“电磁场与电磁波”探究式教学探讨

时翔，邢业新

(常州工学院计算机信息工程学院，江苏常州213002)



“电磁场与电磁波”探究式教学探讨

时翔，邢业新

(常州工学院计算机信息工程学院，江苏常州213002)

“电磁场与电磁波”课程是高等院校电子信息、通信工程类专业的基础课程，属于重要的专业基础课，是“微波技术”“天线理论”“无线通信”“电磁兼容”等课程的基础理论课程[1-3]。“电磁场与电磁波”的理论性、抽象性极强，因此，在更新教材的基础上，采用适当的教学方法是提高“电磁场与电磁波”教学效果的必要手段。

探究式教学(inquiry teaching)，强调以教师为主导，学生为主体，教师通过对难懂的概念和原理给予相关的事例，让学生通过阅读、思考、观察、实验、讨论等途径去独立探究，遵循科学的知识发现规律，自主地去发现、理解和掌握，进而更好地掌握相应的原理和结论的一种方法。探究式教学方法的关键，在于教师如何根据知识的特点和应用背景，来发挥自身的主导作用，包括设置问题情境、启发学生、关键知识点的点拨等[4-6]。

本文以谢处方等编著“电磁场与电磁波”第6章第2节“均匀平面波对多层介质分界平面的垂直入射”为例，进行探究式教学的设计与实践。

1课堂整体设计

探究式教学课堂整体设计如图1所示。教师进行探究式教学的课堂设计中，通过设置让学生产生浓厚兴趣的问题情境，提出问题，并根据问题的难易，适当给予学生思考的出发点或方向，鼓励学生通过网络、课本、参考书、讨论等各种方式，进行开放式研究，发掘问题的本质[5-6]。在学生开放式探究过程中，教师适时引导和点拨，指引学生少走弯路，引导学生正确的探究方向。

图1　探究式教学课堂整体设计框图

2课堂教学过程

兴趣是最好的老师，本文拟从“隐身飞机”这一学生较为感兴趣的情境切入“均匀平面波对多层介质分界平面的垂直入射”的学习。

2.1　情境预埋，激发探究欲望

在上一节“均匀平面波对分界平面的垂直入射”的课程最后，除进行本节知识点的概括外，为承上启下及下次“探究式”教学的需要，布置学生任务，课后阅读“隐身飞机与吸波涂层”的相关资料，给出如图2所示的隐身飞机示意图。

图2　隐身飞机与无隐身飞机的雷达探测

图中显示：美国F-117A隐身战斗机机长16 m，翼展12 m，但在雷达屏幕上，却只近似于一只小鸟的大小。教师在激发起学生浓厚的兴趣后，布置学生课后查阅相关资料，并尝试用电磁场与电磁波的知识进行解释，为下次课程的探究式教学进行情境预埋，激发学生的探究欲望。

2.2　情境创建，设立探究起点

探究式教学的出发点是探究情境的创建，以教师为主导、学生为主体的探究式教学活动。在探究情境中得以展开，并在教师的引导下，师生共同设立探究起点，以进行探究式教与学的双向活动。

授课开始，检查一下在上次课末，情境预埋所布置的课外作业。探究式教学的课堂，首先需让学生分组交流自学与思考的成果。通过学生分组的交流，提炼出闪光、创新的想法，鼓励学生大胆和自由发言，让大家的思维火花互相碰撞。在此过程中，教师需发挥主导作用，及时引导学生思维的方向，让大家的思维逐步从“隐身飞机”的直观印象中，逐步转向“隐身飞机”如何“吸波”，引导学生运用数学模型，将“隐身飞机”的结构模型化，进行原始建模。

模拟雷达的电磁波探测，入射波从空气层(ε0，μ0，λ0)中入射到飞机金属层表面的隐身涂层(ε，μ，λ)，建立如图3所示的隐身飞机表面的电磁波入射示意图。其中：ε0为空气的相对介电常数，μ0为空气的相对磁导率，λ0为入射波在空气中的波长；ε为隐身涂层的相对介电常数，μ为隐身涂层的相对磁导率，λ为入射波在隐身涂层中的波长。

图3　隐身飞机表面的电磁波入射示意图

2.3　师生互动，探究问题本质

师生互动，探究问题本质，是探究式教学的关键步骤，学生是主体，教师起到引导者的作用，指导、规范学生的探索过程。

教师及时引导学生自行地交流、讨论、争辩和思考，对学生思维中的困惑、模糊认识进行探讨，在互动交流中大胆质疑和解疑。

讨论中，教师的主导作用主要体现：①始终引导探究方向，及时纠正错误的探究方向，并进行正确探究道路的引导；②鼓励学生的奇思妙想，逐步培养学生良好的科学思维；③充分调动学生的主体作用，遵循科学的发现规律，完美地再现科学的发现过程。

教师引导学生逐步步入正确的探究路径，并让学生学会科学思维的主次，将本课提出的问题，逐步归结为以“入射波与反射波的相干机理”作为解决途径。

1路线方向上传播的2列频率相同的电磁波R1和R2，在振动方向(相位)相同时，波形叠加；振动方向相反(相位差180°)，波形互相衰减。引导学生思考：雷达探测隐身飞机，是靠飞机反射的电磁波，而飞机反射的电磁波，是否能够因为相干的衰减而减少，从而达到雷达探测隐身的效果。

2.4　解决问题，回顾总结

在教师的引导下，学生继续进行下述的探究。

如图4所示，入射波入射到隐身涂层表面时，一部分电磁波被反射回去，记为反射波R1，其余部分透入隐身涂层，在空气层与隐身涂层之间的界面以及隐身涂层与金属层之间来回的反射。在每次返回空气层与隐身涂层之间的界面时，都有一部分电磁波穿出该界面，返回空气层。多次在隐身涂层内进行的透射、反射的电磁波叠加后形成反射波R2。根据波的干涉理论，如果反射波R1和反射波R2处于同一偏振面上，相位差180°(π相位)，则发生干涉，使总的反射波衰减。

图4　隐身飞机表面的电磁波入射、透射、反射示意图

要这两部分反射波相位差180°，必须使反射波R1和反射波R2的波程差为

2d=(n+1/2)λ

(1)

式中：d为隐身涂层厚度；n位任意整数。

式(1)可以写为

d=(2n+1)λ/4

(2)

(3)

(4)

从理论上讲，如入射到隐身涂层的电磁波满足式(4)，且反射波R1和反射波R2的振幅亦相等，则总反射率可以降为0。

因此，师生最终共同得出的结论是，厚度满足式(4)的隐身涂层，能够使雷达探测的反射电磁波产生相干衰减现象，从而使飞机在雷达的视线中“隐身”。

3结语

本课堂教学中，从提高学生兴趣入手，着力让学生自己探究学习，从而发现获取知识的快乐。此外，化繁为简，将繁杂的理论推导，归为简单的结论或规律，具体的公式推导、数学运算，可以留待学生的课后自学和课后习题中。在探究教学中，教师是主导者，发挥启发和引导的作用，学生是探究者，通过自己的探究，沿着科学的发现规律去发现新事物。教师的主导作用，需要教师具有深厚的工程应用背景，才能够正处理好教师的“引”和学生的“探”的关系，这也对高校教师的自身工程实践能力提出了更高的要求。

[参考文献]

[1]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].4版.北京：高等教育出版社，2007.

[2]朱安福.“电磁场与电磁波”课程教学实践与探讨[J].中国电力教育，2013(9):45,72.

[3]代秋芳，王卫星，刘洪山,等.“电磁场与电磁波”实验课程建设与实践[J].电气电子教学学报，2014，36(2):94-95，98.

[4]安爱民，张爱华，黄玲，等.可视化数字模拟创新教学在《电磁场与电磁波》中的探索与实践[J].电工技术学报，2013(S2):204-208.

[5]曾宪权.基于知识发现的探究式操作系统课程教学分析[J].中国电力教育，2014(2):104-105,107.

[6]刘文娜.探究式教学在课堂中的实践策略[J].北京教育学院学报:社会科学版，2011(2):40-42,62.

责任编辑：陈亮

摘要：结合“电磁场与电磁波”课程的知识特点，进行了探究式课堂教学的整体设计及分步实施。探究式教学调动学生学习的自主性和积极性，发挥了教师的课堂调控性，遵循了科学的认知规律，有效提高了课堂的教学效果。

关键词：电磁场与电磁波；探究式教学；课堂教学

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

中图分类号：G642

文献标志码：B

文章编号：1671-0436(2015)03-0086-03

作者简介：时翔(1974—)，男，副教授。

基金项目：常州工学院教学改革研究课题(A-3002-13-015)

收稿日期：2015-02-10

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2015.03.021