李月琴　李金平　杨 萍　韩 玺

摘 要： 电磁场与电磁波是电子信息类学科各专业学生必修的一门重要专业基础课程，该课程理论性强， 概念抽象， 一直以来是教学难点。 基于CDIO工程教育理念， 在分析电磁场与电磁波课程当前教学中所存在问题的基础上， 分别从强调概念理解、 丰富教学手段、采用实例教学、 培养科学思维和工程意识等几方面对该课程的教学改革方法进行了深入研究和探讨， 提出了切实可行的改革措施方法和手段， 为电磁场和电磁波课程的教学工作提供了新的思路和方法。

关键词： 电磁场与电磁波， CDIO， 教学改革， 科学思维， 工程意识

一、 引言

电磁场与电磁波课程是电子信息类学科各专业学生必修的一门重要专业基础课程，其所涉及的内容是电子信息类本科学生知识结构的必要组成部分， 在移动通信、 微波通信、 光纤通信、 射频电路、 电磁兼容、 高速集成电路等相关领域有着广泛而深入的应用， 同时也是边缘科学和交叉科学 （环境电磁学、 生物电磁学等） 的生长点。 因此，该课程对电子类与通信类专业人才的培养至关重要。

由于该课程理论性强， 概念抽象， 公式繁杂， 所以学生普遍认为该课程枯燥难懂，教学效果不好。 因此， 如何提高教学效果， 激发学生的学习兴趣， 培养学生的综合能力是教师面临的重要问题， 也是该课程教学改革的重点和目标。 本文基于CDIO工程教育理念， 对电磁场与电磁波课程的教学改革进行了深入探讨。

二、 CDIO工程教育理念

CDIO工程教育理念是近年来国际工程教育改革的最新成果， 于2000年起由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等发起研究， 其研究成果获得了世界范围的认可与采用，取得了良好的教学效果和社会效益。 CDIO分别指构思 （Conceive）、 设计 （Design）、实施 （Implement） 和运行 （Operate）， 是一种以现代工业产品从构思研发到运行改良乃至终结废弃的生命全过程指导工程教学的教学模式。［1］该模式以产品、生产流程和系统 （从研发到运行的生命周期） 为载体， 通过系统的产品设计培养学生专业技术知识、个人能力、 职业能力和态度、 团队工作和交流能力， 并提高学生在企业和社会环境下对产品系统进行构思、 设计、 实施、 运行的综合能力和综合素质。

三、 电磁场与电磁波课程教学存在的问题

根据CDIO工程教育理念， 目前电磁场与电磁波课程的教学存在以下几方面问题。

1. 依然采用传统式教学模式

由于本课程理论性强， 现行的教学方法多停留在传统的 “说教” 式教学模式， 教学手段单一、 内容枯燥， 学生很难充分理解和掌握所学知识， 学习兴趣不高， 很难达到好的教学效果。

2. 缺乏实践能力的充分锻炼

课程重点仍然放在被动的信息传递上， 而不注重学生对理论知识的实际运用能力、分析和判断能力的培养。 实验内容少且多是教师演示或验证性实验， 学生主要在教师的提示下完成， 而考核方式主要采取纸质答卷的方式， 这些都直接导致学生只注重理论知识的掌握， 而轻视了实践能力的培养。

3. 偏重知识传授，不注重解决实际问题能力的培养

由于偏重理论教学， 学生很容易陷入繁杂的公式推导， 而忽略了对概念本身的理解和融会贯通， 从而使理论知识和实际应用相脱节， 造成在解决实际问题时无法抓住问题关键， 思路混乱， 无从下手， 缺乏解决实际问题的能力。

4.缺乏工程能力的培养［2］

在教学过程中， 教师和学生都非常重视夯实基础， 但缺乏综合性和创造性的工程设计能力培养， 学生的工程意识和工程实践能力亟待加强。

四、 CDIO理念在电磁场与电磁波课程中的应用

针对以上教学中存在的问题， 结合CDIO教学理念， 将构思 （Conceive）、 设计（Design）、 实施 （Implement） 和运行 （Operate） 引入电磁场与电磁波课程教学环境中， 以课程的教学实施方案为载体， 将授课过程分为基础知识的理解、 相关知识的实际应用、 关键知识点的实验验证和小组工程案例设计四个环节， 从加强学生对专业基础知识的理解与应用、 提升学生的学习兴趣和热情、 拓展学生的知识面、 加强学生的实践动手能力、 丰富学生的团队合作经验、 训练学生的沟通表达能力、 培养学生的职业道德感等几方面出发， 把理论、 实践和素质有机地结合在一起， 引导学生主动有效地学习课程知识， 从而达到综合培养学生素质和能力的目标。 具体的改革措施如下：

1. 简化推导证明，加强基础知识的理解

在内容的讲解上， 有选择性地讲解关键问题的推导过程， 尽量简化对某些定理和公式的推导证明， 避免烦琐的数学公式推导， 重点强调对基本概念的阐述和理解， 使学生理解相关数学表达式的物理意义和物理规律， 引导并启发学生进行自主性思考并学会独立解决问题， 使所学知识得到融会贯通。 对某些经典的例题或作业题采用一题多解的方法。例如计算无限长线电荷周围任意点场强的问题，［3］可以采用三种不同的方法， 即根据场强的定义求解、 利用高斯定理求解和利用电位公式求解， 讲解过程中通过对三种不同方法的解题思路进行分析和比较， 找出它们的异同和难易程度， 使学生更好地理解和掌握相应的概念， 灵活应用所学知识。 这样， 既避免了一味的单调枯燥的公式推导， 又强化了物理概念及理论的实际应用， 从而降低了学生对该课程的畏难情绪， 有效提高教学效果。(www.daowen.com)

2. 丰富教学手段，提高学生学习兴趣

“电磁场与电磁波” 课程中的许多内容比较抽象， 用传统的板书和语言描述的方式很难将其表述清楚。 这就需要采用多种教学手段， 充分利用多媒体教学方式和网络教学方式， 大量运用图片、 视频、 FLASH动画以及MATLAB动画等手段对相关知识进行直观演示， 将复杂、 抽象的内容用生动、 形象、 直观的方式表达出来， 很好地提高了学生的学习兴趣， 能有效加深学生对相关内容的理解。 图1是利用MATLAB软件进行演示的理想介质中均匀平面电磁波的传播， 图2是利用Ansoft HFSS软件进行的对称天线远区辐射电场E与场点位置矢量r乘积分布图的演示。［4］

图1 MATLAB软件演示理想介质中均匀平面电磁波的传播

图2 Ansoft HFSS软件演示对称天线远区辐射电场E与r乘积分布图

3. 采用实例教学，拓宽学生的知识面

在教学过程中， 根据课程内容加入在工程实践、 科学研究、 日常生活乃至现代战争中对电磁场的实际应用， 可以有效激发学生的学习兴趣， 提高学生的学习热情。 如在讲授“平面电磁波的斜滑投射” 部分的内容时，［5］如果仅仅对其理论“由于各种极化特性平面波的反射系数均为-1， 所以当很倾斜地观察任何物体表面时， 因为各种极化方面反射光波的相位相同， 彼此相加， 使得物体表面显得比较明亮” 进行讲解， 学生并不能很好地掌握。 如果在这里引入F1赛车比赛或在高速上行车的实例， “在观察F1比赛或在高速上行车时， 可以注意到远处路面非常明亮， 就像有积水一样， 形成这些现象的原因就是由于光波的斜掠射造成的”， 则学生能很快理解并掌握该部分理论。 这种在注重电磁场基本概念、 基本方法的基础上， 充实工程及日常所见电磁场实例的方法， 可以有效扩大学生的知识面， 提高学生的学习兴趣， 达到很好的教学效果。

4. 加强实验环节，提高学生的实践动手能力

以往的电磁场与电磁波课程一般都是理论课程， 基本没有实验课程或实验课程很少， 而少量的实验课程也是以验证演示性实验为主， 而没有让学生进行更多的操作、运用、 分析和判断等训练。 因此， 这种实验教学方式很难真正提高学生的综合实践能力， 所以要适当增加综合设计性实验和开放性实验。 对于综合设计性实验， 教师应精心设置实验， 难度不宜太大， 主要以锻炼学生的实际动手能力为主， 使学生能利用所学知识和技能综合完成设计及实现， 在实践过程中获得乐趣和成就感， 进一步提高学生的学习兴趣。 而对于开放性实验教学， 不仅要实行在时间上学生有更大自由度的开放性实验， 而且在实验内容上也要开放。 即教师可以提供多个或带有加选实验的项目，让学生尽可能地发挥自己的能力进行实践。 实验过程中， 鼓励学生自己制定实验方案，自己设计实验系统并自己完成具体实验， 教师主要起启发和引导作用。 这样既可以锻炼并提高学生的基本技能， 拓宽其专业知识面， 又可以培养其综合实践能力。

5. 培养科学思维，提高解决实际问题能力

在教学过程中， 对课程中相关理论推导的目的并不是让学生记住整个推导过程，而是让学生学会蕴含在其中的分析问题、 解决问题的科学方法， 并通过对科学方法的介绍， 培养学生的科学思维。 在进行教学设计时， 应通过适度的不确定性问题引起学生的探寻， 特别是在解决实际问题时， 适度增加一些不确定性问题， 让学生自己分析和解决， 教师在解决问题的过程中给予必要的引导， 启发学生的自主性思维， 帮助学生培养批判性思维能力， 训练学生的科学思维能力和方法， 最终使学生对所学知识从感性认识上升到理性认识， 进而能充分理解并灵活运用， 切实提高学生解决实际问题的能力。

6. 培养工程意识，增强团队合作和综合创新能力

在学习课程的基本理论和基本方法的时候， 可以引入相关的工程应用实例和应用性习题， 培养学生运用理论解决实际问题的能力和初步的工程意识。 精心设置应用工程案例， 充分发挥学生的创新思维， 强调在实际环境中制造产品和实现设计所注重的环节， 让学生有机会把所学到的理论知识和实际工程联系起来。 课程中设置简单的小型项目， 组织学生分组并分工协作完成。 要求学生首先自主设计项目方案， 通过电路仿真选择最优方案， 然后完成电路版图制作、 加工、 焊接、 测试等环节， 提交书面总结和分析报告， 要求该报告并非只是测试结果， 而是完整的方案解决报告， 最终选择项目小组成员对所完成的项目制作PPT并进行全班的交流， 让学生自己比较讨论各项目小组的优缺点等。 通过这种方法， 可以逐渐培养学生的工程意识， 提高学生的推理解决问题能力、 系统思维能力、 创造性思维能力以及团队合作能力等综合能力。

五、 总结

本文基于CDIO工程教育理念， 在分析电磁场与电磁波课程当前教学中所存在问题的基础上， 对该课程的教学改革方法进行了深入研究。 分别从强调概念理解、 丰富教学手段、 采用实例教学、 培养科学思维和工程意识等几方面进行了分析和探讨， 提出了切实可行的改革方法和手段， 能有效提高学生的实践能力和综合创新能力， 为电磁场和电磁波课程的教学工作提供了新的思路和手段， 有效促进了电磁场与电磁波课程教学改革的发展。

参考文献

［1］ 韩智， 张振虹， 李兴娟. 基于CDIO理念的软件工程课程教学改革 ［J］. 计算机教育，2010 （11）：56-59.

［2］ 范懿. 基于大工程观的 《电磁场与电磁波》 课程教学改革的探索 ［J］. 武汉大学学报（理学版）.2012，58 （S2）：236-238.

［3］ 焦其祥， 李书芳， 等. 电磁场与电磁波 ［M］. 北京： 科学出版社，2004.

［4］ 赖颖昕. 基于Ansoft HFSS的电磁场与电磁波课程图示化教学 ［J］. 东莞理工学院学报.2012，19 （1）：104-108.

［5］ 谢处方. 电磁场与电磁波 （第四版） ［M］. 北京： 高等教育出版社，2006.