基于CDIO的电磁场与电磁波课程教学改革探讨

李雪萍　张瑜

摘 要：本文针对目前高校电磁场与电磁波课程教学中存在的学生兴趣不高、知识掌握不牢固等现状，分析了电磁场与电磁波课程的特点和传统教学方法的不足，并根据CDIO工程教育模式思想，从整合教学内容、丰富教学方法、训练工程实践能力等方面对该课程教学进行了改革探讨。新的课程教学模式不仅可以提高学生学习兴趣，而且通过“学中做”和“做中学”的教学过程，使得学生的综合素质和工程实践能力得到显著提高，同时也培养了其创新性思维和创新能力。

关键词：CDIO；电磁场与电磁波；课程教学；教学改革

在高校电子信息工程、通信工程、电磁场与微波技术等工科专业中，电磁场与电磁波课程是一门重要的专业基础课程之一。由于该课程不仅理论性强，涵盖内容多，知识跨度大，具有大量繁杂的数学公式推导，而且电磁场与电磁波又看不见、摸不着，直观性很差，因此使得该课程成为相对较难的课程之一。学生在学习该课程时往往会感到枯燥乏味，失去学习兴趣，进而影响对所学知识的掌握。另外，目前大多数高校的该门课程只有理论课，没有开设相应的实践课程；或者即使有的高校开设了实践课程，但大多数也只是验证性实验或仿真实验，这与实际应用还有较大的距离。为了提高学生的学习兴趣，促使大家很好地掌握本课程的知识，并能将所学知识应用到实际工程中，提高应用知识解决实际问题的能力，需对目前该课程的常规教学模式进行改革。

要让学生获得更丰富知识的同时提升个人能力、人际交往能力、系统和过程的建造能力，即工程素质和能力，目前最好的解决方法是利用麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学组成的跨国研究机构在2000年提出的CDIO工程教育模式，即将构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate）运用到教学的全过程。[1][2]目前我国已有50多所高校进行了不同程度的CDIO教学模式的应用，并取得了良好的成效。[3][4]

本文根据CDIO工程教育理念，针对高校电磁场与电磁波课程教学中出现的不足，在教学内容的整合、教学方法的改变、实践能力的培养等方面对该门课程的教学模式进行改革探讨。

一、教学内容的合理整合

电磁场与电磁波课程是在大学物理电磁学的基础上，进一步阐述宏观电磁场的基本性质、基本规律和基本分析方法的课程。为了体现CDIO工程教育理念，尽量减少理论课学时，并且增加实践课学时，使得学生在“学中做”和“做中学”；在学习基础理论的同时培养工程应用能力，需要对教学内容进行合理整合。

（1）积分形式描述宏观电磁场理论的内容学生已在大学物理课程中学习过，因此在该课程中只需对电磁场规律的积分描述形式进行总结和复习，将重点放在用微分形式描述电磁场理论上。

（2）对相关的微波与天线内容尽量简化，学生只需掌握一般知识即可，即能够为后续微波与天线课程学习奠定基础即可。

（3）目前电磁场与电磁波课程的教材众多，采用的教学内容安排也不尽相同。大体上主要按由特殊到一般或由一般到特殊的两种形式进行阐述[5][6]。根据学生接受能力和循序渐进的思想，采用由特殊到一般的方式可能更适合学生学习，即从静电场、静磁场、时变电磁场，最后形成完整的麦克斯韦方程组等方面讲授其方法。

（4）为了增强学生的学习兴趣，以及培养学生的工程应用能力，尽量采用与工程应用相结合的例题，课后作业题也需有一定量的可直接解决工程实际问题的习题。

二、教学方式的多样化

要使得学生对较难学的电磁场与电磁波课程内容有兴趣，且能够较好地掌握相关知识，并能够将所学知识应用到实际工程中，在教学方式上就应该根据课程的特点和学习的思维习惯和对知识接受的方式，采取多样化的教学方式。

1.对比式教学模式

本门课程中的概念和有关公式总是成对出现，在静态场中电场与磁场的对应规律尤为突出，如电场和磁场、库伦定律和安培力定律、电偶极子和磁偶极子、电位与磁位、电容与电感、静电能与静磁能等。尽管它们所处的环境有所不同，但在表达式上有许多相似之处。因此在静态场教学中对这些知识点采用对比方法讲授。如在教学中详细讲解电荷产生的电场，电场的有关公式、规律及其引出的电位、电场能、电场力等。对电流产生的磁场、磁场的有关公式、规律及其引出的磁位、磁场能、磁场力等，采用对比的方式进行简要讲解。最后，对基本概念、基本规律和涉及的公式进行总结对比。这样不仅可以使学生对知识有一个系统的把握，容易理解和记忆有关概念、公式，而且可以提高学生的学习效率，节省上课学时。

2.启发式教学模式

以学生为主体、教师为主导、师生互动的启发式教学是引导学生独立钻研、全面发展的一种教学方法。在教学中，将理论问题实际化更能引起学生的自主学习兴趣，将疑难问题启发化更能激发学生的求知欲望，将技术问题工程化更能培养学生对知识的应用能力。

（1）通过将生活中的实例与理论知识的结合提出问题，进一步激发学生的学习兴趣。这种教学方法不仅可以启发学生的学习动机，激活思维，引导学生积极思考、主动学习，而且也可以使得学生认真学习，勤于思考，用所学知识解决实际问题，以及探索新的相关知识。如在讲授法拉第电磁感应定律时，通过设置在自行车上增加一装置解决本身照明问题的一个题目，不仅使得学生认真学习讲授内容，并对内容深刻理解，而且也积极思考，寻求多种方法解决问题。另外伴随基本概念、基本理论的讲授，增加与讲授内容相关的实例和应用性例题，可使得学生能够理论联系实际，加深对理论知识的理解和应用，培养学生的工程实践素质。

（2）设置疑问，启发思维。对不易理解的概念、不能正确运用的知识或容易混淆的问题，有意识地让学生利用已知知识进行大胆分析，从而解决问题。对学生不能解决或解答错误的问题要给出正确的结论，并进行详细的讲授，这样促使学生对知识有更深的理解，最终掌握知识。如在讲授位移电流概念时，根据电路中增加电容器时还有电流连续的现象，指出恒定电流连续性方程与电荷守恒定律之间存在的矛盾，让学生进行分析和解决。随后采用启发式方法引入位移电流的概念，最后形成全电流的思想。

（3）设置与所学知识相关的典型性工程项目，使得技术问题工程化，着重培养学生对所学知识的应用能力和创新能力。学生为解决实际工程问题，必须对所学知识进行综合应用，这样，不仅提高了学生的学习兴趣，而且也会促使他们想法设法解决实际问题，完成工程项目。

3.多媒体与板书相结合教学模式

实际存在的电磁场与电磁波看不见，摸不着，对它的描述很抽象，不容易被学生接受，繁杂的公式也使得学生感到枯燥无味而失去兴趣。因此应采取不同的方式进行教学。对于抽象概念采用多媒体技术进行讲授，对于繁杂公式采用板书进行讲授。

（1）为了使学生易于理解基本概念和规律，需通过自制和搜集相关的图片、视频、动画资料等制作形象生动的多媒体课件，使抽象概念形象化，展现出“看得见”的电磁场。这种授课方法不仅可以让学生在形象化教学中获得对抽象概念的感性认识，增强学习兴趣、求知欲和满足其好奇心，对所学内容加深理解，而且也可节省课时，提高效率，增加授课信息量，扩大知识面。

（2）本课程中描述电磁场与电磁波的公式较多，为了促使学生能够掌握电磁场与电磁波的规律，需要对有关公式进行详细推导。如果采用多媒体课件教学，不仅不利于学生进行思考，而且学生也很难跟上教师讲课的节奏，教学效果不理想，因此对公式推导应采用板书形式进行教学。另外，由于课时所限，教师可选择重要的公式和较难的公式进行推导，对较容易的公式可让学生自己推导。

4.演练与展望相结合教学模式

通过比较式方法对课堂知识进行小结，让学生抓住所学知识的重点，对知识有系统的把握。在课堂上选择有代表性的综合习题让学生练习，可以加深学生对所学知识的理解和巩固。为使所学知识得到实际运用，可以设置一些相关的实际应用项目让学生课后进行思考和探讨。

另外，为了使学生能够了解本领域的最新知识和发展方向，激发学生的创新性思维和对新技术的探索，课程讲授中应将本领域国内外的研究现状、研究热点和前沿问题介绍给学生，鼓励学生利用课余时间选择题目进行针对性研究，将研究成果以专利和论文形式发表出来，使得前沿问题学术化。

三、工程实践能力培养

为了培养学生对知识的应用能力、创新能力和整体系统设计能力，以及团队合作精神，必须加强实践性教学课程建设。构建以项目为主导的知识、技术和能力培养一体化的实践课程是实施CDIO工程教育模式的重要环节。首先应对没有实践课程的高校需要建立较为完备的相关实验室，已有实验室的高校对实验设备进行完善，根据课时对实验项目精心选择，然后采用以项目为驱动的二级项目分级制进行实践教学。各级项目都要涉及CDIO的构思、设计、实现和运作的整个阶段。

1.一级项目着力于本课程知识综合运用和创新能力培养，培养学生的工程意识和工程分析能力、创新能力

具体方法如下。

（1）在讲授理论课的绪论后，由教师给出几个能够涵盖本门课程主要知识并具有实际工程价值的题目让学生进行思考；在理论课程讲授一半时，由学生自行挑选，鼓励学生自设题目，但是自设题目必须经过指导教师的确认，以防止因题目过大，学生不能完成的现象出现。

（2）根据不同项目的难易程度，学生3～5人组成一个小组共同完成。项目组人员轮流承担课题负责人，小组成员不仅有各自具体的工作重点，而且对其他人的工作也需要了解，以便共同探讨和解决项目中的难题，培养团队合作精神。

（3）一级项目主要利用课余时间完成，实验室全天开放，在本课程结束后的一周之内完成。需要提交方案论证报告、设计报告、测试报告、项目样机等有关材料。在每个阶段都需要向指导教师汇报，以便于教师提供针对性指导。

2.二级项目是一级项目的支撑，着力于学生对本课程应具备的基础能力培养，加深和强化对本课程各阶段知识的掌握和应用能力

具体方法如下。

（1）对理论课讲授的每个阶段都给出一个相关的小题目，让每个学生在实验室完成，培养学生对本阶段知识的深入掌握和应用。如讲授静电场后，让学生设计一种静电除尘器；讲授静磁场后，让学生一种小型选矿器等。不能按时完成的学生，可利用课余时间到开放实验室完成。这种情况下指导教师应根据实际情况及时进行指导，以督促学生完成任务。

（2）对二级项目采用以设计性实验为主、验证性实验为辅、创新性实验鼓励的方式进行设置。

（3）项目完成后，学生需要提交设计报告、测试分析报告。某些项目还需要提交实验样机。

学生的最终实践课程成绩，指导教师可根据一、二级项目的完成情况和水平进行综合评定。通过实践课程的训练，不仅可以促使学生加深对所学知识的印象，利用知识解决实际问题的应用能力培养，而且也培养了学生的创新能力和团队合作精神。学生也可对完成的项目进行优化，参加全国电子设计大赛、“挑战杯”大赛等。

四、结语

电磁场与电磁波课程既是相关工科专业重要的基础必修课程，又是教师最难教、学生最难学的课程之一。面对抽象的概念、繁杂的公式，要求学生不仅要具有空间几何想象力，还必须具有扎实的数学基础。通过改进常规教学模式，建立对比、启发、多媒体与板书相结合、工程训练等方式的教学模式，使得抽象概念形象化、理论问题实际化、技术问题工程化、前沿问题学术化。不仅可以提高学生的学习兴趣，增强学习的自信心，利于学生深入理解和掌握相关知识，而且还可以促使学生在“学中做”和“做中学”，培养学生的工程素质能力和创新能力，实现CDIO工程教育的人才培养目标，满足社会的需要。下一步的工作是根据该门课程的内容，通过精心设计，优化提炼，建立一、二级实践项目数据库，以便既能增加综合本课程知识的实际工程题目，又能使学生有更多的兴趣选择。

参考文献：

[1]顾佩华，包能胜，等.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究， 2012，（3）：24-25.

[2]（美）Edward F.Crawley.重新认识工程教育：国际CDIO培养模式与方法[M]. 顾佩华，等译.北京：高等教育出版社，2009.

[3]顾佩华，沈民奋，李升平，等.从CDIO到EIP-CDIO——汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究，2008，（1）：12-20.

[4]周坚和，唐培和.地方高校电子信息类专业人才CDIO多层次立体化培养模式探析——以广西工学院通信工程专业为例[J].高教论坛， 2013，（4）：35-40.

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

[6]任 伟.电磁场与微波技术[M].北京：电子工业出版社，2005.