学生参与型电子教材设计方法研究——以电磁场与电磁波课程为例

郭企嘉 毛智能 周 天* 齐 滨

1.哈尔滨工程大学水声工程国家级实验教学示范中心 黑龙江哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学水声工程学院 黑龙江哈尔滨 150001

教育部《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》明确提出：“用十年左右的时间初步建成具有中国特色的教育信息化体系，使我国教育信息化整体上接近国际先进水平，推进教育事业的科学发展。”结合高等教育的具体情况，实现优质教育资源设计开发与共享依然是教育信息化的重点工作之一。新形态的教材改革受益于信息技术发展的成果，对提升教育资源共享，支撑教师知识传播、学生信息内化具有重要作用[1]。

教材变革的标志性成果——数字化电子教材是数字信息技术与网络不断发展的产物，在与教材融合程度不断加深的过程中，构建多样化的数字资源，开展网络环境下的学科教学成为教学变革新方向[2]。近年来，国内外针对电子教材的相关研究及教学实践不断丰富[3]。美国率先开展了高校电子教材出版，并取得了一定成效，如美国莱斯大学创立的OpenStax开放存取教材出版平台和美国纽约州立大学的SUNY Open Textbooks开放存取教科书出版计划[4]。国内的高校教育资源共享可视为高等教育数字化电子教材兴起的开端。尤其在2011年，教育部发布《教育部关于国家精品开放课程建设的实施意见》(教高〔2011〕8号)，启动第二轮本科教学工程——国家精品开放课程(包括精品视频公开课与精品资源共享课)建设，目的在于利用现代信息手段，加强优质教育资源建设、普及和共享，进一步提高高等教育质量，服务学习型社会建设。另一方面，我国中小学已经初步建立了电子教材的规模化应用，并形成了电子书包[5]和立体教材开发[6]等新型模式。

从发展属性看，电子教材极尽信息时代的全部技术手段为教育教学服务，力图构建趋近于无穷高效率的知识传播途径。教育信息化已经使传统的课堂发生了巨大变化，多样性的知识传播方式根本上来源于信息的对称性和广阔的获取口径，但是学生的接受度却仍然受到多方面制约，例如学生筛选信息的能力、前期的知识基础以及信息本身的抽象程度。以信息类学科的主干课程——电磁场与电磁波为例，本门课以物理电磁学为基础，从工程应用角度阐述麦克斯韦波动电磁学理论，用于分析电磁场在媒质中的导行传播、辐射特征等作用机制，在方法上涉及多元函数的微积分计算、微分方程求解、复变函数、数值计算等多种数学理论，同时包含相当数量的物理变量和场参量，各种物理规律非常抽象，造成教师难教、学生难学的双向困难。采用数字化的电子教材，引入可视化教学资源结合实验教学，一定程度上有所缓解，然而学生仍然广泛反馈学习过程中存在理解难、记忆难和易混淆的情况。因此，对于类似于电磁场与电磁波这类理论难度较大的课程，电子教材在扩大知识获取渠道的同时，应进一步打通学生在知识内化过程中遭遇的壁垒，调动学生自身的求知意识，以学生为主体，自我打造具有自媒体属性的个性化教材。

一、参与型电子教材的属性定义与设计要求

传统的印刷课本结合多媒体教学为目前工科类理论课程的主要授课模式，新型电子教材仍然遵循多媒体学习理论，利用多种媒体帮助学习者理解艰涩的教学内容，促进学生的知识构建。在此基础上，参与型电子教材重新强调学生在课堂中的主体作用，将外源性的授课思路，即公式定律描述—物理涵义提炼—例题方法论证进行内源化延拓，探索研究型课堂在培养解决工程问题方面的支持能力，将学生参与性落实到教材建设，彻底脱离方法、规律和物理特征的扁平化讲解，重新定义参与型电子教材的新内涵。

以现有的立体化、数据化、平台化的电子教材为基础，推动促使其内涵与外延扩大，将笔记本、书本、资料库、工具库、数据记录平台等教学工具囊括于方寸之间，进一步弱化教材的边界，探索支持学生利用软、硬件工具验证、理解抽象理论和解决工程问题的途径，达到物理理论降维吸收、抽象规律高度具象的目的；结合教师本人的工程经验及掌握的数值仿真和可视化工具，针对讲授的物理场及时空分布特征，将电子教材可视化任务模块化分配，设计具有广泛参与度、高度个性化的电子教材方案。

二、参与型电子教材的设计方法

下面以本科生课程电磁场与电磁波课程的授课为例，从电子教材设计、课堂建设规划与学生参与方式等方面阐明设计思路，结构化总结如图1所示。

图1 参与型电子教材结构化设计思路

从工程逻辑出发，电子教材设计根本在于底层框架，基本内容包括选择代码实现环境，基于数学物理方法开发数值分析工具，模块化任务分配并指导训练学生掌握相关技巧。在底层设计中，需要明确任务“接口”。在完整章节的教学任务中，以知识点为演绎目标，通过学生自行完成的功能实现模块，组合完成可视化呈现。学生根据自己的兴趣和精力，有针对性地灵活配置和理解知识点，并根据教师的引导理解教材的知识逻辑体系。

在平台建设底层构架的基础上，搭建课堂教学中学生参与、教师引导的上层构架，从而形成完整闭环通路。在教学过程中，仍然不变的是紧扣教学大纲和围绕教材知识点，对抽象性问题有针对性地分配模块化任务开展以学生为中心的可视化演绎。课堂教学环节以任务成果方式讲授知识点和方法结论，对学生在任务开发过程中的关注点展开重点讲解。在授课过程中，需要把握的是在充分考虑学生基础能力和学习精力分配前提下，采用以学生团队为单位的方式执行子模块任务，课堂上教师以接口敞开方式统筹讲解各个子模块的基本要求，使学生充分感受团队协作方式和项目指挥艺术。学生团队同时具备子任务分配和自组织执行功能，在任务完成过程中，培养学生解决实际工程问题的能力。另外，为了充分激发学生的怀疑精神，鼓励利用任务成果检验物理规律。

三、参与型电子教材建设案例

本节以电磁场与电磁波中相干波原理测量自由空间电磁波的传播参数内容为例，讨论参与型电子教材建设方法。在底层设计中，以MATLAB为基础实现平台，从相干波原理出发，用手动搜索方法、自动搜索法和最优化搜索三种方法计算电磁波波长λ、电磁波相位常数β和波速v。

相干波测波长测量原理图如图2所示，其中Pr0为电磁波发射天线，Pr1和Pr2为良导体，Pr3为电磁波接收天线，中间蓝色平面表示介质板。从Pr0发出的电磁波，到达接收端Pr3有两条路径。

图2 相干波测量原理图

路径一：如图2中紫色光路所示，入射波振幅Ei，经路径一到达接收端的电磁波为：

Er1=T⊥εT⊥0R⊥Eie-jφ1

(1)

路径二：如图2中红色光路所示，经路径二到达接收端的电磁波为：

Er2=T⊥εT⊥0R⊥Eie-jφ2

(2)

其中，R⊥为介质板反射系数，T⊥0和T⊥ε分别为空气进入介质板和由介质板进入空气时的传输系数。在第一种传播路径下的电磁波传播路径长度为：

(3)

在第二种传播路径下的电磁波传播路径长度为：

L=Lr0+2Lr2+Lr3

(4)

接收端电磁波的相位表示为：

(5)

接收端接收到的合成电磁波为：

(6)

其中ΔL=Lr1-Lr2。

测量过程中通过调整反射板Pr2位置即Lr2使得合成波场Er周期性置零，满足:

得到：

由此可见，相邻零点(第i个和第i-1个零点)间距为：

(7)

因此当取4个零点时，计算波长为：

(8)

针对上述方法，建立场景如下：电磁波频率f=9.37GHz，Lr0=0.1m，Lr0=0.23m，Lr3=0.5m。教师建立电磁波生成函数作为基础调用模块，主要参数包括：介质板反射系数R⊥=0.1，空气进入介质和由介质板进入空气时的传输系数分别为T⊥0=0.4和T⊥ε=1.6。

学生调用基础模块，验证相干波测量方法时，通过编程实现粗扫描+最优化搜索零点位置，包括：

粗扫描：扫描变化范围0.2～0.3m，取样间隔0.0005m。图3(a)所示为粗扫描合成波幅值输出，其中红色为取得的四个零幅值区间。

精细扫描：选取4个零幅值附近区间，通过细扫描给出电场输出幅值Lr2关系图，如图3(b)所示。

(a)粗扫描

(b)精细扫描图3 合成波幅值输出

精细扫描结果中，直接读取幅值最小的点近似作为零点，此方法精度较低；另一种方法是，采用插值法计算，例如使用MATLAB函数可方便实现：

interp1(Er，sl，0，'spline'，'extrap')

因此，在上述工程中即完成了教师搭建电磁波生成平台，学生获取函数接口，并通过扫描采样学习理解相干波空间分布特征的教学内容，体现了学生参与构建电子教材的重要特征。

结语

本文以数字化信息技术为基础，立足于电磁场与电磁波课程教学，充分发挥信息类专业教师本身的技术优势，构建一套具有自媒体属性、强互动、开放性的电子教材设计思路，采用教师为引导，学生为主体的自发性教学方式，激发学生的内源性学习驱动力，达到抽象的物理规律具象化，学生参与任务模块化，教材定义个性化的教学目标。