電磁場與電磁波課程教學方法論文
電磁場與電磁波課程教學方法論文
摘要：電磁場與電磁波是一門難度較大的重要專業基礎課。在教學過程中，可以根據學科特點，綜合利用各種教學資源，充分調動學生學習興趣，提高學生對知識的深入理解，以達到更好的教學效果。
關鍵詞：電磁場與電磁波;教學方法;學習興趣
根據光電資訊科學與工程專業的培養要求，電磁場與電磁波[1-2]課程是該專業的基礎必修課。該課程要求學生掌握電磁場的有關定理、定律、麥克斯韋方程等的物理意義及數學內涵，並用所學的知識理解電磁場與電磁波的相關規律，培養學生正確的思維方式和分析問題的能力，為後續課程打下堅實的理論基礎。該課程課時少，任務重，概念抽象，數學推導繁瑣，是一門難教、難學的課程。然而學生在瀏覽課本目錄時往往覺得知識點很熟悉而掉以輕心，導致在學習的過程中出現看似簡單卻無從下手的窘境。該課程需要較好的高等數學及大學物理知識，又是後續課程如應用光學、光電資訊物理基礎、物理光學、鐳射原理與技術、光電子學、資訊光學等課程的重要理論基礎，是一門承上啟下的關鍵課程。因此如何把握課堂教學，使學生在課堂上對知識體系建立深刻而又良好的印象，最大限度地激發學生的學習興趣，培養學生的學習能力至關重要。本文從以下幾方面著手以提高學生學習積極性。
一、對比已經學過的知識，掌握新內容的核心要點
電磁場與電磁波教學內容豐富而抽象，是大學物理部分電磁學內容的昇華，並且使用高等數學工具多，方法靈活。學生在初學時往往停留在舊的認識處理水平而不能深入理解。因此在教學過程中需借鑑已經學過的知識，進行對比分析，找出異同，重點突破，才能提高效率。例如向量分析部分，有的同學就誤以為只是高中的向量運算和高數中的多重積分相關知識。教學時可以透過對比找出該課程中的新知識，溫習舊知識，拓展新內容，重點深入理解剖析、加強物理內涵知識的練習。電磁場部分也是深入學習的重點，透過對比高中物理、大學物理和本課程中對同一定律研究手段的深入可以發現，從結合微積分手段到充分利用向量分析，可以解決的問題更加豐富全面，要求也更高。學習中也可以對電場和磁場部分進行對比分析學習[3]，既能方便地記憶眾多基本公式，又能體會科學理論中的對稱美，激發學習興趣。由於學生已有一定的大學物理基礎，教師可以在講授新知識時對比回顧已學內容，加深學生對相應知識的理解深度，也讓學生明白該課程的學習要求。如在學習導體的靜電感應現象、電介質的電極化過程、磁介質的磁極化過程中可以發現，對比學習可以幫助學生更好地理解各個過程進而對相應的類似公式有了深入理解，也就不易記錯內容。學習中新舊知識相結合，溫故知新，舉一反三，既能降低學習入門難度，還可以明確課程核心內容，避免學生產生自己全會的錯覺。此外還可以充分利用已經學習過的其他知識來深入理解探討學習中的疑問。例如學生在大學物理中重點學習了動生電動勢，然而在麥克斯韋方程的推導過程中卻只考慮了感生電動勢因素。如果學生的疑問得不到解惑可能會讓他失去對科學嚴謹性的信任。然而關於麥克斯韋方程組的相對論變換內容不在該課程的教學大綱中，可以誘導學生利用學習過的狹義相對論知識進行探索，甚至可以嘗試推導低速情況下的近似表示式，這樣即使不能完全理解也能消除心中疑惑，又加深了對已學知識的認識，激發了對科學的興趣。
二、綜合運用各種多媒體、網際網路資源，豐富教學手段
電磁場與電磁波內容抽象、公式繁多，通常我們運用多種現代多媒體資源組成的幻燈片進行教學，既可以使課堂形象生動又能節約時間提高教學效率。在教學中，我們發現多媒體資源在喚起學生的關注度方面，文字的不如圖片的，黑白的不如彩色的，靜態的不如動態的，無聲的不如有聲的，嚴肅的不如詼諧的。我們可以選用多種相關的軟體繪製生動的演示檔案，例如使用數學軟體Matlab、Mathematica等繪製場的傳播曲線，使用VB等軟體編寫視覺化、可調的程式，可使諸如不同偏振與傳播方向之間的特點等抽象的內容清晰明瞭。如今資訊傳播方便快捷的時代，想要課堂教學的精彩度超過學生手中手機遊戲的吸引力，光靠教師一個人的力量是不夠的，可以充分利用網際網路上其他教師分享的教學課件等資源。網路上存在的一些有關知識的flash動畫、gif動圖等言簡意賅、詼諧生動，可降低學生對該課程枯燥乏味的感受。強大便捷的移動網際網路也可以加強師生互動，及時瞭解學生的學習情況。多數學生比較羞澀不敢積極回答課堂提問，可以鼓勵學生在學習交流QQ群內匿名探討學習，以便形成良好的學習交流氣氛。還可積極鼓勵學生對心中疑問進行及時網路搜尋解疑，當形成良好的學習習慣後就會把手機作為可以解決疑問的工具，降低手機遊戲的誘惑。學習中的疑問及時解答則提高學習興趣，越積越多則產生厭學心理，網路化的及時溝通可以非常快速地解決這一難題。此外，教學過程中不能忽視傳統板書現場書寫的重要作用，尤其是教師熟練的公式推導過程不僅不會使學生對公式感到厭煩，還可深入地認識理清公式推導過程中的細節，加深對相應知識的理解。
三、緊密結合現實生活，與高科技接軌，調動學習興趣
電磁場與電磁波課程與我們日常生活的諸多方面息息相關，眾多高科技應用均涉及相關理論。講課的時候，可以從現實生活的角度出發，挑選生活中、新聞裡大家普遍關注的科技背景，以激發學生學習熱情。例如在講解導體對電磁波的反射問題時，可以結合日常生活中大家熟悉的手機訊號遮蔽問題，透過演示或者佈置任務的方式讓學生體會在不同大小孔洞的金屬罩下手機訊號的遮蔽情況，進而引導學生根據所學知識進行思考，體會2G、4G模式下不同波長電磁波的傳播特性。在學習菲涅耳公式時，淺析隱形轟炸機的原理，讓學生感受知識的重要應用價值，也可引起軍迷愛好者的共鳴。又如在講解電磁場的能量這一抽象概念時，利用微波爐的生活常識可以降低對這一概念的陌生感;在學習電磁波全反射知識時，結合光纖的工作原理進行討論，可達到學以致用的效果，並能體會使用相關儀器時的注意事項。總之，教學時要緊密結合現實生活，與熱點科技應用接軌，培養學生好學、創新和解決實際問題的能力。
四、加強實際演示觀摩學習，培養學生動手操作能力
在教學過程中，單純的口述講解不足以充分調動學生的學習熱情。電磁場與電磁波課程也是理論分析與實驗現象緊密結合的課程，實驗現象的演示觀摩有助於學生對相關理論的深刻理解。然而出於總體培養方案的要求，光電資訊科學與工程專業側重於光電資訊方面課程的學習，沒有足夠的時間再開設與本課程直接相關的實驗內容。雖然其他光電類實驗都或多或少地使用到本課程的相關內容，但是課時有一定滯後，對本課程的提升有限。例如在學習電磁波波包概念時，雖然可以使用多媒體課件進行演示，但是學生總感覺是數學模擬，體會不夠深刻。我們可以引用學生在大學物理實驗課程中都學習過的示波器，在課堂上直接演示兩個不同頻率的交流訊號經過示波器的疊加顯示結果，這樣透過使用熟悉的儀器展示波的疊加、波包的傳播特性等概念，可使學生得到真實深刻的`體會。在引入新知識時，還可以利用一些饒有樂趣的現象激發學生探索慾望。如在講解電磁波的知識時，我們知道電磁波波段是很寬泛的，而我們日常生活中的220V交流電也是一種50Hz的低頻電磁波，可以使用示波器調節同步觸發訊號來進行探索。操作中我們會發現該微弱訊號在用人體充當天線功能後瞬間放大，這些有趣現象的直觀感受將刺激學生的求知慾。在實驗過程中可以嘗試用不同的方法除錯各種情況，將抽象的理論轉化為切身感受，從而達到較好的教學效果。此外還可以利用所學的知識分析以前實驗中未深入理解的部分。還是熟悉的示波器，在觀測李薩茹影象時，好多同學好奇為什麼影象經常處於動態變化狀態。利用學習到的波的疊加知識可以知道，我們可以把兩疊加波頻率差與時間因子的乘積作為整體相位差的一部分，即總的相位差在慢變，那麼李薩茹影象也會隨之同步變化，變化越慢也就意味著二者頻率越接近。課堂上選用一些學生熟悉的儀器演示一些小知識，雖然不能做到每個學生都親自操作學習，但也能達到活學活用、印象深刻的效果，也可以鼓勵感興趣的學生提出自己的新認識或者對其他疑問進行操作驗證，提高學習樂趣。
五、提高作業學習質量，從練習中鞏固引申知識點
由於題海戰術等不良方法的長期薰陶，很多學生對課本內容、課堂知識講解的重視度不足，而將例題、作業題當作應付考試的法寶。這樣主次顛倒的做法不利於學生對知識的真正掌握。我們可以做出主動改變，讓講義與習題融為一體來提高學生的重視度。課堂知識點的講解、證明等過程可以設定調整為例題的形式，並暗示學生可能為考題，或者要求學生將知識點自設題目進行考察複習;而對於習題的選取可以採用具有明確物理內涵、帶有一定知識結論的習題，在理解中思考探索與鞏固知識，練習中獲得新知識。例如在練習電磁場波動方程知識時，引入熟悉的縱波概念，可以在練習中加深對縱波不滿足波動方程知識的理解。又如在計算電磁波群速度的習題中可明確告知所練習的表示式是諸如駐波、波導等實際情況，得出的結論也即收穫的知識點。講解習題時告誡學生考題可能會對練習題目進行變動而非原題，要求學生一定要熟讀課本，理解知識，不能存在靠背答案過關的僥倖心理。此外，可以安排學生結合自己的愛好及所長查閱資料，對某一感興趣的問題進行研究，拓展知識涵蓋面，寫出自己的思考與收穫，作為平時考核成績的一部分。課堂教學不僅是傳授知識的主要方式，更是師生思想與情感的交流平臺。只有秉持理論聯絡實際，學以致用的教學理念，循循善誘激發學生興趣，才能讓學生掌握相關基礎理論、專業知識和基本技能，進而靈活應用現代資訊科技，獲得分析和解決複雜工程問題的能力。
參考文獻：
[1]謝處方，饒克謹.電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2]郭輝萍，劉學觀.電磁場與電磁波[M].西安：西安電子科技大學出版社，2016.
[3]郭業才.通訊工程專業《電磁場與電磁波》教學實踐[J].科技情報開發與經濟，2006(6)：247-248.