：教学内容的设计、教学手段的改变、教学效果的评估。具体创建思路如下图。

1.可视化教学内容的设计

（1）增加趣味性教学内容，按照教学大纲设计，电磁场主要教学内容有：矢量分析、电磁场基本规律、静态电磁场、时变电磁场;电磁波主要教学内容有：平面电磁波、导行电磁波、电磁波的辐射等。如果按照课本教材章节顺序进行按部就班地讲解，学生会觉得索然无味，教学任务完成后，除了一系列晦涩难懂的公式，对这门课程的由來、创建机制、研究背景一无所知。第一，可视化教学方法可以在教学背景中开始渗透，讲绪论时，从电磁学理论的背景由来进行展开，给学生介绍谢林的故事及其理论，法拉第的实验方案和他的实践结论，麦克斯韦如何将电场与磁场的转换关系变成理论公式等。通过各位科学家的故事，吸引学生的注意力，提高他们的学习兴趣。第二，在教学中重视电磁学理论与其他学科以及生活实际的相关联系，例如电子显微技术、列车磁悬浮技术、超导技术、核磁共振技术、雷达定位技术等，提出电磁学应用的范围之广、地位之重要，使学生对理论与应用的联系可以理解得更深入一些。

（2）加强知识点之间的联系，在讲述每章内容结束的时候，一定要总结前面的知识点，让学生了解知识之间的联系性，同时要引出接下来的知识点。对电磁场基本规律等知识结构设计好先行知识点，可以使学生注意到新的概念不是凭空而来的，而是建立在自己认知结构中已有概念的基础上。

（3）教材内容改革：目前针对“电磁场与电磁波”的教学研究，国内外学者主要以奥苏伯尔的学习理论与布鲁纳的知识结构理论作为指导，成为教材编写设计的主要理论依据，通过对国内外院校中“电磁场与电磁波”教材的选定方式的了解，从结构、内容以及习题例题三个方面进行了较详尽的对比研究，针对本课程教材在体系结构上提出了一种创新的设计方案，并在此结构上对所有的教学内容进行重新设计。同时，给学生推荐一些观念新颖、内容安排合理的国内外教材。

2.可视化教学手段的设计

（1）由于本课程涉及的公式比较多，课程内容又很抽象，如果采用HFSS、CST等微波电磁场分析软件，应用起来可行性不高，所以可以利用学生已经学过的MATLAB等仿真软件进行可视化教学，可以与学生产生更多的共鸣。

（2）引入可视化应用视频。视频的播放，在理论课堂的教学中，可以激发学生的兴趣，尤其在课程刚开始的时候，适当引入电磁场与电磁波在各个方面的应用，比如军事、通信、电气、自动化等领域，让学生认识到这门课程的重要性。

（3）多媒体教学与传统板书相结合。本课程理论教学中，由于公式过多、数学的推导复杂、理论知识抽象、系统性过强。如果单一地采用板书教学方法，大量的公式推导会占据过多的教学时间，而且课堂会显得枯燥无味。而只采取多媒体教学手段，学生又很难跟得上老师的思路，因此，最好的方式是：教师在讲理论推导时利用板书，而讲更细节的理论或者分支的理论则以多媒体或纸质资料形式分发给学生用来辅助教学。通过这种方式，提高学生信息搜索能力和知识储备量。

3.可视化教学的预期效果

（1）充分利用MATLAB等仿真软件的数值计算功能，快速解决复杂的高数知识的相关问题。

（2）利用绘图功能实现标量场和矢量场的二维图和三维图的制作。教学中重要物理概念可通过作图软件得到直观图形，有助于加深学生对相关概念的理解，从而激发学生的学习兴趣。并对电磁场与电磁波的电场、磁场、平面波等内容的教学具有指导意义。

（3）培养学生利用计算辅助软件解决复杂问题的能力，预期收到更好的教学效果。

二、教学效果分析

学生可以在有多媒体教学设备的教室中进行学习，有助于可视化教学的实践。学校为教师的教学研究工作提供了很好的支持和帮助，学生和教师均可以在图书馆查阅文献资料，包括图文资料和电子文献资源。

尚缺少实验教学条件，因为购买电磁波教学综合实验仪费用昂贵，解决途径是以教学小视频或者仿真软件进行演示教学，通过计算绘图的方式，把对实践教学研究从电磁波综合实验仪的构想，替换到可视化教学过程中去。

通过将动画模型和MATLAB仿真引入课堂之后，学生的学习热情高涨起来，课间休息时主动提问的学习明显增多，教学效果显著提升。

由于教学内容的相对开放性以及信息时代的到来，学生可以从很多渠道获取知识，认知领域大大拓宽。为了更好地完成引导者的角色，教师要不断提高自我，重视自身素质的提高，提高科学素养，扩展知识结构。将成体系的可视化教学法，引入“电磁场与电磁波”教学安排中后，提高学生的学习参与性，增强学生的学习兴趣，激发学生的主动性和创造性，培养学生初步的科研兴趣和应用能力，从而达到更好的教学效果。

参考文献：

[1]刘伟波，贾天俊，李荣.基于MATLAB大学物理可视化教学模式的实践与思考——以“牛顿环干涉”教学为例[J].物理通报，2015（8）.

[2]姜高扬，王超.基于建模仿真的可视化教学模式研究[J].实验室研究与探索，2017（7）.

基金项目：长江大学工程技术学院2018年度学院基金项目（2018JY20）资助。

作者简介：周桥梁（1986—），女，湖北天门人，讲师，硕士，研究方向：信号处理和无线通信。