《電磁場(chǎng)與電磁波》混合式教學(xué)設(shè)計(jì)案例

《電磁場(chǎng)與電磁波》混合式教學(xué)設(shè)計(jì)案例“五位一體”能力導(dǎo)向的線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)——以《電磁場(chǎng)與電磁波》課程為例《電磁場(chǎng)與電磁波》是面向電子類、電子信息類專業(yè)本科二年級(jí)的必修基礎(chǔ)課，其教學(xué)內(nèi)容抽象、涉及的數(shù)學(xué)運(yùn)算復(fù)雜，大部分學(xué)生對(duì)其望而生畏。為了克服這些問題，課程組采用線上線下混合教學(xué)模式，系統(tǒng)優(yōu)化課前、課中及課后的教學(xué)設(shè)計(jì)，將線上資源有機(jī)融入到線下課堂，教學(xué)中充分發(fā)揮教師主導(dǎo)學(xué)生主體作用，增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)，借助引入引出策略，形成“五位一體”能力導(dǎo)向的教學(xué)特色，有效解決了教學(xué)痛點(diǎn)，并拓展了課堂內(nèi)涵，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的傳承和專業(yè)核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的提升。一、課程概況《電磁場(chǎng)與電磁波》課程是電子類、電子信息類專業(yè)的一門重要的、必需的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容是從“場(chǎng)”的角度，描述靜態(tài)（電、磁）場(chǎng)和時(shí)變場(chǎng)的空間分布、變化規(guī)律及其數(shù)學(xué)模型求解。授課對(duì)象是本科二年級(jí)的學(xué)生，3個(gè)學(xué)分，計(jì)劃學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)。課程組于2020年完成了《電磁場(chǎng)與電磁波》慕課建設(shè)，并投放到學(xué)銀在線慕課平臺(tái)，2021年投放到中國(guó)慕課大學(xué)平臺(tái)，該慕課是混合式教學(xué)的線上資源部分，隨著教學(xué)迭代更新，線上資源新增有習(xí)題庫、試卷庫和問卷庫。2022年3月開展第四輪線上線下混合式教學(xué)。電磁場(chǎng)是一種特殊且抽象的物質(zhì)，它不是由分子、原子組成，雖然看不見、摸不著，但它也有質(zhì)量和能量。研究電磁場(chǎng)的方法（場(chǎng)論）將涉及大量的、復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式計(jì)算和推導(dǎo)算，不僅讓學(xué)生感覺課程學(xué)習(xí)難度大，還抓不住學(xué)習(xí)重點(diǎn)，因而怵學(xué)。反饋到課堂教學(xué)上，《電磁場(chǎng)與電磁波》課程教學(xué)亟需解決的問題有：（1）課程內(nèi)容抽象，難度高，亟需習(xí)題訓(xùn)練和鞏固，但學(xué)時(shí)有限；（2）學(xué)生習(xí)慣于教師的知識(shí)灌輸，缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)；（3）師生互動(dòng)少，無法滿足發(fā)現(xiàn)教學(xué)、引導(dǎo)教學(xué)的需要，更無法激發(fā)學(xué)生深層次的思考；（4）課堂容納度有限，缺乏發(fā)散性、挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的內(nèi)容與引導(dǎo)。二、課程教學(xué)特色為了有效解決上述問題，借助于MOOC平臺(tái)（愛課程、學(xué)銀在線）和雨課堂，采用線上線下混合式教學(xué)模式，聚焦學(xué)生自主學(xué)習(xí)，將教學(xué)活動(dòng)拓展至課前、課中及課后三個(gè)階段，逐步凝練出了“五位一體”能力導(dǎo)向的課程特色及教學(xué)改革創(chuàng)新點(diǎn)。圖1“五位一體”能力導(dǎo)向的課程特色課前教師發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生觀看教學(xué)視頻，并完成習(xí)題。這是學(xué)生對(duì)電磁理論學(xué)習(xí)的首次內(nèi)化。教師依據(jù)預(yù)習(xí)結(jié)果（習(xí)題前測(cè)的分析）制定課堂教學(xué)策略，設(shè)計(jì)教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)及內(nèi)容，學(xué)生則在整個(gè)教學(xué)過程中成為重要的組成部分，感受知識(shí)的第二次內(nèi)化過程。在教學(xué)過程中，教師將通過虛擬仿真將抽象的電磁知識(shí)圖像化，引導(dǎo)學(xué)生由學(xué)轉(zhuǎn)為做，訓(xùn)練其動(dòng)手實(shí)踐能力。另外，圍繞課程知識(shí)點(diǎn)，把課外科技前沿引入到課上進(jìn)行展示，拓展學(xué)生專業(yè)視野和素養(yǎng)；同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)具有爭(zhēng)議的知識(shí)點(diǎn)，并展開對(duì)其電磁問題深度論證、科學(xué)見解、甚至是課堂展示。這一“引入引出”創(chuàng)新舉措進(jìn)一步提升了學(xué)生自主探索和創(chuàng)新能力，有力培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維，也體現(xiàn)了課程的兩性一度。五項(xiàng)教學(xué)策略，貫徹整個(gè)線上線下教學(xué)過程，并從五個(gè)方位一起發(fā)力，破解教學(xué)痛點(diǎn)，不僅助力學(xué)生準(zhǔn)確掌握電磁理論知識(shí)，還助力他們的關(guān)鍵能力與核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與提升。三、課程教學(xué)設(shè)計(jì)案例教學(xué)過程以“波的極化”為例，詳細(xì)闡述本課程如何設(shè)定混合式課前、課中及課后的教學(xué)策略，明確學(xué)生學(xué)習(xí)、教師教學(xué)任務(wù)，將線上資源有機(jī)融合到線下課堂教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，解決教學(xué)痛點(diǎn)問題。（一）教材分析與學(xué)情分析“波的極化”是教材《電磁場(chǎng)與電磁波》中的第六章第三節(jié)，時(shí)長(zhǎng)是1個(gè)學(xué)時(shí)。第六章是討論均勻平面波的傳播規(guī)律與特點(diǎn)。在前兩節(jié)中，已經(jīng)分析了電磁波的振幅、頻率、相位、波速等信息參量，這些參量描述的電磁波的特性與大家熟悉的機(jī)械波的特性很相似，學(xué)生是比較容易理解和掌握的。而極化描述電磁波的矢量特性，這是電磁波所特有的一個(gè)信息參量，于學(xué)生而言，完全陌生，但它又是一個(gè)很重要的概念，在雷達(dá)、移動(dòng)通信中具有重大的應(yīng)用價(jià)值。授課對(duì)象是大學(xué)二年級(jí)的電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，他們已經(jīng)完成了大學(xué)物理的學(xué)習(xí)，能夠理解波函數(shù)的表達(dá)式，并能依據(jù)表達(dá)式分析波的特性參量，如振幅、波長(zhǎng)、相位等信息，構(gòu)建波函數(shù)的圖像，或者從波的圖像中獲取波的特性參量。但是學(xué)生無法從電磁波的圖像或者數(shù)學(xué)表達(dá)式中獲取“極化”這一信息參量，他們對(duì)于電磁波的極化特性完全沒有概念。（二）教學(xué)目標(biāo)與重難點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)：掌握電磁波的極化定義及其三種極化方式；能夠判別三種極化方式，并能應(yīng)用MATLAB依據(jù)極化方式再現(xiàn)極化波的空間形貌；引入極化在天線、雷達(dá)、生活中應(yīng)用，拓展學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)和眼界，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。教學(xué)重點(diǎn)：極化的定義及其物理表征；三種極化分類方式及其之間的關(guān)系。教學(xué)難點(diǎn)：區(qū)分左旋圓極化與右旋圓極化；理解極化是反映波的矢量特性，是電磁波的重要信息參量。（三）教學(xué)策略發(fā)改思考：???化齡?-?τ后冬鼠A??孩葉工軸起用e課前自主學(xué)習(xí).完 謖堂悟甫解痛.互動(dòng) 引入拓展實(shí)現(xiàn)第三以內(nèi)比與高陳里雄. 諉啟黑考域花一次盜爆內(nèi)也 完成她二次期識(shí)內(nèi)" 能力、潦識(shí)的引導(dǎo)與培養(yǎng) 為下次巡隹笛圖2“波的極化”混合式教學(xué)設(shè)計(jì)線上線下混合教學(xué)設(shè)計(jì)包含有課前、課中和課后三個(gè)階段：課前教師要發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，并根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)情況（前測(cè)），來制定課堂（課中）教學(xué)策略，課后教師結(jié)合課中學(xué)生學(xué)習(xí)表現(xiàn)，或發(fā)布鞏固習(xí)題、或拓展類學(xué)習(xí)任務(wù)，整個(gè)設(shè)計(jì)既要完成知識(shí)點(diǎn)的傳授，更注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)?！敖處煘橹鲗?dǎo)，學(xué)生為主體”是混合式教學(xué)中最突出的特點(diǎn)，教師有目的的引導(dǎo)，學(xué)生有具體的內(nèi)容環(huán)節(jié)參與，教師依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，最終師生共同完成了教學(xué)活動(dòng)。在實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué)，除了需要有線上學(xué)習(xí)資源，還需要有支持師生互動(dòng)的信息化工具，本課程在教學(xué)過程中使用的工具是雨課堂和學(xué)習(xí)通。師生互動(dòng)將貫穿整個(gè)教學(xué)流程。（四）教學(xué)組織及過程1.課前——預(yù)習(xí)任務(wù)：主講教師通過學(xué)習(xí)通在開課前向?qū)W生發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)：學(xué)習(xí)視頻7.1波的極化，并完成隨堂練習(xí)（波的極化——前測(cè)）弓月百日淙程而工誣告^J?I?2021-05-2415:15自儲(chǔ)t周三第二節(jié)涅，曲曲寶缸裝T曜實(shí)錄課程的錄?L請(qǐng)大家多潑前癖嫄工1波的漫密自行學(xué)習(xí)之后，β?一下再畫圉郅蠅&^l熊的投叱一?^∣?.通過W重姓習(xí).喳河日三是三箏厘了極化的趙匕???Z?≠?≡?就金吐可期M1J?開始用三課田錄”開啟，E苦位王硅U當(dāng)?法?和配自.???r.?oQO圖3課前預(yù)習(xí)通告葉必是電屈波的極化?正確答案；口從曲線根化R.橢囪糧北G.圓極化口線極化日二3Z.6%再次發(fā)放巳答:68宜看未答）人電相板子的定向排列E.電場(chǎng)強(qiáng)度矢量C電場(chǎng)強(qiáng)度矢星的變化D，場(chǎng)矢量末端變化筑跡60.3?再次發(fā)放亙?nèi)粑创稹嫡鹇剩?9.7%?SIM≠令上午TKo7隨堂練習(xí)無事M千守極化的分類已皆朋生對(duì).61正蔭若案：BCD上午TT07隨堂練習(xí)32.5%393%無SIM卡營(yíng) 上午11：口了 ■< 麗堂練習(xí) 再次發(fā)放一見沿著正工方向傳播的電磁波，其中電場(chǎng)強(qiáng)度為EK-Emcos(wt-kz),它的極化方式是己等6B 查看未答》正樨普案;BB:Et>3‰自.圓板化I IlA15.2?B線極化41Λ 60.3%C.橢圓極化16Λ 23.5?圖4課堂練習(xí)前測(cè)部分截圖.課前——預(yù)習(xí)反饋：學(xué)生學(xué)習(xí)反饋：①知道極化定義，但對(duì)定義關(guān)鍵特征把握不準(zhǔn)；②知道極化分類，可判別簡(jiǎn)單極化方式，一旦極化方式復(fù)雜，束手無策；③對(duì)極化表征波的矢量特征，沒有具體認(rèn)識(shí)。反饋教師教學(xué)：課堂教學(xué)：定義（“再”講）→分類與判別（習(xí)題強(qiáng)化）→虛仿（抽象變具體）→極化拓展（矢量特性案例化）。.課中——解決重難點(diǎn)：課堂教學(xué)過程：略.課后——深度思考：主講教師課后通過學(xué)習(xí)通發(fā)布課后思考任務(wù)——調(diào)研極化的分解與合成在天線設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。這一思考，一方面引導(dǎo)學(xué)生思考極化這一特征參量，在無線通訊上的應(yīng)用；另一方面，極化知識(shí)點(diǎn)之后涉及波的入射與反射，這一問更旨在引導(dǎo)學(xué)生提前思考波的極化特征隨著入射、反射，會(huì)有哪些變化？四、混合式教學(xué)設(shè)計(jì)反思依據(jù)電磁場(chǎng)與電磁波課程實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，課程組對(duì)混合式教學(xué)模式，積累了以下幾點(diǎn)粗淺的認(rèn)知：.雙主——教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體線上線下混合模式的教學(xué)突破了“以教師為中心、以教室為中心，以教材為中心”，學(xué)生成為教學(xué)活動(dòng)的組成部分，學(xué)生不再是單純的知識(shí)接收者，而是參與知識(shí)獲取、理解、甚至應(yīng)用的過程，注重學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、思考等高階能力的培養(yǎng)。.反饋——混合教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)學(xué)生的課前預(yù)習(xí)任務(wù)，其結(jié)果需反饋。之于主講教師，預(yù)習(xí)反饋在一定程度上暴露了學(xué)生獨(dú)立自學(xué)的問題，這些問題是之后的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，如何設(shè)置課堂內(nèi)容，如何組織、使用何種教學(xué)方法和策略，來有效破解學(xué)生難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授與能力培養(yǎng)；之于學(xué)生，在課堂上教學(xué)過程中，感受到了教師對(duì)其疑惑點(diǎn)、混淆點(diǎn)的有針對(duì)性的講解，回應(yīng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。.閉環(huán)——線上線下資源的有機(jī)融合線上教學(xué)內(nèi)容線下不能重復(fù)，與線下教學(xué)內(nèi)容要形成閉環(huán)體系。線上內(nèi)容需要線下反饋，反饋形式應(yīng)不同與線上，采用不同的教學(xué)策略或方法，使