朱卫刚 曹文权 邵尉 刘涛

基金项目：国家自然科学基金面上项目“毫米波平面电大尺寸阵列天线技术研究”（61871399）

第一作者简介：朱卫刚（1971-），男，汉族，河南荥阳人，硕士，副教授。研究方向为电磁场与微波技术。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.06.021

摘  要：构建课程立体化教材是高校新工科专业建设“供给侧”的核心任务。该文围绕新工科专业的电磁类课程立体化教材建设，聚焦学生电磁工程应用能力培养，分析已有教材的现状，提出立体化教材的构建原则，探讨电磁类课程主干教材、教辅材料、实验教材及课程媒体资源等的构建思路、方法和途径，为新工科专业其他课程的立体化教材建设提供有益参考。

关键词：电磁类课程；电磁工程应用能力；立体化教材；新工科专业；教材建设

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）06-0090-04

Abstract： Constructing three-dimensional course teaching materials is the supply-side core task of establishing emerging engineering majors. This paper centers on the construction of three-dimensional teaching materials for electromagnetic courses of the communication engineering major of emerging engineering and focuses on the development of students' electromagnetic engineering application capabilities to analyze the status quo of the existing teaching materials， explore the thoughts and approaches on how to construct main teaching materials， supplementary teaching materials， experimental teaching materials， and media resources of electromagnetic courses， which provides some useful references for the construction of three-dimensional teaching materials for other courses of emerging engineering.

Keywords： electromagnetic course; electromagnetic engineering application capabilities; three-dimensional teaching materials; emerging engineering major; textbook construction

课程教材是体现教学内容、教学方法的知识载体，也是课堂教学的基本工具。新工科作为高等教育紧缺人才培养的重要抓手，是构建中国特色、世界水平的工程教育体系，加快推进中国从工程教育大国走向工程教育强国的重要举措[1]。高等院校新工科建设着眼现有学科专业体系进行调整升级，瞄准科技前沿和关键领域，推进新工科建设，加快培养紧缺人才。教材建设作为新工科建设的组成部分，需要在普适性的认识框架下， 结合新工科建设的具体情境，积极探索符合自身定位和发展特色的教材体系。提高人才培养质量是高校教育的主旋律，课程立体化教材在促进专业基础知识转化为工程应用能力方面，也具有独特的地位和作用，成为新工科专业建设的关键环节[2]。

一  课程教材现状分析

（一）  教材建设的基本情况

教材作为传播知识的载体，是高等院校学科建设的重点。陆军工程大学（简称“我校”）的电磁类课程建设时间长，师资力量雄厚，相关教材编著成果丰硕。自2000年以来先后出版教材四部，主要包括《电磁场与电磁波》（电子工业出版社）、《天线与电波传播》（机械工业出版社）、《电波与光波传输技术》（人民邮电出版社）及《现代微波工程测量》（电子工业出版社）等，系列教材一定程度体现了时代性，突出了系统性，强化了实用性，注重了通俗性，先后被列为高等院校通信与信息专业规划教材和普通高等教育“十一五”国家级规划教材，在人才培养方面发挥了重要作用，使学生系统理解了电磁场与电磁波、微波技术及天线技术相关理论，掌握了电磁场与微波技术在电磁工程中的典型应用，受到了业界的好评。

（二）  教材建设的内在要求

随着院校教育转型和新工科专业建设的需要，需要对现有学科专业体系进行调整升级，以瞄准科技前沿和关键领域，推进新工科建设，加快培养紧缺人才。我校的电子信息类专业建设时间长，底蘊深厚，一直是校内重点建设专业，教材建设成为电子信息类紧缺人才培养的重要抓手，对于构建有特色的工程教育体系，加快推进学科专业建设具有重要意义。在电子信息类专业中，电磁类课程包括电磁场与波、微波技术基础和天线与电波传播三门课程，是研究宏观电磁现象最重要的专业背景课，在培养学生电磁信息素养和工程应用能力方面具有重要作用。此外，随着信息化技术的发展，线上线下混合教学模式的推广，纸质教材向电子化教材转化日趋明显，多维度的立体化教材为培养学生电磁工程应用能力的关键环节和工具。

（三）  教材转型的迫切需要

我校现有的电磁类课程教材由于教学内容跨度时间长，课程衔接不紧，在培养学生电磁工程实践能力时，出现了理论与实践应用脱节现象。此外，课程教学内容涉及了大量抽象概念、复杂的公式推导，课程教学也出现了难教难学的困境。具体表现为：一是面对课程抽象内容和繁杂公式，实践教学方法单一，学生学习兴趣低，自发学习电磁理论的内在动力不足，导致理论学习与实践应用脱节；二是教学内容陈旧，缺乏电磁工程应用领域的最新研究成果；三是实践教学中个性化的实验项目偏少，学生动手锻炼的机会不足，而且项目实践的时间偏短，不利于创新能力培养；四是电磁工程应用背景需求定位不准，软件虚拟仿真支撑偏弱，对于培养学生解决复杂工程问题所需的综合能力形成了限制。基于上述困难和问题，急需对现有的教材内容体系进行改革和转型，也是提高人才培养质量的迫切需要。

二  立体化教材的构建原则

（一）  坚持教材内容与岗位需求相一致

为了破解电磁类课程难教难学的困境，强化学生工程实践能力培养，课程配套的教材建设应着眼于理论和实践的有机融合，突出教材内容的有效性、科学性和前沿性，构建成为多层次的立体化的教材体系。在教材的内容和组织上，要注重逻辑体系和学生的认知规律，遵循“面向需求，源于岗位”的设计思路，按照电磁波从发射、传播、接收的流程，将各章节的内容有序组织起来，将教材内容模块体系化，实现教材内容的形象化，打通不同知识点的壁垒，建立多重学习通道和立体的学习空间。

（二）  堅持数字资源与教学目标相一致

随着多媒体信息技术的发展，数字资源日趋多样化。如微课、慕课、多媒体动画及三维虚拟仿真等，逐渐渗透到课程的教学中。现在的数字教学资源呈现了“乱花渐欲迷人眼”的现象，如何将这些数字资源与教材内容相契合，服务课程的教学目标成为教材建设的关键环节。此外，课程教学方法和手段日渐丰富，教学模式呈现多元化趋势[3]，传统的课堂教学、线上教学、验证性试验、开放试验和综合性试验层出不穷，各层次教学环节中的项目教学法、案例式教学、探究式教学等教学方法交叉运用，使得教材体系建设必须反映教学体系的多维度变化，也应不断更新完善，与时俱进地适应教学改革，立体化教材的深度构建也迫在眉睫。

（三）  坚持新工科建设与创新相一致

为了适应新工科专业建设，立体化教材应坚持继承与创新相一致的原则。过去出版教材的内容应有选择地继承和吸收，并对新教材进行创新。教材建设可以在四个维度展开：一是主干教材建设。主干教材的课程知识的载体，是学生学习不可或缺的工具。二是实验教材建设。实验教材是学生提升实践能力的重要手段，学生通过实验教材有步骤、有计划地实现理论与实际联系，推动学生动手能力的提升。三是课后学习指导书建设。教学指导书是主干教材的补充，对于学生课后消化学习的内容具有重要作用，在答疑解惑中具有不可替代的作用。四是课程的资源库建设。要充分发挥线上教学灵活多变的特点，通过线上资源库建设和推送，促进学生线上与线下教学优势互补。

（四）  坚持表现形式与技术手段发展相一致

在线上和线下混合式教学模式的普及下，许多学生已经习惯电子阅读和信息技术环境，传统单一的纸质教材，已经不能适应现在教学模式的需要，新的教学理念、方法和手段已经发生了很大变化。编写纸质教材，制作多媒体课件，利用各种网络教学平台，通过手机终端、PAD平板，通过扫描书中的二维码、微课和慕课，为学生带来极大方便。学生可以进行碎片化、移动化的学习。此外随着元宇宙技术的发展，VR、AR等技术的落地，虚拟现实技术将教材内容展示出来，将为学生带来新的体验，也让复杂的电磁理论、概念形象化，从而为学生营造一个积极的学习环境和立体化资源库，也为传统的纸质教材带来生机和活力。

三  立体化教材构建的方法与途径

教材建设应是继承与创新的统一。过去20多年来，课程教材建设取得了一系列的建设成果，上世纪80年代编写的教材《电磁场理论》，成为国内最为经典的教材，教材内容详略得当，电磁场问题分析透彻，论证严密。上世纪末到本世纪初，为适应学生多层次培养需要，相继出版了一系列教材，主要立足学员“宽口径”的岗位需要。近些年，教学团队在继承传统教材优点的基础上，对传统的教材内容进行优化融合，重新编写了主干教材，并配套教辅材料，建设线上媒体教学资源库等，初步形成了体系化的教材框架体系，先后自编出版电磁类教材三部，在清华大学出版社出版《电磁波与天线》教材一部。随着新工科通信工程专业建设的新要求，教材需要面向电磁技术领域前沿热点问题，引入电磁工程案例，体现科学性和前沿性，增强电磁领域的针对性和实效性，推动学生将理论知识转化为解决复杂电磁工程问题的能力。现有的教材体系建设虽然取得一定成效，仍然不能满足现今新工科发展的要求，还需在主干教材、学习指导书、实验教材和媒体资源库等方面加强建设和优化。

（一）  优化主干教材内容体系

主干教材是教材建设的核心。教材内容的组织结构、知识点、技术热点、实用性和针对性是教材编写优先考虑的重点，教材内容体系力求具备系统性、科学性、基础性和前瞻性[4]。优化的主干教材内容包括四大模块：电磁场理论基础、工程应用基础、天线技术应用及前沿技术，教材面向电磁工程领域前沿热点问题，具有如下特点：一是教材内容体系按照“强化基础理论，突出应用特色，加大信息含量，注重实践环节”的思路，由浅入深地系统设计教材的教学内容，突出学生电磁工程能力的培养，确保教材的系统性、科学性和基础性；二是精简静态电磁场的内容，突出时变电磁波的传播规律，强化天线技术应用和电波传播新知识，聚焦理论与实际相结合案例，确保教材的实用性和针对性；三是优化电磁工程基础内容，强化教材技术新热点、新知识和前沿技术的引入，突出新型传输线与元件、天线新技术等内容的介绍，确保教材的前瞻性；四是淡化电磁理论抽象概念及公式的推导，强调其物理意义和实际应用，注重理论联系实际，确保教材的可读性和受众面。

（二）  编写特色鲜明的教学指导书

配套教辅材料主要是指教学指导书和课后习题解答等，以辅助课堂教学，方便学生吸收消化课堂所学知识。当前的教辅材料主要内容包括各章节知识要点和典型例题，由于例题公式推导多，物理意义讲解少，学生对电磁工程问题往往无从下手，不能做到举一反三。为此，课程组对电磁类课程配套的教学指导书及习题解答着重从以下几个方面做了改进：一是内容进行梳理和提炼。按章节内容梳理重要知识点内容并讲解其物理意义，对难点内容进行提炼和分析，教学指导更有针对性，以便学生理解电磁工程应用中的问题；二是习题进行了分类和优化。针对各知识点内容，设置判断题、选择题、填空题、简答题及计算题等不同类型的题目，并区分出难、中、易三个层次，让不同层次的学生有针对性的训练；三是题目解答进行了步骤说明。为了便于学生尽快查找问题所在，课后习题配有详细的解题步骤和说明，以便学生加深对电磁工程理论的消化和吸收，也利于学生自主学习。

（三）  配套分层递进的实验指导书

实验对于提升学生的电磁工程问题的实践能力提高具有重要作用，也是理论联系实际的桥梁。传统的课程是课堂教学和实验分离，主干教材和实验指导书相互独立，在培养学生工程实践能力方面存在缺陷，主要表现在实验指导书中的实验目的、原理、方法、步骤过于繁杂，详略不够得当，学生容易产生畏难情绪；没有充分挖掘新设备和新仪表的功能，制约了教学效果；没有突出主干教材的核心知识内容，实践技能和数据处理方法过于老套，对学生后续的课程学习和实践应用提升不大。

在新編实验指导书时，针对教学中的重点内容，设置分层递进的15项实验项目，覆盖电磁波在发射、传播及接收功能，贯通整个知识体系，丰富学生的工程知识及实践应用储备。一是把基础实验内容放在首位，强调实验的基本操作和基本规范，让学生养成良好习惯；二是拓展实验项目内容，开始基础实验、设计性实验和综合性实验，开拓学生的视野，启发学生的思路；三是增加新技术和搭建电磁仿真平台，对电磁波的传播、天线的辐射和接收功能进行系统验证，强化学生对实验系统的感性认识和理性分析。

通过电磁类课程实验教材的编写，使得实验课程让学生在电磁波发射、传播和接收的基本原理、实验技能和性能分析上，得到系统的实践锻炼，既为学生的后续课程的学习奠定广泛坚实的基础，又提高了学生的动手能力，更为学生参加以后科学研究、技术应用提供实践动力，进一步激发了学生的学习兴趣和求知欲。

（四）  完善多维度媒体资源建设

随着网络技术的发展，传统课程教学模式发生较大转变，基于线上的混合式教学模式的运用[5]，改变了传统课堂教学模式，提供了更方便、快捷并富有个性化的交流途径和方法，对于改变学生的学习方式，提高课堂教学质量具有重要意义。电磁类课程传统纸质教材已经不能满足学生学习的需求，需要有丰富多维度的媒体资源作为纸质教材的补充。

1  多媒体课件

课堂现有的主要教学工具之一就是多媒体课件，不仅服务于教师授课，也可以服务于学生预习和复习，提高学生的学习效率。同时多媒体课件应实现图文并茂。电磁类课程教学内容抽象，公式较多，可以借助图形、图像、动画和声音等形象手段，充分发挥学生各个感觉器官的作用，多方位吸引学生注意力和兴趣，使学生在生动的环境中接受和掌握知识，有助于提高课堂教学效果和课堂学习效率。除此之外还可以采用电磁模拟仿真软件等，增强电磁辐射特性的直观效应。在实电磁场的基本方程及电磁波的传播特性章节内容中，为了让学生更易理解抽象内容，任课教师可采用HFSS和Matlab软件对多媒体课件内容进行了补充和完善，以便学生更易消化重难点知识内容。

2  课程教案

教案是教师教学的总体设计，是实施教学任务的具体方案和主要依据。教案必须要反映教师的教学思路、重难点知识、教学方法、教学体会等要素。课程组以主干教材为依据，对教案中的电磁场与天线内容进行合理分配，突出重点内容，分散难点内容，由浅入深，由简入繁讲解教学内容。尤其是在每次课堂教学后，在教案的最后增加了教师手写的心得体会，并对后面课程的教学进行重新设计和调整，提高课堂的教学效果。为了加强教师的教学能力和水平，在教案中增加了知识目标、能力目标和素质目标等环节要素，此外为了体现教学过程的有序衔接，教案也增加了教学方法和步骤等内容。

3  网上视频公开课

随着混合式教学模式的推广，线下和线上教学相结合，各种网络教学平台的应用，增加了教学的灵活性和便捷性。由于网上教学平台广泛使用，纸质教材向电子化的转换日趋明显。教学组依据主干教材内容，采用钉钉、腾讯会议、雨课堂等线上教学平台，录制视频公开课，详细讲解电磁场理论基础部分内容，定量分析了大量的典型问题，以补充线下课堂面对面教学的不足，丰富学生线上学习内容。此外，制作的视频公开课针对学生时间的差异，上传到网盘上，学生可以不定期地，利用网上视频资源，随时随地接入学习。由于典型问题分析视频公开课时间较长，按照两个学时录制一堂课，其内容讲解深入，解题步骤详细，充分满足了学生的学习需求，为学生自主学习提供便利条件。

4  微课

微课是指运用信息技术按照认知规律，呈现碎片化学习内容、过程及扩展素材的结构化数字资源。微课时间短，通常只有10分钟左右的时间，主要针对课程的重难点知识。在电磁类课程体系中，由于概念抽象，重难点知识多，理论性极强的特点，学生学习消化有困难，动力不足。将电磁类课程的重难点知识以微课的形式呈现给学生，充分体现微课的时间短、内容少、主体突出等优点。在电磁类课程的微课中，围绕电磁场理论基础、工程基础和天线应用三个模块，引入了磁电偶极子、5G天线及人工电磁结构天线等内容，充分落实“学生为中心、产出导向、持续改进”的工程教育理念，课程录制了近40次的微课，培养学生的电磁工程实践能力，提升学生分析天馈线系统工程问题的能力。

5  虚拟仿真程序

虚拟仿真程序在消化抽象概念和分析具体问题时具有独特作用。在主干教材之外，为课程配套虚拟仿真程序和源程序必不可少。电磁类课程内容抽象难懂，对于电场和磁场矢量在空间的变化，需要采用梯度、散度和旋度进行描述，编写虚拟仿真程序是解决这些抽象概念的有效措施。课程配套的虚拟仿真程序可以采用Matlab、HFSS及ADS软件等，其中Matlab在描述数学模型具有独特作用，可以通过Matlab编写的源程序形象展示具有完整解析式的抽象概念问题；而用HFSS软件可以采用有限元方法分析电磁工程问题的三维空间模型，给出具体电磁辐射体的三维方向图、增益等内容；采用ADS软件可以从电路理论的角度分析射频电路，减轻了理论设计的难度。此外，在虚拟仿真的基础上，搭建小型化电磁场演示仪，以实物形态演示虚拟仿真的结果，让“抽象难懂”的理论问题变得具体化和形象化，有效推动学生理解和掌握电磁波从发射、传播到接收的全系统的知识，提高了在电磁工程方面的实践创新能力。

四  结束语

在新工科背景下，电磁类课程立体化教材建设是一个长期过程，教材体系的各部分内容相辅相成、互为补充，构成一个整体，成为教师与学生紧密联系的“桥梁”。教材体系的改革目标不仅使学生掌握牢固的理论知识，更重要的是提高学生工程应用能力，随着信息技术的发展，立体化教材也将呈现出形式多样的特征，电磁工程的工程应用能力培养也将更容易被学生接受。

参考文獻：

[1] 赵蕾，李东斌.新时代新方向：高等教育改革召唤下的教材建设发展与创新[J].教育教学论坛，2019（3）：1-2.

[2] 李冉，刘佳.凝聚“教材强国”建设的强大合力——新时代教材建设体制机制的历程、结构与展望[J].课程教材教法，2020，40（4）：53-59.

[3] 陈朝晖，王达诠，陈名弟，等.基于知识构建与交互学习的混合式教学模式研究与实践[J].中国大学教学，2018（8）：33-37.

[4] 曲长文，李炳荣，张韫，等.信号检测与估计课程立体化教材建设[J].中国现代教育装备，2019（15）：61-62，65.

[5] 刘璇，李庆军，张莉君，等.转型及专业认证背景下制造课程群实践教学与教材建设改革[J].教育现代化，2019（3）：199-121.