電磁場與電磁波課程教學(xué)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(yè)基礎(chǔ)課。在教學(xué)過程中，可以根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)，綜合利用各種教學(xué)資源，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對知識的深入理解，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：電磁場與電磁波;教學(xué)方法;學(xué)習(xí)興趣
根據(jù)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)要求，電磁場與電磁波[1-2]課程是該專業(yè)的基礎(chǔ)必修課。該課程要求學(xué)生掌握電磁場的有關(guān)定理、定律、麥克斯韋方程等的物理意義及數(shù)學(xué)內(nèi)涵，并用所學(xué)的知識理解電磁場與電磁波的相關(guān)規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生正確的思維方式和分析問題的能力，為后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。該課程課時(shí)少，任務(wù)重，概念抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣，是一門難教、難學(xué)的課程。然而學(xué)生在瀏覽課本目錄時(shí)往往覺得知識點(diǎn)很熟悉而掉以輕心，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)的過程中出現(xiàn)看似簡單卻無從下手的窘境。該課程需要較好的高等數(shù)學(xué)及大學(xué)物理知識，又是后續(xù)課程如應(yīng)用光學(xué)、光電信息物理基礎(chǔ)、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(chǔ)，是一門承上啟下的關(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(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力至關(guān)重要。本文從以下幾方面著手以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。
一、對比已經(jīng)學(xué)過的知識，掌握新內(nèi)容的核心要點(diǎn)
電磁場與電磁波教學(xué)內(nèi)容豐富而抽象，是大學(xué)物理部分電磁學(xué)內(nèi)容的升華，并且使用高等數(shù)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(rèn)識處理水平而不能深入理解。因此在教學(xué)過程中需借鑒已經(jīng)學(xué)過的知識，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(yùn)算和高數(shù)中的多重積分相關(guān)知識。教學(xué)時(shí)可以通過對比找出該課程中的新知識，溫習(xí)舊知識，拓展新內(nèi)容，重點(diǎn)深入理解剖析、加強(qiáng)物理內(nèi)涵知識的練習(xí)。電磁場部分也是深入學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，通過對比高中物理、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(xiàn)，從結(jié)合微積分手段到充分利用矢量分析，可以解決的問題更加豐富全面，要求也更高。學(xué)習(xí)中也可以對電場和磁場部分進(jìn)行對比分析學(xué)習(xí)[3]，既能方便地記憶眾多基本公式，又能體會科學(xué)理論中的對稱美，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。由于學(xué)生已有一定的大學(xué)物理基礎(chǔ)，教師可以在講授新知識時(shí)對比回顧已學(xué)內(nèi)容，加深學(xué)生對相應(yīng)知識的理解深度，也讓學(xué)生明白該課程的學(xué)習(xí)要求。如在學(xué)習(xí)導(dǎo)體的靜電感應(yīng)現(xiàn)象、電介質(zhì)的電極化過程、磁介質(zhì)的磁極化過程中可以發(fā)現(xiàn)，對比學(xué)習(xí)可以幫助學(xué)生更好地理解各個(gè)過程進(jìn)而對相應(yīng)的類似公式有了深入理解，也就不易記錯內(nèi)容。學(xué)習(xí)中新舊知識相結(jié)合，溫故知新，舉一反三，既能降低學(xué)習(xí)入門難度，還可以明確課程核心內(nèi)容，避免學(xué)生產(chǎn)生自己全會的錯覺。此外還可以充分利用已經(jīng)學(xué)習(xí)過的其他知識來深入理解探討學(xué)習(xí)中的疑問。例如學(xué)生在大學(xué)物理中重點(diǎn)學(xué)習(xí)了動生電動勢，然而在麥克斯韋方程的推導(dǎo)過程中卻只考慮了感生電動勢因素。如果學(xué)生的疑問得不到解惑可能會讓他失去對科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性的信任。然而關(guān)于麥克斯韋方程組的相對論變換內(nèi)容不在該課程的教學(xué)大綱中，可以誘導(dǎo)學(xué)生利用學(xué)習(xí)過的狹義相對論知識進(jìn)行探索，甚至可以嘗試推導(dǎo)低速情況下的近似表達(dá)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(rèn)識，激發(fā)了對科學(xué)的興趣。
二、綜合運(yùn)用各種多媒體、互聯(lián)網(wǎng)資源，豐富教學(xué)手段
電磁場與電磁波內(nèi)容抽象、公式繁多，通常我們運(yùn)用多種現(xiàn)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又能節(jié)約時(shí)間提高教學(xué)效率。在教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)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)的不如動態(tài)的，無聲的不如有聲的，嚴(yán)肅的不如詼諧的。我們可以選用多種相關(guān)的軟件繪制生動的演示文件，例如使用數(shù)學(xué)軟件Matlab、Mathematica等繪制場的傳播曲線，使用VB等軟件編寫可視化、可調(diào)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(nèi)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)的精彩度超過學(xué)生手中手機(jī)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動畫、gif動圖等言簡意賅、詼諧生動，可降低學(xué)生對該課程枯燥乏味的感受。強(qiáng)大便捷的移動互聯(lián)網(wǎng)也可以加強(qiáng)師生互動，及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。多數(shù)學(xué)生比較羞澀不敢積極回答課堂提問，可以鼓勵學(xué)生在學(xué)習(xí)交流QQ群內(nèi)匿名探討學(xué)習(xí)，以便形成良好的學(xué)習(xí)交流氣氛。還可積極鼓勵學(xué)生對心中疑問進(jìn)行及時(shí)網(wǎng)絡(luò)搜索解疑，當(dāng)形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣后就會把手機(jī)作為可以解決疑問的工具，降低手機(jī)游戲的誘惑。學(xué)習(xí)中的疑問及時(shí)解答則提高學(xué)習(xí)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)過程中不能忽視傳統(tǒng)板書現(xiàn)場書寫的重要作用，尤其是教師熟練的公式推導(dǎo)過程不僅不會使學(xué)生對公式感到厭煩，還可深入地認(rèn)識理清公式推導(dǎo)過程中的細(xì)節(jié)，加深對相應(yīng)知識的理解。
三、緊密結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活，與高科技接軌，調(diào)動學(xué)習(xí)興趣
電磁場與電磁波課程與我們?nèi)粘Ｉ畹闹T多方面息息相關(guān)，眾多高科技應(yīng)用均涉及相關(guān)理論。講課的時(shí)候，可以從現(xiàn)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(xí)熱情。例如在講解導(dǎo)體對電磁波的反射問題時(shí)，可以結(jié)合日常生活中大家熟悉的手機(jī)信號屏蔽問題，通過演示或者布置任務(wù)的方式讓學(xué)生體會在不同大小孔洞的金屬罩下手機(jī)信號的屏蔽情況，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識進(jìn)行思考，體會2G、4G模式下不同波長電磁波的傳播特性。在學(xué)習(xí)菲涅耳公式時(shí)，淺析隱形轟炸機(jī)的原理，讓學(xué)生感受知識的重要應(yīng)用價(jià)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(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(xí)電磁波全反射知識時(shí)，結(jié)合光纖的工作原理進(jìn)行討論，可達(dá)到學(xué)以致用的效果，并能體會使用相關(guān)儀器時(shí)的注意事項(xiàng)�？傊虒W(xué)時(shí)要緊密結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活，與熱點(diǎn)科技應(yīng)用接軌，培養(yǎng)學(xué)生好學(xué)、創(chuàng)新和解決實(shí)際問題的能力。
四、加強(qiáng)實(shí)際演示觀摩學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力
在教學(xué)過程中，單純的口述講解不足以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。電磁場與電磁波課程也是理論分析與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象緊密結(jié)合的課程，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示觀摩有助于學(xué)生對相關(guān)理論的深刻理解。然而出于總體培養(yǎng)方案的要求，光電信息科學(xué)與工程專業(yè)側(cè)重于光電信息方面課程的學(xué)習(xí)，沒有足夠的時(shí)間再開設(shè)與本課程直接相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。雖然其他光電類實(shí)驗(yàn)都或多或少地使用到本課程的相關(guān)內(nèi)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(xí)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)生總感覺是數(shù)學(xué)仿真，體會不夠深刻。我們可以引用學(xué)生在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中都學(xué)習(xí)過的示波器，在課堂上直接演示兩個(gè)不同頻率的交流信號經(jīng)過示波器的疊加顯示結(jié)果，這樣通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(xué)生得到真實(shí)深刻的`體會。在引入新知識時(shí)，還可以利用一些饒有樂趣的現(xiàn)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?nèi)粘Ｉ钪械?20V交流電也是一種50Hz的低頻電磁波，可以使用示波器調(diào)節(jié)同步觸發(fā)信號來進(jìn)行探索。操作中我們會發(fā)現(xiàn)該微弱信號在用人體充當(dāng)天線功能后瞬間放大，這些有趣現(xiàn)象的直觀感受將刺激學(xué)生的求知欲。在實(shí)驗(yàn)過程中可以嘗試用不同的方法調(diào)試各種情況，將抽象的理論轉(zhuǎn)化為切身感受，從而達(dá)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(yàn)中未深入理解的部分。還是熟悉的示波器，在觀測李薩茹圖像時(shí)，好多同學(xué)好奇為什么圖像經(jīng)常處于動態(tài)變化狀態(tài)。利用學(xué)習(xí)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(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(xí)，但也能達(dá)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(rèn)識或者對其他疑問進(jìn)行操作驗(yàn)證，提高學(xué)習(xí)樂趣。
五、提高作業(yè)學(xué)習(xí)質(zhì)量，從練習(xí)中鞏固引申知識點(diǎn)
由于題海戰(zhàn)術(shù)等不良方法的長期熏陶，很多學(xué)生對課本內(nèi)容、課堂知識講解的重視度不足，而將例題、作業(yè)題當(dāng)作應(yīng)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。我們可以做出主動改變，讓講義與習(xí)題融為一體來提高學(xué)生的重視度。課堂知識點(diǎn)的講解、證明等過程可以設(shè)置調(diào)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(shè)題目進(jìn)行考察復(fù)習(xí);而對于習(xí)題的選取可以采用具有明確物理內(nèi)涵、帶有一定知識結(jié)論的習(xí)題，在理解中思考探索與鞏固知識，練習(xí)中獲得新知識。例如在練習(xí)電磁場波動方程知識時(shí)，引入熟悉的縱波概念，可以在練習(xí)中加深對縱波不滿足波動方程知識的理解。又如在計(jì)算電磁波群速度的習(xí)題中可明確告知所練習(xí)的表達(dá)式是諸如駐波、波導(dǎo)等實(shí)際情況，得出的結(jié)論也即收獲的知識點(diǎn)。講解習(xí)題時(shí)告誡學(xué)生考題可能會對練習(xí)題目進(jìn)行變動而非原題，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關(guān)的僥幸心理。此外，可以安排學(xué)生結(jié)合自己的愛好及所長查閱資料，對某一感興趣的問題進(jìn)行研究，拓展知識涵蓋面，寫出自己的思考與收獲，作為平時(shí)考核成績的一部分。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(chǔ)理論、專業(yè)知識和基本技能，進(jìn)而靈活應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，獲得分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。
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