遙感物理基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與教學(xué)方法探討

石文軒

摘要：本文針對(duì)遙感物理基礎(chǔ)課程內(nèi)容中存在的痛點(diǎn)，提出了將傳統(tǒng)電磁波理論與遙感具體應(yīng)用結(jié)合的思路來(lái)改進(jìn)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了學(xué)生將抽象理論應(yīng)用于遙感實(shí)踐，本文也對(duì)前后課程銜接、培養(yǎng)學(xué)術(shù)科學(xué)研究的興趣的教學(xué)方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：遙感物理基礎(chǔ)；電磁波；地物目標(biāo)；遙感應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）38-0180-02

遙感物理基礎(chǔ)是遙感類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院本科人才培養(yǎng)方案（2018年版）中，已被列為平臺(tái)核心必修課。學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，掌握紫外波段、可見(jiàn)光、紅外波段、微波波段等電磁波產(chǎn)生的物理原因，它們?cè)诮橘|(zhì)中的傳輸特征和規(guī)律及它們傳輸?shù)讲煌橘|(zhì)邊界時(shí)產(chǎn)生的變化等相關(guān)問(wèn)題。遙感物理課程理論性較強(qiáng)，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生從物理微觀角度掌握各種電磁波信號(hào)與各種介質(zhì)發(fā)生作用的機(jī)理以及分析解決一些能量傳輸變化的問(wèn)題，為今后學(xué)習(xí)遙感專(zhuān)業(yè)課，如：遙感原理與應(yīng)用、微波遙感、海洋遙感和進(jìn)行科學(xué)研究打下牢固的專(zhuān)業(yè)理論基礎(chǔ)。

由于遙感探測(cè)所使用的0.3—2.5微米的紫外、可見(jiàn)光、紅外，以及微波波段，這些都屬于電磁波，區(qū)別在于信號(hào)的波長(zhǎng)不同，因此，長(zhǎng)期以來(lái)，課程內(nèi)容主要是以電子信息、物理學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的必修課《電磁場(chǎng)與電磁波》[1]為課程教材進(jìn)行展開(kāi)。遙感類(lèi)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案?jìng)?cè)重于讓學(xué)生學(xué)習(xí)不同波長(zhǎng)的電磁波與各種地物（植被、水體、土壤、沙漠、冰面、城區(qū)等）作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生的各種現(xiàn)象和結(jié)果，分析其產(chǎn)生的物理原因。因此，遙感物理基礎(chǔ)作為遙感類(lèi)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，需要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁波與各種地物作用時(shí)的變化原理及其應(yīng)用。

另外，據(jù)筆者調(diào)查，目前從電磁波原理及其與地物作用的角度編寫(xiě)的遙感物理本科生教材依然是空白。作者結(jié)合自己在武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院講授遙感物理基礎(chǔ)本科課程的經(jīng)歷和體會(huì)，提出了遙感物理基礎(chǔ)本科教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，并對(duì)本課程開(kāi)設(shè)過(guò)程中的教學(xué)方法進(jìn)行了探討，希望能為同行提供部分參考。

一、遙感物理基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容的具體設(shè)計(jì)

1.將電磁波理論落實(shí)到遙感應(yīng)用。通過(guò)電磁場(chǎng)與電磁波基本理論的學(xué)習(xí)，學(xué)生們會(huì)學(xué)習(xí)到物質(zhì)的性質(zhì)主要由三個(gè)參數(shù)決定，分別是介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ。不同的電磁波信號(hào)入射到介質(zhì)分界面時(shí)，由于這三個(gè)參數(shù)的不同，也會(huì)產(chǎn)生不同的反射、透射和折射效果。遙感物理基礎(chǔ)課程需要加入不同地物這三個(gè)參數(shù)的具體形式，以及通過(guò)具體地物對(duì)電磁波作用的實(shí)驗(yàn)，從而使學(xué)生有更深入的感性認(rèn)識(shí)。

以土壤為例，自然界土壤表面的幾何和介電特性不同，影響土壤表面特性的物理過(guò)程，主要是電磁波作用過(guò)程。在課程中，應(yīng)該向?qū)W生介紹用以描述這些土壤表面特性的參數(shù)及其測(cè)量和使用方法。土壤是由空氣、固態(tài)土壤、束縛水和自由水四種物質(zhì)的介電混合體。在電磁波理論學(xué)習(xí)中，學(xué)生會(huì)了解到通常情況下物質(zhì)的介電常數(shù)可以表示為復(fù)介電常數(shù)的形式，通過(guò)查閱資料，可以向?qū)W生舉例土壤的復(fù)介電常數(shù)也可以用以下形式表示：ε=ε'-jε"

上式中，ε'為復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部，其含義為在兩種不同介質(zhì)表面發(fā)生的波的折射和反射現(xiàn)象，與介質(zhì)的介電特性有關(guān)，ε"為復(fù)介電常數(shù)的虛部，與入射電磁波在介質(zhì)中的衰減（吸收和轉(zhuǎn)化）有關(guān)，土壤表面ε"？塏ε'。對(duì)于干土壤來(lái)說(shuō)，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部的值的范圍大致在2—4之間，虛部的值在0.05以下。當(dāng)土壤中含水量逐漸增大時(shí)，自由水含量增大，土壤介電常數(shù)的實(shí)部迅速增大。那么，可以結(jié)合不同含水量土壤的介電常數(shù)參數(shù)變化情況，進(jìn)行定量舉例并給出計(jì)算推導(dǎo)過(guò)程，讓學(xué)生明白為什么含水量不同的土壤在可見(jiàn)光波段會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色。同時(shí)，也可讓學(xué)生們發(fā)散思維思考一下在紅外和微波波段，土壤對(duì)電磁波的作用與可見(jiàn)光波段有什么不同，從而理解電磁波在不同介質(zhì)表面發(fā)生的各種物理現(xiàn)象的原理。

2.將原子物理相關(guān)理論引入教學(xué)。遙感物理基礎(chǔ)不僅要讓學(xué)生們掌握電磁波與地物作用的各種應(yīng)用，也需要掌握不同波長(zhǎng)電磁波產(chǎn)生的原因。基于以上原因，教學(xué)過(guò)程中需要讓學(xué)生理解電磁輻射的產(chǎn)生機(jī)理，即電子軌跡的變化產(chǎn)生短波輻射，分子的振動(dòng)變化產(chǎn)生近紅外和中紅外輻射，分子的旋轉(zhuǎn)變化產(chǎn)生長(zhǎng)波紅外輻射或微波輻射。主量子數(shù)、副量子數(shù)、磁量子數(shù)、自旋量子數(shù)不同也會(huì)導(dǎo)致電子軌道不同，正是由于四個(gè)量子數(shù)不同，造成電子從不同軌道回歸時(shí)輻射出電磁波波長(zhǎng)的不同。通過(guò)這樣的教學(xué)過(guò)程，可以啟發(fā)學(xué)生思考一些問(wèn)題，比如如何通過(guò)電子軌道躍遷的知識(shí)計(jì)算某種特殊頻率的電磁波所對(duì)應(yīng)的電子軌道特征，如何通過(guò)這種特征進(jìn)行產(chǎn)生輻射的電磁材料選型，從而設(shè)計(jì)出產(chǎn)生某特殊波段電磁波輻射源的傳感器原型。

3.引入復(fù)雜地物對(duì)電磁波的作用內(nèi)容。在教學(xué)中，從電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的微觀角度，引入復(fù)雜地物目標(biāo)的電磁波散射特性、輻射特征與復(fù)雜多層地物目標(biāo)本身的特性參數(shù)之間的關(guān)系，并據(jù)此讓學(xué)生們思考如何更好地選擇遙感傳感器系統(tǒng)參數(shù)。了解地物目標(biāo)在不同表面粗糙度、不同入射角對(duì)電磁波的響應(yīng)情況，研究復(fù)雜地物目標(biāo)的電磁波反射、透射、折射特性。這對(duì)于有效地應(yīng)用星載傳感器數(shù)據(jù)觀測(cè)地表復(fù)雜環(huán)境，并對(duì)獲取的復(fù)雜環(huán)境各種參數(shù)的定量反演、驗(yàn)證提供最客觀的科學(xué)依據(jù)。例如，由于地表植被為非各向同性介質(zhì)，植被結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，組成植被結(jié)構(gòu)的各部分如莖、桿、葉具有不同形狀、大小、厚度、朝向，因此形成不同電磁波反射、透射、折射機(jī)制。在課堂上，可引導(dǎo)學(xué)生思考這些不同電磁波的來(lái)源，并進(jìn)行相關(guān)定量分析，比如可分為三部分：來(lái)自植被冠層的直接反射和透射，來(lái)自下墊面粗糙地表的直接反射和透射，以及冠層、桿部、地表各部分之間相互耦合的反射、透射和折射等。

二、遙感物理基礎(chǔ)教學(xué)方法的探討

遙感物理基礎(chǔ)是一本理論性非常強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課程。這門(mén)課的前序相關(guān)課程有：大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等。特別是大學(xué)物理的電磁學(xué)部分，與電磁場(chǎng)與電磁波教材有相當(dāng)比例的重復(fù)內(nèi)容。而高等數(shù)學(xué)的內(nèi)容過(guò)多，用于遙感物理基礎(chǔ)場(chǎng)論部分的內(nèi)容需要強(qiáng)化。為了讓學(xué)生在課程中減少陌生感，增強(qiáng)課程與前序課程的緊湊感，作者在教學(xué)中采用了如下方法：

1.回顧場(chǎng)論的知識(shí)。采用案例教學(xué)，使學(xué)生們強(qiáng)化三個(gè)坐標(biāo)系（直角坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系）、三個(gè)度（梯度、散度、旋度）的相關(guān)知識(shí)。例如，引入高頻地波雷達(dá)探測(cè)到的太平洋上洋流場(chǎng)的形態(tài)，指導(dǎo)學(xué)生掌握散度和旋度的概念及其區(qū)別。

2.增加麥克斯韋方程組微分方程的講解。在大學(xué)物理電磁學(xué)部分，課程著重講解了麥克斯韋方程組的積分形式，但遙感物理基礎(chǔ)更側(cè)重于使用微分形式。學(xué)生們普遍反映這里的銜接太簡(jiǎn)單。因此在教學(xué)中，需要指導(dǎo)學(xué)生靈活使用散度定理和斯托克斯定理，完成麥克斯韋方程組積分形式到微分形式的轉(zhuǎn)換。

3.減少靜態(tài)電磁場(chǎng)的教學(xué)內(nèi)容。遙感物理基礎(chǔ)更多強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)的電磁波與地物的作用，而很少涉及靜態(tài)電磁場(chǎng)與地物作用的應(yīng)用。再者，靜態(tài)電磁場(chǎng)在大學(xué)物理中已有很大篇幅進(jìn)行講解。因此在學(xué)時(shí)有限的情況下，減少靜態(tài)電磁場(chǎng)的教學(xué)內(nèi)容，可以使教學(xué)內(nèi)容更緊湊，將更多的課時(shí)投入電磁波與地物作用的內(nèi)容講解。

4.捋清與微波遙感課程中極化概念的區(qū)別。遙感物理基礎(chǔ)中有個(gè)章節(jié)叫做“均勻平面波在無(wú)界空間的傳播”，在這一章中，將電磁波的極化分為了直線極化、圓極化和橢圓極化三種類(lèi)型，并且對(duì)于后兩種類(lèi)型又細(xì)分為左旋極化和右旋極化兩種。但在微波遙感課程中，電磁波的計(jì)劃分為水平極化和垂直極化。這樣的劃分方法各有各的原因，但為了使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不產(chǎn)生困惑，需要在教學(xué)中仔細(xì)講解這兩種劃分方式的區(qū)別與聯(lián)系。

三、結(jié)語(yǔ)

遙感物理基礎(chǔ)是一門(mén)理論與應(yīng)用相結(jié)合的課程，在新版的本科生培養(yǎng)方案中，該課程的重要性被提到了非常重要的地位，成為是遙感類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心平臺(tái)必修課，對(duì)于學(xué)生理解和掌握遙感的基本原理以及后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)都非常重要。如何設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)方法是一件非常重要和有意義的課題。本文針對(duì)遙感物理基礎(chǔ)本科課程教學(xué)的現(xiàn)狀及自己的教學(xué)經(jīng)歷，提出了對(duì)遙感物理教學(xué)內(nèi)容調(diào)整的思路，并就具體教學(xué)方法問(wèn)題進(jìn)行了分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場(chǎng)與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2006.