基于OBE的电磁场课程教学改革与实践
时间：2023-01-26 19:25:04 来源：天一资源网 本文已影响 人 
王 鹏 范 懿 马愈昭 牛勇钢 曹芸茜
(中国民航大学 电子信息与自动化学院， 天津 300300)
OBE教育模式是成果导向教育，该模式提出以学生学习成果为导向的教育理念，以学生为中心，在教学过程中的一切教学设计和教学实施都以学生的学习成果为评价标准，保证教学活动帮助学生实现预期的学习成果，不断改进教学设计，提升教学效果[1]。“电磁场与电磁波”是我校电子信息与自动化学院通信工程专业一门重要的核心专业基础课程[2-3]，课程具有概念抽象、推导繁琐、公式复杂的特点，课程对学生的抽象思维能力、理论推导能力、基础理论掌握能力均有较高要求，因而学生在实际学习过程中感觉该门课程难度极高[4-6]。
基于OBE教育模式，结合线上教学新需求及课程自身特点，传统教学内容在教学实施过程中将出现新问题。由于传统教学内容偏重理论教学，按顺序自上至下进行理论推导，将推导得到的结论公式强加给学生，无法满足线上教学的新需求，需要结合具体问题对传统教学内容进行重新设计。
1.1 存在问题
“电磁场与电磁波”课程是一门概念抽象且理论性强的难学课程，在疫情背景下的线上课程教学过程中，课程教师需要针对现有条件对教学内容进行重新设计，优化教学过程，深化学生在网络学习环境下对电磁规律的理解，培养学生正确的思维方式，帮助学生掌握必要的专业基础知识，提升学生解决工程问题的能力。教学内容问题分析框图如图1所示。
由于课程特点、学生特点、教学特点三方面的因素，学生在学习过程中存在若干现实问题阻碍学生对知识的理解与掌握。问题1：本门课程概念抽象，学生抽象思维能力较为欠缺，传统教学方式偏重理论教学，导致学生在理论学习过程中缺乏应用背景，对于抽象的电磁问题无法理解；
问题2：本门课程推导繁琐，学生理论推导能力较为薄弱，传统教学方式按自上至下顺序进行理论推导，导致学生在学习过程中难以理清推导思路，推导过程枯燥乏味；
问题3：本门课程公式复杂，学生基础理论知识不够扎实，传统教学方式将理论推导得到的公式结论强加给学生，导致学生在学习过程中难以理解数学公式表达的物理意义，对学习电磁知识缺乏兴趣。
图1 教学内容问题分析框图
1.2 解决方案
基于目前教学现状，结合线上学习特点，对课程教学内容进行重新设计。
1)知识层面
问题1解决方案：针对问题1的特点，课程教师采用知识联系历史、演示教学、讲清实际应用等方法解决存在的问题。
(1)知识联系历史：课程教师梳理出电磁发展历程中做出突出贡献的科学家事迹，使学生从电磁发展史中可以感受到一个成熟应用的工程技术是通过众多科学家们经历很长时间的科学研究成果积累得来的，讲到这里可以融合“思政教育”，告诉学生要有做研究的耐心和决心。在讲解每个重要知识点时，通过“情景创设”方式，给学生介绍清楚该理论提出者处于电磁发展史中的哪个阶段，该理论是基于哪些历史人物提出的理论为基础，为了解决什么问题而提出的，使学生明确该理论提出的背景和目的，在学习过程中更有历史代入感和使命感。
(2)演示教学：课程围绕电磁场与电磁波的特点展开教学，由于课程涉及的研究对象看不见、摸不着，导致学生很难想象所学内容是什么样子的，又有什么样的特征。通过引入演示教学方法，将看不到的电磁场与电磁波进行虚拟仿真并做可视化显示，使抽象的内容形象化、具体化，帮助学生进一步理解所学内容。
(3)讲清实际应用：课程中涉及的理论不是凭空设置，每一个理论的提出都是在当时的历史时代基于新发现或是解决已有理论存在的问题而提出，每一个理论都有实际的工程应用。课程教师在讲授抽象理论时，讲清楚每个理论在实际生活中的具体应用，有利于学生对抽象的理论建立应用背景，更利于学生对抽象内容的理解，加深学生对知识是可用到实际生活的感受，改变学生固有的学习无用的错误观念，使“抽象难懂”变得“通俗易懂”。
问题2解决方案：针对问题2的特点，课程教师采用简化推导环节、优化推导讲授方式、讲清推导思路等方法解决存在的问题。
(1)简化推导环节：传统教学内容设置了大量的理论推导，推导过程繁琐复杂，课程的本意是通过理论推导得出新的结论，应用在实际生活中解决工程问题，但是传统教学内容中推导公式占据了绝大部分时间，讲解实际应用时已经临近下课，留给讲授工程应用的时间很少或者直接没有设置相应内容，教学内容中推导与应用的详略不当导致对学生帮助较大的实际应用没有掌握，枯燥乏味的理论推导反而增加学生的厌学情绪。针对这一问题，课程教师简化推导环节的讲授，只对课程要求的重要理论推导进行详细讲解，其他推导内容要求学有余力的学生对照课件进行自学，有不明白的地方进行课下答疑，把讲解理论推导的时间节省下来用于更多的讲解理论的物理意义及实际应用，既可提高学生的学习兴趣，又可加深学生对具体问题的理解。
(2)优化推导讲授方式：传统教学内容按照顺序自上至下进行理论推导，推导过程条理不清晰，在推导过程中学生只知道“是什么”，不知道“为什么”，导致学生无法理解为什么以讲解的方式进行推导。针对这一问题，课程教师对传统的自上至下的推导方式进行重新设计，以思维流图的方式进行推导过程的展现，理论依据、推导过程、推导结论均以不同的线条及色块进行呈现，使学生从视觉上快速理清推导思路，掌握重要理论的推导过程。
(3)讲清推导思路：传统教学内容更多的重视推导过程中具体步骤的详细阐述，忽视对推导过程中蕴含的解决问题的方法讲授，导致学生只学习了针对某一个理论的推导过程，无法有效训练学生掌握解决问题的方法与能力。针对这一问题，课程教师梳理出推导过程中蕴含的解决问题的一般方法，即针对某一问题或现象用数学语言对其进行描述，建立数学模型，然后利用数学工具对这一数学模型进行推导，最后得到结论供实际使用，解决工程问题。学生学习新的理论推导时，都会进一步体会解决问题的一般方法，从而帮助学生理清解决问题的思路，培养解决实际问题的能力，使“枯燥乏味”变得“丰富有趣”。
问题3解决方案：针对问题3的特点，课程教师采用设置问题递进引导、对比教学、讲清物理意义等方法解决存在的问题。
(1)设置问题递进引导：在传统教学内容中对每一个新出现的物理量直接讲授其名称及公式组成，缺乏引入该物理量的背景介绍，使得学生在学习过程中印象不深刻，理解不深入。针对这一问题，课程教师在讲解某一个理论知识之前，首先采用设置问题的方法，引起学生的注意和思考，然后再讲授新出现物理量的名称及公式组成，使学生深刻的体会到每一个新物理量的提出都是为了解决实际问题而产生的，加深对物理量复杂公式的理解。
(2)对比教学：课程理论公式复杂，不同知识点之间理论公式较为相似且极易混淆。针对这一问题，课程教师采用比较学习的方法，将相近相似内容放在一页课件里进行比较讲解，相似点及不同点一目了然，易于加深及强化学生对易混淆复杂公式的理解与掌握。
(3)讲清物理意义：课程学习内容过于抽象，学生难以理解数学公式表达什么含义，对于深入理解理论内容造成很大困难，学生学习缺乏兴趣。针对这一问题，课程教师在讲授理论公式时，突出强调理论公式的实际物理意义，将复杂数学公式描述的物理含义进行形象表述，使“缺乏兴趣”变得“饶有兴趣”。
2)情感层面
传统教学内容偏重理论教学，按顺序自上至下进行理论推导，推导得到结论强加给学生，使学生在整个学习过程中不知道“为什么学”，也不知道“怎么学”，更不知道“怎么用”，造成学生学习没目标，没兴趣，没动力。课程教师除了从知识层面解决存在的问题，还应从情感层面设身处地为学生考虑，基于学习者角度进一步设计课程内容，弥补知识层面无法解决的问题，采用说清楚为什么学习、设置差异化课程要求、精心设计教学课件、整理已学基础知识、记住学生姓名、幽默贯穿教学过程等方法进一步解决存在的问题。
(1)说清楚为什么学习：学生大都会有这样的疑问：目前电磁学理论已经广泛应用，学生学习这些理论知识还有什么用，同时学生的固有印象认为学习的理论知识只是为了获取学分，除此之外没有其他用处。为了让学生心甘情愿的认真学习，需要结合“思政教育”向学生说清楚为什么学习。一方面，虽然目前电磁学理论已经广泛应用，但是目前的应用技术还需不断完善，还有很多需要改进或是革新的空间，需要学生掌握电磁学知识，为解决实际应用问题打好理论基础；
另一方面，课程中每节内容学习的新公式新方法不是为了学而学，而是为了解决某一个存在的实际问题而设置的，同时在理论推导过程中蕴含着分析处理问题的一般方法，在学习理论知识的同时，培养和提升学生分析处理实际问题的能力。因此课程教师在讲授内容前，说清楚每节内容学习的原因或是学习的必要性，使学生目标明确，充分调动学生的学习积极性与主动性。
(2)设置差异化课程要求：学生由于入学成绩、认知习惯、学习能力的差异，不同学生在相同学习时间内对同一问题的理解程度是不同的，传统教学内容为了保障大多数学生的学习效果，将教学要求设置为中等水平，导致学习基础较差的学生“吃不上”，学习基础较好的学生“吃不饱”，不利于所有学生都能提升自身的原有水平。针对这一问题，课程教师设置差异化的课程要求，满足不同基础水平学生的学习需求。教师将课程要求划分为三个层次：第一个层次是需要掌握课程的所有重要知识点，这是学习基础较差的学生需要满足的底线要求；
第二个层次是需要掌握解决问题的一般思路与方法，这是学习基础处于中等水平的学生需要满足的要求；
第三个层次是需要掌握非核心理论知识的推导过程，这是学习基础较好的学生可以选择满足的要求。不同基础水平的学生可以根据自身的实际情况选择适合自己的课程要求，使学生在学习过程中都能获得不同程度上的知识与能力的提升。
(3)精心设计教学课件：学生在学习过程中无法保障全部时间都能精神集中的看课件听讲解，传统教学内容中课件呈现方式较为普通，从视觉上无法使学生产生深刻印象。针对这一问题，课程教师精心设计教学课件，字体、字号、行间距规范统一，对不同内容设置不同线条及色块，色彩鲜明不花哨，图文并茂，画面简洁明了，体现专业性，尽量引起学生看课件的兴趣，使学生体会到教师的良苦用心，督促自身努力学习。
(4)整理已学基础知识：学生由于对已学习的基础知识掌握不牢，导致推导公式时无法顺利完成所有的推导步骤，让本已枯燥的推导过程又增添了难度，使学生丧失学习兴趣。针对这一问题，教师总结课程需要用到的已学公式供学生查询使用，使学生可以快速查找并继续完成推导过程，不仅可以帮助学生回忆已学习过的基础知识，还可以提升学生学习的自信心，使学生愿意跟着老师的节奏继续学习，顺利完成学习过程。
(5)记住学生姓名：学生的学习情况各有不同，为了更好的掌握每名学生平时的学习状态，教师需记住学生的姓名，将学生姓名与学生平时表现建立关联，使教师能有针对性的对学习有困难的学生进行更多的关注，不放弃每一名学生，使每名学生都能在学习过程中有所收获。
(6)幽默贯穿教学过程：课程教师利用幽默语言贯穿教学过程可进一步有效推动教学进程的顺利开展。一方面，学生在学习过程中总会有违反课堂纪律的情况，如果直接指出学生的不当行为会使学生感到心里不舒服，更不利于让学生停止不当行为，教师可利用幽默的语言以开玩笑的方式善意提醒学生的不当行为，既可以调节学习气氛，又可以使学生在保留面子的情况下停止此刻的不当行为，维护正常的教学进程及上课秩序；
另一方面，在授课过程中结合幽默语言，可使学习过程轻松有趣，重难点内容印象深刻，充分调动学生学习的主动性与积极性，激发学生的学习兴趣，进一步推动教学进程有序开展。
综上，分别以知识层面与情感层面作为切入点，通过优化教学内容调动学生学习的积极性与主动性，提升学生学习效果，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。教学内容改革措施框图如图2所示。
经过教学实施与应用，对授课学生进行了问卷调查，有88.29%的学生可从课程中了解一些电磁学的基本理论，有78.36%的学生可从课程中了解一些理论的物理意义，有64.86%的学生可从课程中了解一些理论的一般推导方法，有59.46%的学生可从课程中了解一些理论的实际应用，有47.75%的学生通过学习培养了发现问题、分析问题、解决问题的意识。通过调查问卷结果表明，本学期的教学改革取得了不错的教学效果。学生学习收获调查结果如图3所示。
图2 教学内容改革措施框图
图3 学生学习收获调查结果图
在教学内容知识层面改革方面，针对哪些因素对于理解课程内容起到积极作用的问题，有61.26%的学生认为教学内容讲清思路方法很重要，有55.86%的学生认为教学内容简化推导环节很重要，有50.45%的学生认为教学内容包含视频及仿真演示很重要，有46.85%的学生认为教学内容将易混复杂公式进行对比学习很重要，有39.64%的学生认为教学内容讲清物理意义很重要，有37.84%的学生认为教学内容将知识与历史联系很重要，有36.94%的学生认为教学内容优化推导讲授方式很重要，有28.83%的学生认为教学内容设置问题递进引导很重要，有23.42%的学生认为教学内容讲清实际工程应用很重要。知识层面改革调查结果如图4所示。
图4 教学内容知识层面改革效果调查结果
在教学内容情感层面改革方面，针对哪些因素对于促进学习起到积极作用的问题，有68.47%的学生认为整理已学基础知识很重要，有57.66%的学生认为精心设计教学课件很重要，有40.54%的学生认为说清楚为什么学习很重要，有40.54%的学生认为学习氛围轻松幽默很重要，有37.84%的学生认为设置差异课程要求很重要，有9.01%的学生认为被教师记住姓名很重要，教学内容情感层面改革效果调查结果如图5所示。
调查数据表明学生认为通过知识层面及情感层面采取的改进措施在不同程度上对学习过程起到促进作用，能够有效深化学生在网络学习环境下对电磁规律的理解，培养学生正确的思维方式，帮助学生掌握必要的专业基础知识，提升学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
课程教师在充分调研课程特点、学生特点、教学特点基础上，总结出传统教学内容在教学过程中存在的问题，课程教师分别以知识层面与情感层面作为切入点优化教学内容，调动学生学习的积极性与主动性，提升学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
图5 教学内容情感层面改革效果调查结果
基于OBE教育模式，以学生为中心，在教学过程中的一切教学设计和教学实施都以学生的学习成果为评价标准，对教学内容进行针对性的设计，解决传统教学方式在教学实施过程中不适用的问题。问卷结果表明教学改革对于提升学生学习效果，激发教与学的活力效果显著。
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