電磁散射仿真課堂展示教學探索

摘要：電磁場較為抽象，初學者難以建立直觀概念。通過課堂上機編程，教師帶領學生編寫一維、二維電磁波的傳播及電磁散射，并通過顏色圖和動畫進行顯示，有助于學生快速理解電磁行為的特點。學生獲得電磁散射仿真的能力后，可自行設計電磁散射問題并加以研究，發揮學生積極探索的熱情。最后，在課堂上學生向全體同學進行展示。實踐表明這種教學方法能較好的帶動學生的學習積極性，提高教學效果。

關鍵詞：課堂展示；電磁散射；課堂編程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）52-0103-02

一、前言

課堂展示是指學生或多名學生組成的小組在課堂上向其他同學講解選定的主題，或者提前安排的某項教學活動。課堂展示根據形式可以分為個人單獨展示與小組展示兩種。個人單獨展示側重于學生個人的獨立性，充分鍛煉學生個人能力；而小組展示側重于團隊合作，要求小組成員能夠合作，共同完成某項工作。文獻[1]介紹了課堂展示法教學的一些觀點，提出課堂展示的基礎理論——建構主義。建構主義認為教學不能以教師為中心，不是信息的單向傳遞過程，而是將學生放在中心位置，融合上述三種學習策略。在信息的交流和互動中，學生對知識的理解力、對問題的分析解決能力是循序漸進式的提高的，進而形成更高級的知識架構。文獻[2]認為建構主義分為兩類，分別是認知建構主義和社會建構主義。目前西方國家大學課堂中廣泛使用PPS教學法，以學生課堂展示為核心，其教育理念的基礎就是社會建構主義。PPS法的流程是：①學生選擇課題（project），進而收集資料；②把自己的研究成果進行整理，在課堂上向全體同學展示（presentation）；③其他同學根據展示同學的課題進行討論（seminar）。文獻[3]建立了教師個人主頁，將學生的一些成果通過網頁的形式展示，但缺乏課堂互動性。

本文探討課堂展示在電磁散射仿真方面的應用情況。電磁場是電場和磁場隨空間和時間變化的場，變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，其分布特性初學者難以掌握。為快速建立對電場和磁場的直觀認識，本文采用電磁散射仿真上機編程的方式，教師帶領學生一起用Matlab編程工具對電磁波一維、二維的傳播和散射進行仿真，并將仿真結果用顏色圖加以顯示，連續顯示的顏色圖還可形成動畫。為調動學生學習、探索的積極性，再安排課堂展示環節，學生基于課堂所學，自己設計電磁散射仿真的問題，在課堂上向所有學生展示仿真結果。實踐表明，這種教學方法效果良好。

二、展示模式與選題

本文采用的課堂展示環節在飛行器設計專業的本科生《飛行器隱身技術基礎》中進行了實踐。該課程講授隱身相關的基礎知識，建立電磁散射的直觀概念有助于理解隱身的基本原理。電磁散射課堂上機編程仿真結束后，安排2個學時用于學生課堂展示。編程語言方面，Matlab具有語言簡單、不需分配內存、便于算法實現、開發速度快等特點。Matlab還內建了很多常用的數學、工程函數，便于使用者加以調用，使用起來非常方便。因此，Matlab被稱為“工程師的編程語言”。基于以上考慮，選用Matlab語言作為仿真語言。算法方面，時域有限差分法（finite-difference time-domain，FDTD）直接將麥克斯韋方程組離散成差分方程，再進行時間迭代計算，能夠反映電磁場的分布隨時間變化的情況。對于一維、二維傳播的電磁波，可以通過動畫直接顯示。在模擬電磁波二維傳播中，設置導體目標區域非常容易，模擬電磁波遇到導體后的散射現象。通過FDTD的學習，學生對數值分析中學過的差分、迭代的概念也有了直觀認識。

PPS教學法一般有兩種模式：一種模式是班上的同學分成多個小組，指定小組長，由小組長進行安排，選定展示課題，確定講解學生進行課堂展示，其他同學對該組展示內容進行討論的同時提出問題，講解同學或展示小組的其他同學進行回答。另一種模式是班上的每個同學都要進行展示。前一種模式對鍛煉學生之間的互相合作有好處，方便發揮集體智慧，但有可能使小組中一些成員不認真對待。考慮到《飛行器隱身技術基礎》作為選修課，上課人數不多，筆者在實際操作過程中采取了后一種做法。在選題方面，教師將選題的大致范圍告知學生，學生在此范圍內進行選題。學生可以從多個散射體之間的耦合散射角度展開，也可以選擇單個散射體的電磁特性進行研究，選題較為自由靈活。

三、提高課堂展示效率的原則

1.目的性原則。教學目的是教學活動的出發點，也是教學的最終歸宿，決定了整個教學過程的全部流程。任何教學活動都將圍繞著既定的教學目的展開，服務于教學目的，從而對完成教學任務有利，也便于學生理解課堂所學知識。教師在安排課堂展示過程中要圍繞既定的教學目標，并考慮課堂展示的趣味性，是否足夠生動。如對于電磁散射仿真的課堂展示，由于是基于飛行器隱身技術課程上進行學習的，所以從始至終必須緊扣隱身技術的需求，使課堂展示環節顯得更加緊湊。

2.可行性原則。可行性是為了使教學能順利進行。教師在設計展示過程中，應充分考慮班里學生的知識水平以及專業背景，課堂展示的難度要適中，同時合理安排展示所需時間。在展示進行過程中，教師可以適當地為學生提供幫助，解答部分問題。在課堂展示的程中，要注意循序漸進。如在電磁仿真的課堂展示中，課堂根據學生仿真的電磁現象，可適當講解更深入的電磁學原理，提升學生的認識水平。

3.激勵性原則。有效的課堂展示環節需要教師積極的鼓勵。教師應對學生參與的課堂展示的成果進行積極評價，使他們從中獲得幫助，并反思學習情況，提高學習的效果。如果學生能在課堂展示中得到表揚和肯定，那么學習的自信心就會增強，積極性也會提高。筆者在課堂展示中對一個學生充分肯定，學生后來自信心得以提升，學習的成績也得以提高。因此，教師應該從實際出發，積極對學生的出色表現給予表揚和鼓勵，對其不足委婉地提出建議。

四、課堂展示法的優勢

1.學生學習電磁散射特性因課堂展示環節而提高了學習興趣。在傳統的教學方式下，盡管教師講課圖文并茂，還可以結合現代教學工具的多媒體，但是從學生角度來看，他們依然是旁觀者。引入課堂展示環節能夠讓學生真正成為課堂的主人，學生在展示過程中充分發揮自己的才能，極大地提高了學生參與的積極性和創造性，激發學生對學習電磁散射的興趣和動機。如有學生在電磁仿真展示環節結束后，表示抽象的物理概念和數學公式展現成動畫后，一切都變得那么直觀，非常容易理解，對相關知識比以前更有興趣了。

2.學生可學會相互評價和尊重。在展示結束后，其他學生可以對展示的同學提出問題，展示同學進行回答，最后其他同學還可以對展示同學進行點評。學生的點評不僅讓聽眾的參與性得以大大提升，而且在展示同學和聽眾之間建立了積極交流的橋梁，一方面學生可以學會從具體的細節角度來對其他同學展示的特點進行評論，而非籠統地說好或者不好，從而評價變得有理有據，另一方面展示同學也通過學生的評價更加深刻地認識自己。經過展示和評價，同學們中間形成了相互尊重的氣氛。

3.成功實現師生角色互動，建立起良好的師生關系。課堂展示過程中師生角色互換，建立了以學生為中心的教學模式。傳統課堂教學過程中學生被動地聽教師講課，而課堂展示過程中學生要將自己對電磁現象的仿真、研究結果向全體同學進行講解。為了能把電磁仿真問題講清楚、透徹，學生要熟練掌握展示的內容，即從傳統課程的聽眾變成了的主體。這種形式實質上是學生扮演了教師的角色，教師成了聽眾。這種角色之間的轉換也讓學生對教師的教學工作有了直觀的認識，學生在后續的課程學習中，會與教師配合得更好。課堂展示教學過程中，教師與學生地位是平等的，這種平等關系對建立良好的師生關系十分有利。

4.促進學生綜合運用各種技能。電磁仿真的學習不是孤立的電磁學知識的學習，而是綜合運用各種工具的過程，包括Matlab編程語言、數值離散方法、麥克斯韋方程組、隱身技術的基本原理等。只有學生把程序、物理方程等各種知識點有機結合起來，學生的學習效果才能得到優化和充分發展。課堂展示可以將學生的技能結合在一起。在收集電磁仿真素材的過程中，學生需要閱讀大量材料，獲取必要的信息和知識點；收集的材料需要進行加工、整理，然后確定適合自己的電磁仿真主題，通過編程將之展現出來；最后，當他們在課堂上向全體同學展示時，口頭表達能力非常關鍵，需要將電磁學的原理以及仿真過程介紹給大家。

五、課堂展示效果分析

經過一段時間的嘗試，筆者認為課堂展示這種方法作為一種行之有效的手段，在電磁散射仿真教學中得到了很好的應用，取得了比較滿意的結果。在實施過程中，遇到幾個問題：首先是飛行器設計專業的學生普遍電磁學基礎較差，對電磁學的理解停留在大學物理水平；其次是課堂展示偏重于重復課堂上機編程仿真的結果，拓展性不足；第三是展示者缺乏與聽眾之間的交流和互動。這些問題在今后的實踐中會積極加以改進。

六、結論

電磁散射仿真結構的課堂展示實踐是一種非常有效的授課方法。在基于Matlab語言實現電磁散射仿真之后，學生通過課堂展示，將自己的仿真結果向全體同學展示，可以實現以下教學目的：（1）學生可以自主拓展研究主題和范圍，促進學生學習和研究的積極性。（2）通過課堂展示，增進了課堂互動環節，提高了學生課堂學習的興趣。（3）學生和教師一定程度上實現了角色互換，學生更加理解教師的工作，有助于教師后續教學工作的開展。

參考文獻：

[1]翟成蹊，吳敏.課堂展示法在大學生職業生涯規劃教學中的應用[J].教育教學論壇，2015，（19）.

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