時(shí)翔，邢業(yè)新

(常州工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江蘇常州213002)

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“電磁場(chǎng)與電磁波”探究式教學(xué)探討

時(shí)翔，邢業(yè)新

(常州工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江蘇常州213002)

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是高等院校電子信息、通信工程類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，屬于重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是“微波技術(shù)”“天線理論”“無(wú)線通信”“電磁兼容”等課程的基礎(chǔ)理論課程[1-3]。“電磁場(chǎng)與電磁波”的理論性、抽象性極強(qiáng)，因此，在更新教材的基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法是提高“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)效果的必要手段。

探究式教學(xué)(inquiry teaching)，強(qiáng)調(diào)以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，教師通過(guò)對(duì)難懂的概念和原理給予相關(guān)的事例，讓學(xué)生通過(guò)閱讀、思考、觀察、實(shí)驗(yàn)、討論等途徑去獨(dú)立探究，遵循科學(xué)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，自主地去發(fā)現(xiàn)、理解和掌握，進(jìn)而更好地掌握相應(yīng)的原理和結(jié)論的一種方法。探究式教學(xué)方法的關(guān)鍵，在于教師如何根據(jù)知識(shí)的特點(diǎn)和應(yīng)用背景，來(lái)發(fā)揮自身的主導(dǎo)作用，包括設(shè)置問(wèn)題情境、啟發(fā)學(xué)生、關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的點(diǎn)撥等[4-6]。

本文以謝處方等編著“電磁場(chǎng)與電磁波”第6章第2節(jié)“均勻平面波對(duì)多層介質(zhì)分界平面的垂直入射”為例，進(jìn)行探究式教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

1課堂整體設(shè)計(jì)

探究式教學(xué)課堂整體設(shè)計(jì)如圖1所示。教師進(jìn)行探究式教學(xué)的課堂設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)置讓學(xué)生產(chǎn)生濃厚興趣的問(wèn)題情境，提出問(wèn)題，并根據(jù)問(wèn)題的難易，適當(dāng)給予學(xué)生思考的出發(fā)點(diǎn)或方向，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、課本、參考書、討論等各種方式，進(jìn)行開放式研究，發(fā)掘問(wèn)題的本質(zhì)[5-6]。在學(xué)生開放式探究過(guò)程中，教師適時(shí)引導(dǎo)和點(diǎn)撥，指引學(xué)生少走彎路，引導(dǎo)學(xué)生正確的探究方向。

圖1　探究式教學(xué)課堂整體設(shè)計(jì)框圖

2課堂教學(xué)過(guò)程

興趣是最好的老師，本文擬從“隱身飛機(jī)”這一學(xué)生較為感興趣的情境切入“均勻平面波對(duì)多層介質(zhì)分界平面的垂直入射”的學(xué)習(xí)。

2.1　情境預(yù)埋，激發(fā)探究欲望

在上一節(jié)“均勻平面波對(duì)分界平面的垂直入射”的課程最后，除進(jìn)行本節(jié)知識(shí)點(diǎn)的概括外，為承上啟下及下次“探究式”教學(xué)的需要，布置學(xué)生任務(wù)，課后閱讀“隱身飛機(jī)與吸波涂層”的相關(guān)資料，給出如圖2所示的隱身飛機(jī)示意圖。

圖2　隱身飛機(jī)與無(wú)隱身飛機(jī)的雷達(dá)探測(cè)

圖中顯示：美國(guó)F-117A隱身戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)長(zhǎng)16 m，翼展12 m，但在雷達(dá)屏幕上，卻只近似于一只小鳥的大小。教師在激發(fā)起學(xué)生濃厚的興趣后，布置學(xué)生課后查閱相關(guān)資料，并嘗試用電磁場(chǎng)與電磁波的知識(shí)進(jìn)行解釋，為下次課程的探究式教學(xué)進(jìn)行情境預(yù)埋，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。

2.2　情境創(chuàng)建，設(shè)立探究起點(diǎn)

探究式教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)是探究情境的創(chuàng)建，以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的探究式教學(xué)活動(dòng)。在探究情境中得以展開，并在教師的引導(dǎo)下，師生共同設(shè)立探究起點(diǎn)，以進(jìn)行探究式教與學(xué)的雙向活動(dòng)。

授課開始，檢查一下在上次課末，情境預(yù)埋所布置的課外作業(yè)。探究式教學(xué)的課堂，首先需讓學(xué)生分組交流自學(xué)與思考的成果。通過(guò)學(xué)生分組的交流，提煉出閃光、創(chuàng)新的想法，鼓勵(lì)學(xué)生大膽和自由發(fā)言，讓大家的思維火花互相碰撞。在此過(guò)程中，教師需發(fā)揮主導(dǎo)作用，及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思維的方向，讓大家的思維逐步從“隱身飛機(jī)”的直觀印象中，逐步轉(zhuǎn)向“隱身飛機(jī)”如何“吸波”，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，將“隱身飛機(jī)”的結(jié)構(gòu)模型化，進(jìn)行原始建模。

模擬雷達(dá)的電磁波探測(cè)，入射波從空氣層(ε0，μ0，λ0)中入射到飛機(jī)金屬層表面的隱身涂層(ε，μ，λ)，建立如圖3所示的隱身飛機(jī)表面的電磁波入射示意圖。其中：ε0為空氣的相對(duì)介電常數(shù)，μ0為空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率，λ0為入射波在空氣中的波長(zhǎng)；ε為隱身涂層的相對(duì)介電常數(shù)，μ為隱身涂層的相對(duì)磁導(dǎo)率，λ為入射波在隱身涂層中的波長(zhǎng)。

圖3　隱身飛機(jī)表面的電磁波入射示意圖

2.3　師生互動(dòng)，探究問(wèn)題本質(zhì)

師生互動(dòng)，探究問(wèn)題本質(zhì)，是探究式教學(xué)的關(guān)鍵步驟，學(xué)生是主體，教師起到引導(dǎo)者的作用，指導(dǎo)、規(guī)范學(xué)生的探索過(guò)程。

教師及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生自行地交流、討論、爭(zhēng)辯和思考，對(duì)學(xué)生思維中的困惑、模糊認(rèn)識(shí)進(jìn)行探討，在互動(dòng)交流中大膽質(zhì)疑和解疑。

討論中，教師的主導(dǎo)作用主要體現(xiàn)：①始終引導(dǎo)探究方向，及時(shí)糾正錯(cuò)誤的探究方向，并進(jìn)行正確探究道路的引導(dǎo)；②鼓勵(lì)學(xué)生的奇思妙想，逐步培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)思維；③充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主體作用，遵循科學(xué)的發(fā)現(xiàn)規(guī)律，完美地再現(xiàn)科學(xué)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。

教師引導(dǎo)學(xué)生逐步步入正確的探究路徑，并讓學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)思維的主次，將本課提出的問(wèn)題，逐步歸結(jié)為以“入射波與反射波的相干機(jī)理”作為解決途徑。

1路線方向上傳播的2列頻率相同的電磁波R1和R2，在振動(dòng)方向(相位)相同時(shí)，波形疊加；振動(dòng)方向相反(相位差180°)，波形互相衰減。引導(dǎo)學(xué)生思考：雷達(dá)探測(cè)隱身飛機(jī)，是靠飛機(jī)反射的電磁波，而飛機(jī)反射的電磁波，是否能夠因?yàn)橄喔傻乃p而減少，從而達(dá)到雷達(dá)探測(cè)隱身的效果。

2.4　解決問(wèn)題，回顧總結(jié)

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生繼續(xù)進(jìn)行下述的探究。

如圖4所示，入射波入射到隱身涂層表面時(shí)，一部分電磁波被反射回去，記為反射波R1，其余部分透入隱身涂層，在空氣層與隱身涂層之間的界面以及隱身涂層與金屬層之間來(lái)回的反射。在每次返回空氣層與隱身涂層之間的界面時(shí)，都有一部分電磁波穿出該界面，返回空氣層。多次在隱身涂層內(nèi)進(jìn)行的透射、反射的電磁波疊加后形成反射波R2。根據(jù)波的干涉理論，如果反射波R1和反射波R2處于同一偏振面上，相位差180°(π相位)，則發(fā)生干涉，使總的反射波衰減。

圖4　隱身飛機(jī)表面的電磁波入射、透射、反射示意圖

要這兩部分反射波相位差180°，必須使反射波R1和反射波R2的波程差為

2d=(n+1/2)λ

(1)

式中：d為隱身涂層厚度；n位任意整數(shù)。

式(1)可以寫為

d=(2n+1)λ/4

(2)

(3)

(4)

從理論上講，如入射到隱身涂層的電磁波滿足式(4)，且反射波R1和反射波R2的振幅亦相等，則總反射率可以降為0。

因此，師生最終共同得出的結(jié)論是，厚度滿足式(4)的隱身涂層，能夠使雷達(dá)探測(cè)的反射電磁波產(chǎn)生相干衰減現(xiàn)象，從而使飛機(jī)在雷達(dá)的視線中“隱身”。

3結(jié)語(yǔ)

本課堂教學(xué)中，從提高學(xué)生興趣入手，著力讓學(xué)生自己探究學(xué)習(xí)，從而發(fā)現(xiàn)獲取知識(shí)的快樂。此外，化繁為簡(jiǎn)，將繁雜的理論推導(dǎo)，歸為簡(jiǎn)單的結(jié)論或規(guī)律，具體的公式推導(dǎo)、數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以留待學(xué)生的課后自學(xué)和課后習(xí)題中。在探究教學(xué)中，教師是主導(dǎo)者，發(fā)揮啟發(fā)和引導(dǎo)的作用，學(xué)生是探究者，通過(guò)自己的探究，沿著科學(xué)的發(fā)現(xiàn)規(guī)律去發(fā)現(xiàn)新事物。教師的主導(dǎo)作用，需要教師具有深厚的工程應(yīng)用背景，才能夠正處理好教師的“引”和學(xué)生的“探”的關(guān)系，這也對(duì)高校教師的自身工程實(shí)踐能力提出了更高的要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場(chǎng)與電磁波[M].4版.北京：高等教育出版社，2007.

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[3]代秋芳，王衛(wèi)星，劉洪山,等.“電磁場(chǎng)與電磁波”實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(2):94-95，98.

[4]安愛民，張愛華，黃玲，等.可視化數(shù)字模擬創(chuàng)新教學(xué)在《電磁場(chǎng)與電磁波》中的探索與實(shí)踐[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013(S2):204-208.

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[6]劉文娜.探究式教學(xué)在課堂中的實(shí)踐策略[J].北京教育學(xué)院學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版，2011(2):40-42,62.

責(zé)任編輯：陳亮

摘要：結(jié)合“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的知識(shí)特點(diǎn)，進(jìn)行了探究式課堂教學(xué)的整體設(shè)計(jì)及分步實(shí)施。探究式教學(xué)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，發(fā)揮了教師的課堂調(diào)控性，遵循了科學(xué)的認(rèn)知規(guī)律，有效提高了課堂的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電磁場(chǎng)與電磁波；探究式教學(xué)；課堂教學(xué)

Discussion on Inquiry Teaching for ″Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave″ CourseSHI Xiang,XING Yexin

(School of Computer Information Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

Abstract：Based on the classroom teaching of the electromagnetic field and electromagnetic wave course,the paper carried out a global inquiry teaching design and implemented it.The inquiry teaching enhanced students′ autonomy and enthusiasm and gave full play to teacher′s role of macro-control.The inquiry teaching sticks to the scientific cognitive rules so that it can effectively improve the classroom teaching.

Key words：electromagnetic field and electromagnetic;inquiry teaching;classroom teaching

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-0436(2015)03-0086-03

作者簡(jiǎn)介：時(shí)翔(1974—)，男，副教授。

基金項(xiàng)目：常州工學(xué)院教學(xué)改革研究課題(A-3002-13-015)

收稿日期：2015-02-10

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2015.03.021