“電磁場(chǎng)與微波技術(shù)”課程設(shè)計(jì)

花濤　王青云　梁瑞宇　沈衛(wèi)康

摘 要 針對(duì)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)課程中許多學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，對(duì)課程中的數(shù)學(xué)推導(dǎo)以及公式記憶和理解產(chǎn)生畏懼感，從而對(duì)整個(gè)課程失去興趣這一學(xué)情，本文提出通過(guò)突出各知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)對(duì)所有知識(shí)點(diǎn)整體把握。并以靜態(tài)電磁場(chǎng)邊界條件這一重要概念的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，闡述“強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系”這一思想在教學(xué)過(guò)程中的運(yùn)用。強(qiáng)調(diào)以應(yīng)用實(shí)例講解導(dǎo)入新概念的教學(xué)方法，增加學(xué)生對(duì)公式概念的理解和學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞 電磁場(chǎng) 微波技術(shù) 知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系 實(shí)例導(dǎo)入

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.10.067

"Electromagnetic Field and Microwave Technology" Curriculum Design

——Take ?"Static Electromagnetic Field Boundary Conditions" Instructional Design as the Case

HUA Tao， WANG Qingyun， LIANG Ruiyu， SHEN Weikang

（School of Communication Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanting， Jiangsu 211167）

Abstract Electromagnetic Field and Microwave Technology curriculum for many students in mathematics and physics solid enough， the mathematical derivation of the curriculum as well as memory and understanding formulas generate a sense of fear， and thus lose interest in the whole course of this learning situation. Proposed by highlighting links between knowledge， emphasis on overall grasp all the knowledge points. Instructional Design and static electromagnetic field boundary conditions for this important concept， for example， describes "stressed the link between knowledge，" the idea of using the teaching process. Emphasizes application examples to explain the concept of introducing new teaching methods， increase students' understanding of the concept of formula and interest in learning.

Key words Electromagnetic Field; Microwave Technology; link between knowledge; examples import

0 引言

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)，是電子信息類學(xué)科的一門非常重要的專業(yè)理論課，目的是滿足學(xué)生以后從事微波天線以及射頻類的相關(guān)工作需求。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生掌握電磁場(chǎng)的基本定律和基本性質(zhì)。也只有學(xué)好電磁場(chǎng)理論，才能理解天線雷達(dá)微波技術(shù)等相關(guān)的后續(xù)課程。本課程需要用到的數(shù)學(xué)知識(shí)較多，因此學(xué)生想要學(xué)好該課程，就需要在高等數(shù)學(xué)課程中打下良好的基礎(chǔ)。但是在很多高校，尤其是在二本院校中，許多學(xué)生數(shù)學(xué)功底較薄弱，甚至沒(méi)有真正建立微積分的概念，對(duì)理論學(xué)習(xí)普遍興趣不高，并且對(duì)公式推導(dǎo)有天然的恐懼感。①②③④⑤所以在教授過(guò)程中，教師應(yīng)盡量省略冗長(zhǎng)推導(dǎo)過(guò)程，講清楚結(jié)論和應(yīng)用實(shí)例，導(dǎo)入新課時(shí)，要聯(lián)系學(xué)生熟悉的事物并講解原理。

1 強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系

對(duì)于許多學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程“不能很好地梳理清楚眾多數(shù)學(xué)公式之間的聯(lián)系，以及不能很好地運(yùn)用公式解決實(shí)際問(wèn)題”這一實(shí)際學(xué)情。建議將“化煩為簡(jiǎn)”的思路貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程。一個(gè)較難的問(wèn)題，往往是由許多簡(jiǎn)單的問(wèn)題以及他們之間的聯(lián)系組成的。所以教師在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)突出各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)對(duì)所有知識(shí)點(diǎn)整體的把握。這樣就會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得這些方程公式的學(xué)習(xí)和推導(dǎo)其實(shí)不難，從而提升學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的熱情和效果。

在強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)的時(shí)候，同時(shí)也要講清楚各知識(shí)點(diǎn)間的區(qū)別。同時(shí)，注意新舊知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系也是有效的教學(xué)方法。著名教育學(xué)家?jiàn)W蘇貝爾的非常著名的“有意義學(xué)習(xí)法”認(rèn)為：新知識(shí)的學(xué)習(xí)必須以已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。所以教師在講授知識(shí)的過(guò)程中，如何找到新舊知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，從而合理地在舊知識(shí)的基礎(chǔ)上引入新知識(shí)。成為講好電磁場(chǎng)與微波技術(shù)這門課，以及其他相似課程的關(guān)鍵。

2 以應(yīng)用實(shí)例講解導(dǎo)入新概念

學(xué)生缺乏對(duì)數(shù)學(xué)公式的興趣，歸根到底是因?yàn)槟X海中缺乏一種立體的形象和各知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)。當(dāng)教師在導(dǎo)入一個(gè)新的概念時(shí)，如果以一個(gè)應(yīng)用實(shí)例給學(xué)生做講解，會(huì)大大增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生更加形象地理解所要掌握的概念公式。

例如，在講授電介質(zhì)中的極化現(xiàn)象時(shí)，如果僅僅從公式的推導(dǎo)去代入，學(xué)生往往聽不懂，也沒(méi)有學(xué)習(xí)下去的興趣。但是如果以生活中常見(jiàn)的微波爐的原理作為知識(shí)點(diǎn)的引入，會(huì)起到事半功倍的效果。微波爐的工作原理是：（1）微波爐是利用電磁波的能量來(lái)加熱食物的。（2）微波爐由一個(gè)磁控管將電能轉(zhuǎn)化為電磁波，然后照射到食物上。（3）食物被電磁場(chǎng)加熱的原因：因?yàn)槭澄镏泻兴肿樱肿泳哂幸欢ǖ碾娕紭O矩，在高頻電磁場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷將受到電場(chǎng)力的作用，電偶極矩發(fā)生迅速變化和旋轉(zhuǎn)，使得水分子運(yùn)動(dòng)加劇，溫度上升，熟化食物。通過(guò)實(shí)例形象的解釋，學(xué)生會(huì)迫切地想要了解電偶極矩是怎么回事，怎樣的結(jié)構(gòu)。這時(shí)教師再去講解是由于極化現(xiàn)象產(chǎn)生的電偶極矩，學(xué)生比較容易接受。

例如也可以通過(guò)隱身戰(zhàn)斗機(jī)的實(shí)例來(lái)引入一些重要的概念。在理工類專業(yè)，學(xué)生往往對(duì)軍事方面有著很濃的興趣。通過(guò)戰(zhàn)斗機(jī)的隱身原理來(lái)引入，學(xué)生會(huì)非常感興趣。隱身大體可以分為三種：（1）視覺(jué)隱身（或光學(xué)隱身）。這時(shí)可以引入光線彎曲，透視的概念;（2）紅外隱身。這時(shí)可以引入紅外輻射屏蔽的原理;（3）電磁隱身（或雷達(dá)隱身）。這時(shí)可以引入外形整體設(shè)計(jì)，涂敷吸波材料，面阻抗加載的原理。

3 以“靜態(tài)電磁場(chǎng)邊界條件”教學(xué)設(shè)計(jì)為例闡述“知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)”的運(yùn)用

我們以講授“電磁場(chǎng)與微波技術(shù)”課程中的一個(gè)非常重要概念“靜態(tài)電磁場(chǎng)邊界條件”時(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，來(lái)體現(xiàn)“強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系”這一思想在教學(xué)過(guò)程中的運(yùn)用。

首先我們針對(duì)電磁場(chǎng)邊界條件，提出動(dòng)態(tài)（時(shí)變）電磁場(chǎng)的邊界條件與靜態(tài)電磁場(chǎng)的完全相同。這樣我們就只需要學(xué)習(xí)靜態(tài)電磁場(chǎng)的邊界條件，具體分為靜電場(chǎng)的邊界條件和恒定磁場(chǎng)的邊界條件。然后我們運(yùn)用“電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)偶”的思想，重點(diǎn)學(xué)習(xí)和推導(dǎo)靜電場(chǎng)的邊界條件。其法向和切向邊界條件證明過(guò)程則分別對(duì)應(yīng)著靜電場(chǎng)基本方程積分形式的兩個(gè)方程。這樣一個(gè)整體的學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)邊界條件問(wèn)題就化簡(jiǎn)成了學(xué)習(xí)靜態(tài)電磁場(chǎng)中的靜電場(chǎng)邊界條件這一比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題。磁場(chǎng)的邊界條件可以運(yùn)用“電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)偶”的思想來(lái)學(xué)習(xí)，推導(dǎo)過(guò)程與靜電場(chǎng)邊界條件證明過(guò)程極為相似。具體的磁場(chǎng)邊界條件推導(dǎo)過(guò)程可以讓學(xué)生在課后自己練習(xí)，以加深印象。

整個(gè)課程中要強(qiáng)調(diào)“對(duì)偶”的觀點(diǎn)。只要記住一組方程，其他的方程都會(huì)與這組方程有一種對(duì)稱的聯(lián)系。這對(duì)學(xué)生記憶理解電磁場(chǎng)的基本公式有很大幫助。重點(diǎn)讓學(xué)生掌握各個(gè)數(shù)學(xué)方程之間的聯(lián)系，理清方程的涵義和相互聯(lián)系，以便可以從整體上掌握所有的電磁場(chǎng)理論公式。這樣就可以讓學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)方程公式的“畏懼感”消失了。

具體證明靜電場(chǎng)邊界條件的時(shí)候可以詳細(xì)的講解每一步過(guò)程。做到多媒體教學(xué)演示與黑板板書相結(jié)合，圖形和文字并茂加深學(xué)生印象。同時(shí)重點(diǎn)需要注意的地方用紅色標(biāo)注以示突出。整個(gè)教學(xué)過(guò)程要做到：重點(diǎn)內(nèi)容突出、尊重教學(xué)特點(diǎn)、多種教學(xué)手段結(jié)合、授課上下連貫層次清晰。

具體的教學(xué)流程總體設(shè)計(jì)如圖1。

4 進(jìn)一步改革建議

在教授此門課程的過(guò)程中，教師應(yīng)該改變傳統(tǒng)的學(xué)科本位課程觀，在采用能力本位課程觀的基礎(chǔ)上，朝多元整合型方向發(fā)展，形成一種多元整合的課程觀。具體改革的思路表現(xiàn)為：

（1）堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合。應(yīng)該更多融入產(chǎn)業(yè)要素、行業(yè)要素、企業(yè)要素、職業(yè)要素和實(shí)踐要素。（2）適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)量，最好可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)電磁場(chǎng)天線微波類的仿真軟件，如ADS、HFSS。增加學(xué)生今后就業(yè)選擇面。（3）采取靈活多變的教學(xué)手段。板書與PPT課件相結(jié)合。特別重要的公式帶著學(xué)生一起在黑板上推導(dǎo)一遍。對(duì)于冗長(zhǎng)推導(dǎo)的章節(jié)，過(guò)程盡量簡(jiǎn)化，讓學(xué)生掌握重要概念，對(duì)公式可以持拿來(lái)主義，關(guān)鍵是會(huì)用！充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的仿真功能，給學(xué)生展示電磁天線仿真的實(shí)例，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，讓他們有自己試一試的熱情。告訴學(xué)生教師自己以往“背公式”的訣竅。

5 小結(jié)

本文提出在學(xué)習(xí)“電磁場(chǎng)與微波技術(shù)”課程中，通過(guò)“強(qiáng)調(diào)聯(lián)系”的教學(xué)思想，突出各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)對(duì)所有知識(shí)點(diǎn)整體的把握，以此來(lái)幫助學(xué)生對(duì)公式的記憶和理解，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和效率。本文以講授“靜態(tài)電磁場(chǎng)邊界條件”這一重要概念時(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，闡述在講授過(guò)程中如何強(qiáng)調(diào)公式之間的聯(lián)系。同時(shí)也強(qiáng)調(diào)以應(yīng)用實(shí)例引入概念講解來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

注釋

① 李九生，裘國(guó)華.電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)教學(xué)改革研究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2012.3：57-58.

② 林相波，劉軍民.電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)中的幾點(diǎn)思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009.31（2）：95-96.

③ 袁明輝.電磁場(chǎng)理論教學(xué)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010.5：184.

④ 蘇艷.電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)方法探討[J].科技信息，2010.21：107.

⑤ 張會(huì)芝，劉艷芳.通信工程專業(yè)電磁場(chǎng)理論課程教學(xué)探索[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2009.8：107-108.