電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)方法論文
摘要：電磁場(chǎng)與電磁波是一門(mén)難度較大的重要專(zhuān)業(yè)基礎課。在教學(xué)過(guò)程中，可以根據學(xué)科特點(diǎn)，綜合利用各種教學(xué)資源，充分調動(dòng)學(xué)生學(xué)習興趣，提高學(xué)生對知識的深入理解，以達到更好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：電磁場(chǎng)與電磁波;教學(xué)方法;學(xué)習興趣
根據光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的培養要求，電磁場(chǎng)與電磁波[1-2]課程是該專(zhuān)業(yè)的基礎必修課。該課程要求學(xué)生掌握電磁場(chǎng)的有關(guān)定理、定律、麥克斯韋方程等的物理意義及數學(xué)內涵，并用所學(xué)的知識理解電磁場(chǎng)與電磁波的相關(guān)規律，培養學(xué)生正確的思維方式和分析問(wèn)題的能力，為后續課程打下堅實(shí)的理論基礎。該課程課時(shí)少，任務(wù)重，概念抽象，數學(xué)推導繁瑣，是一門(mén)難教、難學(xué)的課程。然而學(xué)生在瀏覽課本目錄時(shí)往往覺(jué)得知識點(diǎn)很熟悉而掉以輕心，導致在學(xué)習的過(guò)程中出現看似簡(jiǎn)單卻無(wú)從下手的窘境。該課程需要較好的高等數學(xué)及大學(xué)物理知識，又是后續課程如應用光學(xué)、光電信息物理基礎、物理光學(xué)、激光原理與技術(shù)、光電子學(xué)、信息光學(xué)等課程的重要理論基礎，是一門(mén)承上啟下的關(guān)鍵課程。因此如何把握課堂教學(xué)，使學(xué)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(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，培養學(xué)生的學(xué)習能力至關(guān)重要。本文從以下幾方面著(zhù)手以提高學(xué)生學(xué)習積極性。
一、對比已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識，掌握新內容的核心要點(diǎn)
電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)內容豐富而抽象，是大學(xué)物理部分電磁學(xué)內容的升華，并且使用高等數學(xué)工具多，方法靈活。學(xué)生在初學(xué)時(shí)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(xué)過(guò)程中需借鑒已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識，進(jìn)行對比分析，找出異同，重點(diǎn)突破，才能提高效率。例如矢量分析部分，有的同學(xué)就誤以為只是高中的向量運算和高數中的多重積分相關(guān)知識。教學(xué)時(shí)可以通過(guò)對比找出該課程中的新知識，溫習舊知識，拓展新內容，重點(diǎn)深入理解剖析、加強物理內涵知識的練習。電磁場(chǎng)部分也是深入學(xué)習的重點(diǎn)，通過(guò)對比高中物理、大學(xué)物理和本課程中對同一定律研究手段的深入可以發(fā)現，從結合微積分手段到充分利用矢量分析，可以解決的問(wèn)題更加豐富全面，要求也更高。學(xué)習中也可以對電場(chǎng)和磁場(chǎng)部分進(jìn)行對比分析學(xué)習[3]，既能方便地記憶眾多基本公式，又能體會(huì )科學(xué)理論中的對稱(chēng)美，激發(fā)學(xué)習興趣。由于學(xué)生已有一定的大學(xué)物理基礎，教師可以在講授新知識時(shí)對比回顧已學(xué)內容，加深學(xué)生對相應知識的理解深度，也讓學(xué)生明白該課程的學(xué)習要求。如在學(xué)習導體的靜電感應現象、電介質(zhì)的電極化過(guò)程、磁介質(zhì)的磁極化過(guò)程中可以發(fā)現，對比學(xué)習可以幫助學(xué)生更好地理解各個(gè)過(guò)程進(jìn)而對相應的類(lèi)似公式有了深入理解，也就不易記錯內容。學(xué)習中新舊知識相結合，溫故知新，舉一反三，既能降低學(xué)習入門(mén)難度，還可以明確課程核心內容，避免學(xué)生產(chǎn)生自己全會(huì )的錯覺(jué)。此外還可以充分利用已經(jīng)學(xué)習過(guò)的其他知識來(lái)深入理解探討學(xué)習中的疑問(wèn)。例如學(xué)生在大學(xué)物理中重點(diǎn)學(xué)習了動(dòng)生電動(dòng)勢，然而在麥克斯韋方程的推導過(guò)程中卻只考慮了感生電動(dòng)勢因素。如果學(xué)生的疑問(wèn)得不到解惑可能會(huì )讓他失去對科學(xué)嚴謹性的信任。然而關(guān)于麥克斯韋方程組的相對論變換內容不在該課程的教學(xué)大綱中，可以誘導學(xué)生利用學(xué)習過(guò)的狹義相對論知識進(jìn)行探索，甚至可以嘗試推導低速情況下的近似表達式，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(xué)知識的認識，激發(fā)了對科學(xué)的興趣。
二、綜合運用各種多媒體、互聯(lián)網(wǎng)資源，豐富教學(xué)手段
電磁場(chǎng)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(jìn)行教學(xué)，既可以使課堂形象生動(dòng)又能節約時(shí)間提高教學(xué)效率。在教學(xué)中，我們發(fā)現多媒體資源在喚起學(xué)生的關(guān)注度方面，文字的不如圖片的，黑白的不如彩色的，靜態(tài)的不如動(dòng)態(tài)的，無(wú)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(guān)的軟件繪制生動(dòng)的演示文件，例如使用數學(xué)軟件Matlab、Mathematica等繪制場(chǎng)的傳播曲線(xiàn)，使用VB等軟件編寫(xiě)可視化、可調的程序，可使諸如不同偏振與傳播方向之間的特點(diǎn)等抽象的內容清晰明了。如今信息傳播方便快捷的時(shí)代，想要課堂教學(xué)的精彩度超過(guò)學(xué)生手中手機游戲的吸引力，光靠教師一個(gè)人的力量是不夠的，可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)上其他教師分享的教學(xué)課件等資源。網(wǎng)絡(luò )上存在的一些有關(guān)知識的flash動(dòng)畫(huà)、gif動(dòng)圖等言簡(jiǎn)意賅、詼諧生動(dòng)，可降低學(xué)生對該課程枯燥乏味的感受。強大便捷的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)也可以加強師生互動(dòng)，及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習情況。多數學(xué)生比較羞澀不敢積極回答課堂提問(wèn)，可以鼓勵學(xué)生在學(xué)習交流QQ群內匿名探討學(xué)習，以便形成良好的學(xué)習交流氣氛。還可積極鼓勵學(xué)生對心中疑問(wèn)進(jìn)行及時(shí)網(wǎng)絡(luò )搜索解疑，當形成良好的學(xué)習習慣后就會(huì )把手機作為可以解決疑問(wèn)的工具，降低手機游戲的誘惑。學(xué)習中的疑問(wèn)及時(shí)解答則提高學(xué)習興趣，越積越多則產(chǎn)生厭學(xué)心理，網(wǎng)絡(luò )化的及時(shí)溝通可以非�？焖俚亟鉀Q這一難題。此外，教學(xué)過(guò)程中不能忽視傳統板書(shū)現場(chǎng)書(shū)寫(xiě)的重要作用，尤其是教師熟練的公式推導過(guò)程不僅不會(huì )使學(xué)生對公式感到厭煩，還可深入地認識理清公式推導過(guò)程中的細節，加深對相應知識的理解。
三、緊密結合現實(shí)生活，與高科技接軌，調動(dòng)學(xué)習興趣
電磁場(chǎng)與電磁波課程與我們日常生活的諸多方面息息相關(guān)，眾多高科技應用均涉及相關(guān)理論。講課的時(shí)候，可以從現實(shí)生活的角度出發(fā)，挑選生活中、新聞里大家普遍關(guān)注的科技背景，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習熱情。例如在講解導體對電磁波的反射問(wèn)題時(shí)，可以結合日常生活中大家熟悉的手機信號屏蔽問(wèn)題，通過(guò)演示或者布置任務(wù)的方式讓學(xué)生體會(huì )在不同大小孔洞的金屬罩下手機信號的屏蔽情況，進(jìn)而引導學(xué)生根據所學(xué)知識進(jìn)行思考，體會(huì )2G、4G模式下不同波長(cháng)電磁波的傳播特性。在學(xué)習菲涅耳公式時(shí)，淺析隱形轟炸機的原理，讓學(xué)生感受知識的重要應用價(jià)值，也可引起軍迷愛(ài)好者的共鳴。又如在講解電磁場(chǎng)的能量這一抽象概念時(shí)，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(xué)習電磁波全反射知識時(shí)，結合光纖的工作原理進(jìn)行討論，可達到學(xué)以致用的效果，并能體會(huì )使用相關(guān)儀器時(shí)的注意事項�？傊�，教學(xué)時(shí)要緊密結合現實(shí)生活，與熱點(diǎn)科技應用接軌，培養學(xué)生好學(xué)、創(chuàng )新和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
四、加強實(shí)際演示觀(guān)摩學(xué)習，培養學(xué)生動(dòng)手操作能力
在教學(xué)過(guò)程中，單純的口述講解不足以充分調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習熱情。電磁場(chǎng)與電磁波課程也是理論分析與實(shí)驗現象緊密結合的課程，實(shí)驗現象的演示觀(guān)摩有助于學(xué)生對相關(guān)理論的深刻理解。然而出于總體培養方案的要求，光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)側重于光電信息方面課程的學(xué)習，沒(méi)有足夠的時(shí)間再開(kāi)設與本課程直接相關(guān)的實(shí)驗內容。雖然其他光電類(lèi)實(shí)驗都或多或少地使用到本課程的相關(guān)內容，但是課時(shí)有一定滯后，對本課程的提升有限。例如在學(xué)習電磁波波包概念時(shí)，雖然可以使用多媒體課件進(jìn)行演示，但是學(xué)生總感覺(jué)是數學(xué)仿真，體會(huì )不夠深刻。我們可以引用學(xué)生在大學(xué)物理實(shí)驗課程中都學(xué)習過(guò)的示波器，在課堂上直接演示兩個(gè)不同頻率的交流信號經(jīng)過(guò)示波器的疊加顯示結果，這樣通過(guò)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(xué)生得到真實(shí)深刻的`體會(huì )。在引入新知識時(shí)，還可以利用一些饒有樂(lè )趣的現象激發(fā)學(xué)生探索欲望。如在講解電磁波的知識時(shí)，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(fā)信號來(lái)進(jìn)行探索。操作中我們會(huì )發(fā)現該微弱信號在用人體充當天線(xiàn)功能后瞬間放大，這些有趣現象的直觀(guān)感受將刺激學(xué)生的求知欲。在實(shí)驗過(guò)程中可以嘗試用不同的方法調試各種情況，將抽象的理論轉化為切身感受，從而達到較好的教學(xué)效果。此外還可以利用所學(xué)的知識分析以前實(shí)驗中未深入理解的部分。還是熟悉的示波器，在觀(guān)測李薩茹圖像時(shí)，好多同學(xué)好奇為什么圖像經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。利用學(xué)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(shí)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，那么李薩茹圖像也會(huì )隨之同步變化，變化越慢也就意味著(zhù)二者頻率越接近。課堂上選用一些學(xué)生熟悉的儀器演示一些小知識，雖然不能做到每個(gè)學(xué)生都親自操作學(xué)習，但也能達到活學(xué)活用、印象深刻的效果，也可以鼓勵感興趣的學(xué)生提出自己的新認識或者對其他疑問(wèn)進(jìn)行操作驗證，提高學(xué)習樂(lè )趣。
五、提高作業(yè)學(xué)習質(zhì)量，從練習中鞏固引申知識點(diǎn)
由于題海戰術(shù)等不良方法的長(cháng)期熏陶，很多學(xué)生對課本內容、課堂知識講解的重視度不足，而將例題、作業(yè)題當作應付考試的法寶。這樣主次顛倒的做法不利于學(xué)生對知識的真正掌握。我們可以做出主動(dòng)改變，讓講義與習題融為一體來(lái)提高學(xué)生的重視度。課堂知識點(diǎn)的講解、證明等過(guò)程可以設置調整為例題的形式，并暗示學(xué)生可能為考題，或者要求學(xué)生將知識點(diǎn)自設題目進(jìn)行考察復習;而對于習題的選取可以采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(chǎng)波動(dòng)方程知識時(shí)，引入熟悉的縱波概念，可以在練習中加深對縱波不滿(mǎn)足波動(dòng)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達式是諸如駐波、波導等實(shí)際情況，得出的結論也即收獲的知識點(diǎn)。講解習題時(shí)告誡學(xué)生考題可能會(huì )對練習題目進(jìn)行變動(dòng)而非原題，要求學(xué)生一定要熟讀課本，理解知識，不能存在靠背答案過(guò)關(guān)的僥幸心理。此外，可以安排學(xué)生結合自己的愛(ài)好及所長(cháng)查閱資料，對某一感興趣的問(wèn)題進(jìn)行研究，拓展知識涵蓋面，寫(xiě)出自己的思考與收獲，作為平時(shí)考核成績(jì)的一部分。課堂教學(xué)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(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用的教學(xué)理念，循循善誘激發(fā)學(xué)生興趣，才能讓學(xué)生掌握相關(guān)基礎理論、專(zhuān)業(yè)知識和基本技能，進(jìn)而靈活應用現代信息技術(shù)，獲得分析和解決復雜工程問(wèn)題的能力。
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