基于雨課堂的“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)改革實(shí)踐研究＊

蔡 洋，曹玉凡，張寶玲，吳 濤，焦義文，楊文革

（航天工程大學(xué)電子與光學(xué)工程系，北京101416）

“電磁場(chǎng)與電磁波”是電子信息與電氣工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)核心基礎(chǔ)課，為后續(xù)“微波技術(shù)與天線”“衛(wèi)星通信”“雷達(dá)原理”等專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供必不可少的理論基礎(chǔ)，因此，該課程的教學(xué)在電子信息和電氣工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)體系中起到承上啟下的作用[1-2]。此外，通信、雷達(dá)、遙感、測(cè)控等重要軍事領(lǐng)域都需要用到電磁理論，所以該課程的學(xué)習(xí)對(duì)電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程內(nèi)容涵蓋電磁波的產(chǎn)生、輻射、傳播等方面，從庫(kù)侖定律、安培定律和法拉第電磁感應(yīng)定律三大經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)定律出發(fā)，研究場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)）與源（電荷、電流）之間的本質(zhì)關(guān)系，理論核心是麥克斯韋方程組，需要以高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理中的相應(yīng)內(nèi)容為基礎(chǔ)，包括多元函數(shù)微積分、振動(dòng)與波等。

同時(shí)，電磁理論中涉及到的現(xiàn)象和數(shù)學(xué)物理分析過(guò)程無(wú)法直接感知，設(shè)計(jì)復(fù)雜的公式推導(dǎo)和坐標(biāo)變換，需要學(xué)生具備強(qiáng)大的抽象思維和空間想象能力。此外長(zhǎng)期以來(lái)該課程在各大院校多沿用傳統(tǒng)授課方式，即教師通過(guò)PPT進(jìn)行授課、輔助采用板書(shū)等形式，與當(dāng)前“00后”年輕群體的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)方式不相適應(yīng)?；诖耍环矫嬲n程本身的特點(diǎn)導(dǎo)致本門(mén)課程是高校中受歡迎度最低、最難學(xué)難教的課程之一，另一方面，傳統(tǒng)授課模式無(wú)法有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與熱情，進(jìn)一步導(dǎo)致課程的教學(xué)效率非常低。如何有效提高授課的針對(duì)性和學(xué)生的參與度是建設(shè)電磁精品課程之路上亟待解決的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)相關(guān)院校針對(duì)這一問(wèn)題也進(jìn)行了諸多探索[3-4]。

近年來(lái)，由清華大學(xué)在線教育辦公室組織研發(fā)、文理工一線教師全程參與的教學(xué)工具“雨課堂”因其靈活的授課方式、全方位的教學(xué)數(shù)據(jù)分析以及年輕化的互動(dòng)模式等特點(diǎn)在各類(lèi)型的教學(xué)活動(dòng)中被廣泛推廣?！坝暾n堂”在保留傳統(tǒng)PPT授課模式的前提下，能夠高效地利用微信、互聯(lián)網(wǎng)等平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，受到授課教師的青睞，同時(shí)也極大地提高了學(xué)生參與課堂的積極性[5-6]。同時(shí)基于雨課堂能夠便利開(kāi)展混合式教學(xué)、線上教學(xué)等教學(xué)方式，確保了在當(dāng)前疫情偶發(fā)的情況下順利開(kāi)展課程教學(xué)。

本文以“電磁場(chǎng)與電磁波”課程為例，圍繞課程教學(xué)中的重難點(diǎn)問(wèn)題，探討了采用傳統(tǒng)教學(xué)模式與“雨課堂”教學(xué)模式在授課過(guò)程中的差異，然后總結(jié)了“雨課堂”在課程教學(xué)中的有利因素、需要完善的問(wèn)題以及教學(xué)反思，希望以此為基礎(chǔ)，促進(jìn)課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

1 雨課堂教學(xué)實(shí)施過(guò)程分析

1.1 基于雨課堂的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

以航天工程大學(xué)2019級(jí)相關(guān)專(zhuān)業(yè)采用雨課堂授課為例，從課前準(zhǔn)備、課中授課和課后拓展3個(gè)階段進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并與傳統(tǒng)授課方式進(jìn)行了對(duì)比，基于“雨課堂”的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 基于“雨課堂”的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

1.2 基于雨課堂的教學(xué)特點(diǎn)

1.2.1 教學(xué)過(guò)程更加精細(xì)

在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)往往是教師發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的模式，這種方式使得教師對(duì)于預(yù)習(xí)效果往往無(wú)法有效把握，學(xué)生預(yù)習(xí)的緊迫感和必要性也大大降低，導(dǎo)致課中的教學(xué)實(shí)施沒(méi)有相應(yīng)的延展性，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)準(zhǔn)備狀態(tài)，因此會(huì)導(dǎo)致課上教學(xué)任務(wù)量大，設(shè)計(jì)的教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)環(huán)節(jié)往往受到影響，學(xué)生的理解效果和接受新知識(shí)的效率大打折扣。而采用雨課堂的授課模式，可以將每個(gè)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行量化，如圖2所示，教師在布置相應(yīng)的預(yù)習(xí)任務(wù)后，可實(shí)時(shí)了解學(xué)生的預(yù)習(xí)進(jìn)度和預(yù)習(xí)時(shí)間，學(xué)生也因此會(huì)產(chǎn)生必須要預(yù)習(xí)的緊迫感和危機(jī)意識(shí)，教師可以對(duì)全班預(yù)習(xí)情況的進(jìn)展能夠全面了解，一方面可以督促未預(yù)習(xí)的同學(xué)及時(shí)完成學(xué)習(xí)內(nèi)容，另一方面學(xué)生也可以通過(guò)雨課堂反饋預(yù)習(xí)過(guò)程中的疑慮和問(wèn)題，通過(guò)這種預(yù)習(xí)模式能夠使師生共同完成課前準(zhǔn)備工作，這些準(zhǔn)備工作將為課程中的教學(xué)實(shí)施提供開(kāi)展的依據(jù)和素材，同時(shí)也加強(qiáng)了師生之間的了解和聯(lián)系。

圖2 學(xué)生預(yù)習(xí)情況統(tǒng)計(jì)報(bào)告

1.2.2 教學(xué)目標(biāo)更加精準(zhǔn)

在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，教師一般通過(guò)上課提問(wèn)的方式了解學(xué)生的掌握程度和當(dāng)前的授課進(jìn)度，比如公式的推導(dǎo)、知識(shí)點(diǎn)的運(yùn)用，首先通常情況下提問(wèn)的時(shí)候往往面臨被提問(wèn)者思考、其他同學(xué)不參與討論的狀況，同時(shí)有限的授課時(shí)間導(dǎo)致提問(wèn)的學(xué)生數(shù)量非常少，因此教師無(wú)法根據(jù)回答情況分析和掌握當(dāng)前的授課情況，長(zhǎng)此以往教學(xué)之間的鴻溝會(huì)不斷加劇，最終導(dǎo)致學(xué)生關(guān)閉主動(dòng)學(xué)習(xí)的窗口；其次在電磁場(chǎng)與電磁波這種容易公式繁多復(fù)雜、概念抽象的課程中，這種傳統(tǒng)的提問(wèn)方式存在著相當(dāng)大的片面性，提問(wèn)的問(wèn)題往往會(huì)處于難度的兩個(gè)極端，無(wú)法有效反饋當(dāng)前的授課內(nèi)容和授課進(jìn)度，最后隨著當(dāng)前社會(huì)環(huán)境的影響和改變，學(xué)生群體自尊心普遍較強(qiáng)、不愿意主動(dòng)表達(dá)的特點(diǎn)導(dǎo)致他們無(wú)法真實(shí)的表露內(nèi)容的困惑。但是通過(guò)雨課堂的授課方式，一方面學(xué)生可以在遇到疑問(wèn)或者困惑的地方在不同的PPT上直接“匿名”表達(dá)當(dāng)前的學(xué)習(xí)困惑，教師可以根據(jù)反饋人數(shù)的多少選擇上課集中講解或者下課單獨(dú)答疑，另一方面學(xué)生可以通過(guò)喜聞樂(lè)見(jiàn)的彈幕、留言等實(shí)時(shí)的方式來(lái)表達(dá)想法，這些方式與他們平時(shí)課余生活中的休閑方式非常類(lèi)似，能夠有效打消他們學(xué)習(xí)的緊張感和壓力?？傊?，教師可以根據(jù)當(dāng)前的“大數(shù)據(jù)”統(tǒng)計(jì)結(jié)果，針對(duì)當(dāng)前集中的問(wèn)題，調(diào)整授課進(jìn)度和教學(xué)重點(diǎn)，也可以根據(jù)學(xué)生的個(gè)別疑問(wèn)進(jìn)行單獨(dú)答疑，真正實(shí)現(xiàn)以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的高效教育理念。課堂實(shí)時(shí)情況統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 課堂實(shí)時(shí)情況統(tǒng)計(jì)

1.2.3 教學(xué)反饋更加精確

習(xí)題練習(xí)是強(qiáng)化課程重點(diǎn)、理解課程難點(diǎn)的重要手段，這一手段在電磁課程尤為重要，通過(guò)典型例題的強(qiáng)化練習(xí)能夠使學(xué)生對(duì)于概念的理解和運(yùn)用更加深入，也能夠進(jìn)一步查找不足和遺漏的地方。但是在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，教師一般通過(guò)課堂隨機(jī)提問(wèn)、課后作業(yè)、階段測(cè)驗(yàn)等方式進(jìn)行實(shí)施，這些方式存在著數(shù)據(jù)比較片面、統(tǒng)計(jì)任務(wù)繁重、結(jié)果反映延遲等問(wèn)題，使教師無(wú)法精確掌握教學(xué)效果的好壞。與之相比，通過(guò)雨課堂的授課方式，如圖4所示，在課上所有學(xué)生能夠?qū)崟r(shí)地針對(duì)某一問(wèn)題做出全部的反饋，一方面能夠使教師根據(jù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果全方位掌握和分析當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)的講授情況，便于調(diào)整上課進(jìn)度以達(dá)到良好的授課效果，同時(shí)能夠使學(xué)生進(jìn)行有效的橫向?qū)Ρ群妥晕移饰觯热缈梢灾庇^地看到當(dāng)前的學(xué)習(xí)狀態(tài)在整個(gè)班級(jí)中的分布情況，檢視自己遇到的問(wèn)題是個(gè)性問(wèn)題還是共性問(wèn)題，剖析上一階段的學(xué)習(xí)是否真正掌握，此外這種實(shí)時(shí)作答也能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，從而調(diào)整學(xué)習(xí)的方法和提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。通過(guò)雨課堂可以開(kāi)展階段測(cè)驗(yàn)并能夠立即給出學(xué)生的測(cè)驗(yàn)成績(jī)，從而有效地減輕了教師的統(tǒng)計(jì)和批改任務(wù)，直接根據(jù)雨課堂中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行反思和改進(jìn)。

圖4 課堂測(cè)驗(yàn)成績(jī)分析

2 總結(jié)反思

目前“電磁場(chǎng)與電磁波”課程已經(jīng)過(guò)三輪次的教學(xué)實(shí)踐，前兩輪次采用的是傳統(tǒng)的授課模式，而新一輪采用了雨課堂的授課模式，經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐、調(diào)查問(wèn)卷和成績(jī)反饋表明，對(duì)于教、學(xué)雙方來(lái)說(shuō)，雨課堂授課均是一種廣受歡迎的高效教學(xué)模式，如圖5所示。經(jīng)過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)可這種教學(xué)模式，對(duì)雨課堂這種互動(dòng)性強(qiáng)、信息化程度高的方式比較接受和喜愛(ài)，同時(shí)在這種模式下能夠提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，參與課程討論和提問(wèn)的積極性明顯增加。同時(shí)，在這種教學(xué)模式下，教師實(shí)施教學(xué)的精準(zhǔn)性和有效性也得到了顯著提高，能夠?qū)⑵毡閱?wèn)題與個(gè)例問(wèn)題有效區(qū)分，為教師有針對(duì)性地開(kāi)展重難點(diǎn)知識(shí)講解提供了依據(jù)。盡管如此，雨課堂授課方式對(duì)于“電磁場(chǎng)與電磁波”課程仍然是一種比較新穎的教學(xué)方式，存在著一些需要不斷改進(jìn)的問(wèn)題。

圖5 學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查分析

教學(xué)資源的針對(duì)性。基于雨課堂的教學(xué)過(guò)程需要豐富的教學(xué)資源，主要包括在線MOOC資源。當(dāng)前在各大平臺(tái)上有豐富的“電磁場(chǎng)與電磁波”MOOC視頻，但是這些視頻資源往往具有一定的學(xué)校特色，直接搬用會(huì)導(dǎo)致課上課下學(xué)習(xí)內(nèi)容不一致、學(xué)生比較困惑。借助于2020年在線上教學(xué)中課程組積累的教學(xué)視頻，可以在一定程度上滿足當(dāng)前的雨課堂教學(xué)需要。后續(xù)為了進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，需要進(jìn)一步制作更為全面、嚴(yán)謹(jǐn)、精美的MOOC資源。

教學(xué)效果的連續(xù)性。基于雨課堂的教學(xué)過(guò)程需要學(xué)生經(jīng)常使用手機(jī)、電腦平板等進(jìn)行教學(xué)的互動(dòng)等，一方面會(huì)調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的積極性，另一方面手機(jī)、電腦平板等中其他的互聯(lián)網(wǎng)資源會(huì)不斷吸引著學(xué)生的注意力，特別是在“電磁場(chǎng)與電磁波”課程中，復(fù)雜的公式推導(dǎo)、重要的概念介紹需要學(xué)生必須保持高度的精神集中，手機(jī)、電腦平板等設(shè)備無(wú)形中會(huì)對(duì)學(xué)生產(chǎn)生吸引和干擾，導(dǎo)致有些同學(xué)中途就脫離了教師的思路和授課過(guò)程，因此需要在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，避免學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間的使用手機(jī)、電腦平板等。

3 總結(jié)

本文研究了基于雨課堂的教學(xué)模式在“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐，分析了雨課堂在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中的主要特點(diǎn)，包括教學(xué)過(guò)程更加精細(xì)、教學(xué)目標(biāo)更加精準(zhǔn)、教學(xué)反饋更佳精確等。同時(shí)總結(jié)了雨課堂在課程教學(xué)中仍存在的問(wèn)題，包括如何實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的針對(duì)性和教學(xué)效果的連續(xù)性?？傊?，基于雨課堂的教學(xué)模式為傳統(tǒng)的“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)注入了新的活力，為有效打牢學(xué)生的學(xué)習(xí)根基和突破本門(mén)課程的教學(xué)難點(diǎn)提供了一定的手段和方法。