“探究式教學(xué)”在“微波技術(shù)基礎(chǔ)與微波電路”課程中的應(yīng)用

倪為民　劉　涵　王培章　朱衛(wèi)剛　李平輝

摘 要 本文介紹了“探究式教學(xué)法”的基本含義，給出了將“探究式教學(xué)法”應(yīng)用于“微波技術(shù)基礎(chǔ)與微波電路”課程教學(xué)的兩個(gè)案例。通過實(shí)施“探究式教學(xué)法”，促進(jìn)了學(xué)生主動(dòng)探索、思考，積極參與和實(shí)踐的積極性，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 探究式教學(xué) 微波技術(shù) 微波電路

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.03.040

0 引言

“微波技術(shù)基礎(chǔ)與微波電路”是通信與信息、電子與電氣等專業(yè)通用的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程涵蓋了微波技術(shù)的基本內(nèi)容，①包括微波傳輸線及其理論、微波網(wǎng)絡(luò)理論、微波無源元件及微波有源電路等，實(shí)現(xiàn)了承上啟下、從低頻電路到高頻電路的過渡。既有用電磁場(chǎng)理論即所謂“場(chǎng)”的理論分析波導(dǎo)傳輸線、波導(dǎo)諧振腔等的工作原理與特性，也有用網(wǎng)絡(luò)理論即“路”的理論分析同軸線、帶狀線、微帶線及其組成的微波元件的工作原理、工作特性，還有關(guān)于具有高頻特性的微波二極管及其電路、微波晶體管及其電路的分析。因此，學(xué)生普遍反映該課程內(nèi)容廣、公式多，比較難學(xué)。針對(duì)課程特點(diǎn)及學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的問題，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮他們自主學(xué)習(xí)的能力，應(yīng)采用多種教學(xué)手段，如“啟發(fā)式教學(xué)”、“討論式教學(xué)”、“探究式教學(xué)”等以提高教學(xué)效果。

本文簡(jiǎn)單介紹了“探究式教學(xué)”的概念，列舉了在“微波技術(shù)基礎(chǔ)與微波電路”課程教學(xué)中運(yùn)用“探究式教學(xué)”的幾個(gè)案例。

1 探究式教學(xué)法簡(jiǎn)介

關(guān)于探究式教學(xué)法，關(guān)鍵詞就是要明確什么是探究。美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)探究的定義是：②“探究是多層面的活動(dòng)，包括觀察，提出問題，通過瀏覽書籍和其他信息資源發(fā)現(xiàn)什么是已經(jīng)知道的結(jié)論，制訂調(diào)查研究計(jì)劃，根據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)對(duì)已有的結(jié)論作出評(píng)價(jià)，用工具收集、分析、解釋數(shù)據(jù)，提出解答、解釋和預(yù)測(cè)，以及交流結(jié)果。探究要求確定假設(shè)，進(jìn)行批判的和邏輯的思考，并且考慮其他可以替代的解釋?！?/p>

探索式教學(xué)法在具體應(yīng)用時(shí)，由教師提出一些事例和問題，通過閱讀、觀察、實(shí)驗(yàn)、思考、討論等過程，讓學(xué)生自己獨(dú)立探究，自行發(fā)現(xiàn)并掌握其中的原理和結(jié)論。它的指導(dǎo)思想是發(fā)揮學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生主動(dòng)地思考，探索認(rèn)識(shí)和解決問題的方法和步驟，研究具體事例中的客觀屬性，發(fā)現(xiàn)事例內(nèi)部的聯(lián)系和發(fā)展規(guī)律，從中找出相應(yīng)的討論結(jié)論，形成自己的概念和觀點(diǎn)?？梢娫谔骄渴浇虒W(xué)的過程中，突出強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位和自主能力。學(xué)生需要主動(dòng)思考，提出問題并解決問題，而不是讓學(xué)生直接接受書本上或者教師給出的現(xiàn)成結(jié)論。

實(shí)施探究式教學(xué)法包括以下幾個(gè)步驟：③

（1）設(shè)問質(zhì)疑階段。根據(jù)教學(xué)目的和內(nèi)容，準(zhǔn)備相應(yīng)的事例和問題，提出的問題應(yīng)經(jīng)過精心考量，難度適度、邏輯合理。為了充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，也可以引導(dǎo)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問題。

（2）探索研究階段。督促學(xué)生擬定合理的研究計(jì)劃，選擇恰當(dāng)?shù)姆椒āＳ蓪W(xué)生收集資料，充分利用圖書或者互聯(lián)網(wǎng)資源，對(duì)資料進(jìn)行分析研究，包括數(shù)據(jù)分析，歸納，尋求問題的答案。這個(gè)過程可以由學(xué)生單獨(dú)完成，也可以組成研究小組來完成，要注意培養(yǎng)學(xué)生尋求合作的團(tuán)隊(duì)精神。

（3）思考作答階段。經(jīng)過探索研究階段，學(xué)生要把相關(guān)的資料進(jìn)行總結(jié)梳理，對(duì)問題得出自己的觀點(diǎn)和結(jié)論。不同的研究小組可以就同一問題分別提出本組不同的解釋或看法，將自己的結(jié)論清楚地表達(dá)出來，匯總后大家共同探討。

（4）分享矯正階段。各個(gè)研究小組把自己的探究結(jié)果介紹給全體同學(xué)，展開討論、辯論，通過比較和綜合，使不準(zhǔn)確的部分得到完善。教師在這個(gè)過程中要適時(shí)給予指導(dǎo)，肯定長(zhǎng)處，指出不足，營(yíng)造熱烈又融洽的交流氛圍。

2 “微波技術(shù)基礎(chǔ)與微波電路”課程教學(xué)中運(yùn)用“探究式教學(xué)”的案例

根據(jù)“微波技術(shù)基礎(chǔ)與微波電路”課程標(biāo)準(zhǔn)及教學(xué)大綱要求，針對(duì)課程內(nèi)容，我們?cè)诮虒W(xué)過程中合理地選擇以下幾個(gè)具有代表性的問題點(diǎn)，運(yùn)用“探究式教學(xué)法”達(dá)到較好的教學(xué)效果。

（1）電磁場(chǎng)理論中“唯一性定理”、“復(fù)坡印廷定理”和低頻電路理論中“復(fù)功率定理”的應(yīng)用。用電磁場(chǎng)理論分析微波電路的工作特性，可以通過求解滿足一定邊界條件的麥克斯韋爾方程組的方法，這種方法可以得到精確解，但往往由于邊界條件的復(fù)雜性而得不到解析解、或者數(shù)學(xué)求解過程本身就十分繁瑣，即便用數(shù)值解法也很耗時(shí)。而用微波網(wǎng)絡(luò)理論來分析微波電路的工作特性，則可避免上述這些缺陷，更大的好處是網(wǎng)絡(luò)參量是可以通過實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定的，雖然結(jié)果是近似正確的，但能滿足工程應(yīng)用。問題的關(guān)鍵是：為什么微波電路可以等效為微波網(wǎng)絡(luò)？如何將微波電路等效為微波網(wǎng)絡(luò)？在學(xué)生充分理解用微波網(wǎng)絡(luò)理論分析微波電路工作特性的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，我們把這兩個(gè)問題作為學(xué)生探究學(xué)習(xí)的內(nèi)容布置下去，安排10個(gè)學(xué)生分成兩組，分別探究學(xué)習(xí)以上兩個(gè)問題，并作適當(dāng)探究提示：從以前學(xué)過的知識(shí)中去尋找理論支持。

兩組學(xué)生分別收集了參考資料并進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，一組學(xué)生在電磁場(chǎng)理論中找到了理論依據(jù)—“唯一性定理”，但對(duì)“唯一性定理”如何用還存在疑慮。老師向這組學(xué)生展示了一些微波電路實(shí)物，并再次啟發(fā)他們網(wǎng)絡(luò)端口參考面上電壓、電流與橫向電場(chǎng)、磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這組學(xué)生經(jīng)過再次討論學(xué)習(xí)，很快理解了“唯一性定理”是把微波電路等效為微波網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)。另一組同學(xué)在通過討論，認(rèn)為應(yīng)用電磁場(chǎng)理論中的“復(fù)坡印廷定理”可以把微波電路等效為微波網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)椤皬?fù)坡印廷定理”反映了流入、流出閉合體的電磁能量與閉合體中電磁儲(chǔ)能及耗能的關(guān)系，但對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)的電路表現(xiàn)形式還不清楚。老師啟發(fā)學(xué)生再研究復(fù)功率定理及集總參數(shù)電感、電容的儲(chǔ)能特性，學(xué)生把電場(chǎng)儲(chǔ)能與電容儲(chǔ)能對(duì)應(yīng)、磁場(chǎng)儲(chǔ)能與電感儲(chǔ)能對(duì)應(yīng)、閉合體耗能與電阻耗能對(duì)應(yīng)，結(jié)合低頻電路理論中的“復(fù)功率定理”，找出了把微波電路等效為集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的方法。

（2）網(wǎng)絡(luò)參考面移動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)參量的影響。微波傳輸線上存在分布參數(shù)的串聯(lián)電感、串聯(lián)電阻、并聯(lián)電容、并聯(lián)電導(dǎo)，傳輸線上各點(diǎn)的電壓波和電流波的幅度和相位都不同，因而把微波電路等效為微波網(wǎng)絡(luò)時(shí)，端口參考面位置的變化將使網(wǎng)絡(luò)參量發(fā)生變化，這是微波網(wǎng)絡(luò)理論區(qū)別于低頻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)之處。微波網(wǎng)絡(luò)理論中通常用散射參量來表征微波電路的工作特性，我們把探究網(wǎng)絡(luò)端口參考面移動(dòng)如何影響網(wǎng)絡(luò)的散射參量作為一個(gè)研究課題交予學(xué)生，并要求他們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

學(xué)生們?cè)谏钊雽W(xué)習(xí)研究微波傳輸線理論后，掌握了微波傳輸線上不同位置歸一化入射波、反射波幅度和相位的關(guān)系，在理論上推導(dǎo)了微波網(wǎng)絡(luò)端口參考面移動(dòng)后散射參量的變化規(guī)律。隨后探究了二端口互易網(wǎng)絡(luò)散射參量的測(cè)試方法，自己搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，先測(cè)出給定微波二端口網(wǎng)絡(luò)的散射參量，再通過在二端口網(wǎng)絡(luò)端口加、減傳輸線的方法改變端口參考面，測(cè)出新的二端口網(wǎng)絡(luò)的散射參量，對(duì)理論推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中，老師進(jìn)一步提出了如何用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證多端口網(wǎng)絡(luò)的端口參考面移動(dòng)對(duì)散射參量的影響，同學(xué)們?cè)谏钊敕治霾⒗斫舛丝趨⒖济嬉苿?dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)散射參量影響的原理，及實(shí)驗(yàn)法測(cè)量二端口網(wǎng)絡(luò)散射參量的原理后，很快找出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。

參加兩個(gè)探究課題的學(xué)生均寫出了詳細(xì)的學(xué)習(xí)、研究報(bào)告，并在課堂上進(jìn)行了講解討論，與其他同學(xué)們分享了探究成果。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上只是我們?cè)趯?shí)施“微波技術(shù)基礎(chǔ)與微波電路”課程教學(xué)過程，采用精心設(shè)計(jì)的運(yùn)用“探究式教學(xué)法”案例中的兩個(gè)。第一個(gè)案例讓學(xué)生在探究學(xué)習(xí)過程中，充分體會(huì)到大學(xué)課程設(shè)置的科學(xué)性、知識(shí)的連貫性，學(xué)好每一門課程對(duì)掌握知識(shí)的重要性。第二個(gè)案例讓學(xué)生深刻理解了微波的特點(diǎn)，發(fā)揮了他們的想象力，培養(yǎng)了他們的實(shí)際動(dòng)手能力。同學(xué)們普遍反映，通過探究式的教與學(xué)，提高了他們的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了邏輯思維能力，表示要在今后的學(xué)習(xí)中要主動(dòng)參與、主動(dòng)探索、主動(dòng)思考、主動(dòng)實(shí)踐。同時(shí)，如何更好地運(yùn)用“探究式教學(xué)法”，也對(duì)老師提出了更高的要求，老師要在如何精心地設(shè)置探究課題、如何引導(dǎo)學(xué)生探究、如何指導(dǎo)學(xué)生對(duì)探究成果進(jìn)行總結(jié)等方面下功夫。

注釋

① 范壽康.微波技術(shù)與微波電路[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

② 周正源，楊流元.探究式教學(xué)法探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2001（2）：99-101.

③ 薄建國(guó).大學(xué)創(chuàng)造教育的選擇——探究式教學(xué)法探討[J].繼續(xù)教育研究，2005（1）：15-17.