電子信息專業(yè)《電磁場與電磁波》教學內容體系結構改革的探索＊

丁 蘭,陸建隆

(1.無錫科技職業(yè)學院電子工程系,江蘇無錫214028;2.南京師范大學物理科學與技術學院,江蘇南京210097)

電子信息專業(yè)《電磁場與電磁波》教學內容體系結構改革的探索＊

丁 蘭1,陸建隆2

(1.無錫科技職業(yè)學院電子工程系,江蘇無錫214028;2.南京師范大學物理科學與技術學院,江蘇南京210097)

目前,《電磁場與電磁波》教材內容大致有兩種體系結構:“靜態(tài)場—麥克斯韋方程組—時變場”和“麥克斯韋方程組—時變場—靜態(tài)場”.對這兩種體系結構各自的特點與不足進行了比較,在布魯納知識結構理論的指導下,探索了一種電子信息類專業(yè)的《電磁場與電磁波》教學內容新體系結構,即“真空中的電磁場與電磁波—介質中的電磁場與電磁波—電磁場與電磁波專題介紹”,這一新體系結構克服原有教材體系結構的不足,使教材具有合理的靜態(tài)結構與動態(tài)結構和與學生的接受水平相適應的呈現(xiàn)與傳遞方式.

電子信息專業(yè);電磁場與電磁波;教學內容;體系結構

《電磁場與電磁波》是工科電子信息類專業(yè)本科生必修的一門基礎理論課程,其教學內容著重闡述電磁場與電磁波的基本概念、原理、規(guī)律和基本分析方法,及其在實際工程中的應用,所涉及的內容是電子信息類專業(yè)學生知識結構的必要組成部分.隨著新世紀對電子信息產業(yè)高級人才要求的提高,我們嘗試對《電磁場與電磁波》教學內容進行改革,而教學內容的體系結構是決定教學內容質量的關鍵.如何構建一個最佳的教學內容體系結構,是新形勢下《電磁場與電磁波》課程實現(xiàn)最佳教學功能值得探索的問題.

1 各類《電磁場與電磁波》教材內容體系結構的比較

教材是教學內容的具體體現(xiàn)和“物化”,從教學的角度看,教材的體系結構就是向學生呈現(xiàn)知識的順序,下面我們對《電磁場與電磁波》教學內容的體系結構從宏觀角度進行比較.

1.1 體系結構比較

教材的宏觀結構是從整個教材內容的視野出發(fā),來考慮教材知識的呈現(xiàn)順序.《電磁場與電磁波》教材的宏觀結構,大致可以分為以下兩類.

體系結構1:靜態(tài)場——麥克斯韋方程組——時變場

國內《電磁場與電磁波》課程的傳統(tǒng)教材內容以謝處方和饒克謹編寫的《電磁場與電磁波》[1]經典教材為代表,其他教材也在類似的框架內,對章節(jié)的安排、具體內容的敘述和習題的選擇上略作調整.這類教材按“靜態(tài)場——麥克斯韋方程組——時變場”的順序組織教學內容,其推理方向由特殊到一般,其中麥克斯韋方程組的提出是從一些實驗定律出發(fā),逐步將其一般化,最后綜合而成.這類結構的優(yōu)點在于:在學生具備高等數(shù)學和物理學中的《電磁學》知識的基礎上,采用這一體系結構組織教材內容,起點較低,學生易于接受.

體系結構2:麥克斯韋方程組——時變場——靜態(tài)場

為了充實時變電磁場的內容,有一類教材在一開始回顧電磁學的基本定律,從而引出麥克斯韋方程組,緊接著討論時變電磁場,進而討論電磁波的傳播與輻射特性,最后把靜態(tài)電磁場作為時變電磁場的特殊情況來呈現(xiàn).楊顯淸、趙家升的《電磁場與電磁波》[2]就采用這樣的體系結構.這類結構的優(yōu)點在于:有利于建立電磁場與電磁波的整體概念和理論框架,在與《大學物理》中的電磁學部分有較好的銜接的同時,又避免了在內容上過多的重復,有效地壓縮了靜態(tài)場,充實了時變場的內容.

我國的《電磁場與電磁波》教材宏觀結構大致為以上兩種.在書中或最后增加了一些專題章節(jié)的教材,其基本結構還是屬于以上兩類.國外《電磁場與電磁波》教材的宏觀結構大致也可分為以上兩種,大部分采用“靜態(tài)場——麥克斯韋方程組——時變場”的體系結構,只是國外教材的內容涵蓋面要廣泛得多,注重理論聯(lián)系實際,所以篇幅一般較大.教材供超過一個學期使用,當然,教師也可以靈活選擇內容,供一個學期使用.

1.2 體系結構分析

從以上比較來看,教材的基本結構仍以“靜態(tài)場——麥克斯韋方程組——時變場”和“麥克斯韋方程組——時變場——靜態(tài)場”為主.兩種體系結構雖然各自有其優(yōu)點,但又各自有其不足.

體系結構1中靜態(tài)場部分與《電磁學》內容重復較多,所占課時多,勢必壓縮了時變場部分的內容.體系結構2以時變場為起點,起點較高,在可接受性上不如體系結構1.也有部分教材期望在原有的基本結構基礎上,增補一些電磁場與電磁波前沿知識或學科發(fā)展過程的內容,來豐富教學內容.如采取另設章節(jié)的方法將新增內容嵌入原有教材結構,但在專題內容的選取中,內容的前沿性、新穎性、啟發(fā)性以及對后續(xù)課程鋪墊功能上需要編者下功夫,同時應考慮教材的系統(tǒng)性是否受到影響.此外,這種實踐會增加學生學習負擔,在體系結構上并沒有彌補原有結構的不足之處.

因此,有必要從教材的宏觀結構著手,對《電磁場與電磁波》的體系結構進行改造,而不是在原有的體系結構上修修補補.但無論教材結構如何改,仍應抓住麥克斯韋方程組這條主線對知識結構進行梳理.

2 《電磁場與電磁波》教學內容新體系結構的構建

2.1 理論依據(jù)

美國著名的心理學家、教育學家杰洛姆·希摩爾·布魯納認為:“不論我們教什么學科,務必使學生理解該學科的基本結構[3]”.明確的知識結構是易于理解并易于領會的知識整體,也就是說個別的、特殊的事實和現(xiàn)象與知識結構建立起聯(lián)系,這些個別特殊的事實和現(xiàn)象是知識結構中給出的一般情況中的各種特例.布魯納認為:1)現(xiàn)行的極其豐富的學科知識,都可以結構化.2)好的學科知識結構應當可以使學科內容盡量簡約化,并使之具有遷移力. 3)人所具有的知識同該知識以什么順序、什么方式加以掌握緊密聯(lián)系.4)從形成知識的順序和方式看,至少有三層階段.第一層是行為掌握,第二層是圖像掌握,第三層是符號掌握.這三種掌握方式有一定的相互關系,形成一連串的順序階梯.對教學內容結構體系的設計應從學生的心理學角度進行考慮,注重創(chuàng)造性地把命題轉化成適合學生心理特性的內容,以更好地發(fā)揮他們的主體性.

2.2 新內容體系結構構建

在比較了教材內容體系結構的基礎上,在布魯納知識結構理論的指導下,我們對《電磁場與電磁波》課程的內容體系結構進行了大膽的改革設想,采用“真空中的電磁場與電磁波——介質中的電磁場與電磁波——電磁場與電磁波專題介紹”這一新穎的體系結構組織教學內容.

電磁場與電磁波的數(shù)學基礎作為第一章.以下的教材內容分三篇,第一篇為真空中的電磁場與電磁波,分為:真空中宏觀電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律、真空中的電磁場與波兩章.第二篇為介質中的電磁場與電磁波,分為:介質中的麥克斯韋方程組及邊界條件、電磁場邊界問題的求解、平面電磁波的傳播、導行電磁波四章.第三篇為電磁場與電磁波專題介紹,分為五個專題:靜態(tài)場的應用、靜態(tài)場邊值問題的數(shù)值分析、光纖通信、天線系統(tǒng)、生物電磁學.傳輸線的內容則安排在后續(xù)課程《微波技術》中講述.

這一體系結構的開頭一章電磁場與電磁波的數(shù)學基礎簡要介紹矢量分析與場論,它是研究電磁場與電磁波問題的主要數(shù)學工具.第一篇則以矢量分析為主要推理工具,展開對描述電磁現(xiàn)象的基本概念、基本規(guī)律、基本方法的研究和學習,總結出在真空中的麥克斯韋方程組.

第二篇介紹介質的極化、磁化以及時變場中介質的色散,平面電磁波在無界介質、介質分界面、有界介質中的傳播特性,以求解各種邊值問題為目的,體現(xiàn)演繹法的特點和功能.

第三篇的內容可以分為靜態(tài)場、動態(tài)場以及與電磁理論交叉的領域三塊.第三篇內容是在第一篇與第二篇基礎上的拓展.

3 新體系結構的特點

3.1 克服原有教材體系結構的不足

這一新體系結構突破原有的基本體系結構,在第一篇和第二篇中把靜態(tài)場與時變場有機結合,有效克服了體系結構1中時變場“姍姍來遲”的缺點,同時也克服了體系結構2中以時變場開頭,起點高的不足.第一篇所研究的基本定律以及它們的解只限于真空中的情況,第二篇則引入介質,討論介質中的麥克斯韋方程組及其解,是上篇的應用.這樣的體系結構讓學生能循序漸進地學習課程的基本知識、方法和技能,學會應用;并且有效地分散教學難點,減少學生的學習難度.體系結構的變革也為新內容的增添提供了廣闊空間,第三篇的設置用于增添新內容,克服在原有結構中過多新內容的嵌入破壞體系風格的缺陷.

3.2 夯實基礎教學內容,教材的靜態(tài)結構合理

所謂知識結構,是在學科結構的基礎上,加上教學中涉及到的學科的知識而構成的知識體系,教材的靜態(tài)結構是教材體系結構中的知識構成問題[4].在《電磁場與電磁波》教材中,麥克斯韋方程組是線索,它完整而嚴密地描述了電磁場的全部特性,包括電磁場與電荷、電流分布之間的關系以及變化的電磁場量之間的關系,它以基本實驗定律為基礎.麥克斯韋方程組的解給出了所有電磁場問題的解答.在新體系結構中我們依然抓住了這一條主線,從麥克斯韋方程組可以導出靜電場的標量電位、恒定磁場的矢量磁位、時變電磁場的滯后位,討論真空中的靜態(tài)場和真空中的平面電磁波傳播以及真空中的電磁波輻射.在介質中,根據(jù)麥克斯韋方程組和特定條件解波動方程,討論電磁波在無界介質中的傳播;麥克斯韋方程組轉化的波動方程加上邊界條件解得平面波在分界面的反射、折射和在有界空間中的傳播.從教材的靜態(tài)結構看,內容覆蓋電磁場與電磁波的基本知識點,而且知識要素的結合極富創(chuàng)造性.

3.3 教材內容的局部與整體更新相結合,教材的動態(tài)結構合理

體系結構的變革不僅帶動已有內容發(fā)生變化,同時也為增添新內容提供了廣闊空間.教材內容和體系結構更新的問題,即教材內容和體系結構的動態(tài)結構[5].新體系結構中教材內容的更新,主要體現(xiàn)在第三篇電磁場與電磁波專題介紹,本篇介紹了光纖通信、天線系統(tǒng)的前沿技術以及電磁場與波和生物學科的交叉內容——生物電磁學,包括視網膜中的光纖,心臟偶極場、生物場等內容.此外,隨著計算機的發(fā)展和用于計算的軟件的大量涌現(xiàn),在PC機上實現(xiàn)數(shù)值方法也顯得尤為重要,在第二篇中介紹了電磁場邊值問題的解析法,第三篇的靜態(tài)場邊值問題的數(shù)值分析專題中介紹MATLAB軟件基本功能、基于MATLAB的電磁場數(shù)值計算.我們旨在把下篇的內容作為電磁場與電磁波的先進主題,為學生的后續(xù)課程以及研究作鋪墊.此外,我們加強了對教材內容的整體更新,即在第一篇和第二篇部分以“評述”的形式開一些“窗口”和“接口”,用以介紹一些電磁場與電磁波中的前沿內容和當代熱點問題.比如在平面電磁波的傳播一章,介紹超光速;在各向異性介質中的均勻平面波中,介紹極化面旋轉效應在微波器件中的應用.

3.4 教材體系結構具有與學生的接受水平相適應的呈現(xiàn)與傳遞方式

教材的編寫,不只是在學科結構上作一些精簡,在內容數(shù)量上作一些變化后就移入教材,教材的知識選擇和體系結構應符合人的認知規(guī)律,其中思維起著核心作用.從宏觀的角度來考慮《電磁場與電磁波》的體系結構,由布魯納的螺旋式課程教材系列原則規(guī)定,序列化的內容要同智力發(fā)展水平相一致,該序列應圍繞著基本概念而建立.第一篇所研究的基本定律以及它們的解只限于自由空間(即真空).第二篇則彌補這個缺陷,講述了電介質和磁介質中電磁場的宏觀特性,借助極化強度矢量P,對電介質進行研究,然后對第一篇中已介紹的自由空間中的麥克斯韋方程組進行修正.相仿,借助磁化強度M,對磁介質進行研究,引入磁荷模型,通過與電荷系統(tǒng)的類比得到磁場的解答,對自由空間中的麥克斯韋方程組加以修正,得出在介質中的麥克斯韋方程組.在電磁場與波中,麥克斯韋方程組是核心概念,按照布魯納的理論,對于這個相同的概念要在每個階段反復講授,但其復雜水平則應逐步提高.在第一篇與第二篇中對于麥克斯韋方程組這一同一概念的周期性循環(huán)產生了一個螺旋序列,并且隨著學生認識的發(fā)展,加深對麥克斯韋方程組的闡述.

4 結束語

對《電磁場與電磁波》課程結構體系的改革收到了初步的成效,學生反應良好.這門課程的進一步改革,仍要考慮實際教學中出現(xiàn)的問題的合理解決.教學內容體系結構的構建好比構建一棟大廈,在基本內容相同的情況下,不同的體系結構、闡述方式可以翻出許多花樣,正所謂仁者見仁,智者見智.隨著新世紀高等教育改革的不斷深化,《電磁場與電磁波》的教學內容體系結構將越來越多樣化,我們要不斷地摸索、實踐,著眼于新世紀電子通信人才創(chuàng)新精神的培養(yǎng)與綜合素質的提高,不斷完善課程的教學內容體系結構及與之相應的教學模式.

[1]謝處方,饒克謹.電磁場與電磁波[M].第3版.北京:高等教育出版社,1997:10.

[2]楊顯淸,趙家升,王園,等.電磁場與電磁波[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003:7.

[3]聯(lián)合國教科文組織.教育——財富蘊藏其中[M].北京:教育科學出版社,1996:30.

[4]范印哲.教材設計與編寫[M].北京:高等教育出版社, 1998:216.

An I nvestigation of Teaching Content and Plot Structure’s I nnovation"Electromagnetic Fields andWaves"for Electronic I nformation Engineering

D INGLan1,LU Jianlong2

(1.Electronics EngineeringDepartment,Wuxi Professional College of Science and Technology,Wuxi Jiangsu 214028,China;2. College of Physical Science and Technology,NanjingNormalUniversity,Nanjing Jiangsu 210097,China)

Currently,Electrom agnetic Fields and W avesteaching content has two different structures,which are“Static Field–Maxwell Equations-T ime-varying Field”and“Maxwell Equations-Time-varying Field -Static Field”.After comparing characteristics and limitations of the structures,and under the guidance ofBruner’s theory,the paper tries to find a new kind of plot structure ofElectrom agnetic Fields andW avesfor the major of electronic and information science.The new structure,which has overcome limitations of the original teachingmaterial,is“Electromagnetic Field and Electromagnetic Ware in Vacuum-Electromagnetic Field and ElectromagneticWare in Medium–Topic Introduction of Electromagnetic Field and Electromagnetic Ware”.Besides,the structure makes static state structure and dynamic state structure of teachingmaterial teachingmaterialmore logical, and has a suitable present and transfermode for acceptable level of students.

electronic information engineering;electromagnetic fields and waves;teaching content;plot structure

book=9,ebook=346

G642.0

A

2010-08-01

丁蘭(1980-),女,江蘇無錫人,講師,碩士,研究方向:微電子技術及其教學.陸建隆(1962-),男,江蘇常州人,教授,碩士,研究方向:理論物理和大學物理及其教學.

1673-2103(2010)05-0116-04