基于STEM學科融合教育理論的“電動力學”課程改革與實踐
——以“波導”為例

劉 亮，唐 麗

(綿陽師范學院數理學院，四川綿陽 621000)

0 引言

“電動力學”是關于宏觀電磁現象的經典理論，物理學類專業的核心課程.最早追溯到公元前6世紀古希臘人發現天然磁石，一直到19世紀麥克斯韋寫下了偉大的麥克斯韋方程組，現如今的5G通訊技術.可以說，電動力學所討論的電磁相互作用，是人類歷史上研究最為深入，同時也是被最廣泛應用的現代科學技術.相比于其前置課程“電磁學”，“電動力學”研討的問題立足點更高，理論更深層次、更普適，所應用到的數學也更艱深.

目前各大理工類及師范類高校對于“電動力學”課程的改革與探索還處于初級階段，多數為理論層面的探討[1-2]，還有一些是對于教學方法的探討[3-5]，對于教學實踐與現階段高校培養目標之間的矛盾研究較少，相應的課程改革實例論文也極少.本校的電動力學課程與大多數各大理工類及師范類高校一樣，一直選用的是郭碩鴻版本的《電動力學》，并按照相關教學進程進行設計.該教材在電磁學的基礎上，全面的展現了電動力學的基本理論框架，著重介紹了電磁現象的基本規律、物理概念和方法的描述，同時也吸納了電動力學領域最新的理論和應用進展[6].但是，在教學實踐過程中我們發現傳統的“電動力學”課程所講授的內容已經不太符合本校物理專業學生的培養目標，亟需進行課程改革.

本課程將基于STEM教育理論進行改革，其中STEM是以四門學科的英文首字母縮寫而成，即科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics).隨著科技的發展，人類社會所需要解決的問題的復雜程度越來越高，傳統的單學科教學的方式已經不能適應社會的需求，現實和未來的社會都迫切的需要多學科融合教學培育出來的具有跨學科創新創業能力的人才.多學科交叉融合教學不僅僅是簡單的學科跨越或者個別理論原理的相互引用，而是將各學科的知識、理論、方法和手段相互滲透、有機結合的教學，這就是STEM學科融合教學理念[7-8].這也與師范專業認證在人才培養方面不謀而合.因此，我們在進行“電動力學”課程改革時，依據STEM學科融合教育理念進行課程設計，在教學過程中緊密結合學生的現實生活體驗，將生活中的科學技術融入課堂.讓學生了解電動力學知識在生活中的廣泛應用，同時深入理解電動力學中物理定律的由來與應用.本文結合“波導”的教學案例闡述STEM學科融合教育理念在“電動力學”課程教學中的實踐.

1 凝練學習任務

我們基于STEM學科融合教育理論對于“電動力學”課程設計了一套課程設計的流程.首先，老師需要根據教學大綱、培養目標和學生水平凝練出教學的重難點.其次，根據重難點尋找生活中與此概念相關的現象和產品.然后，在講授知識之前，對此類現象和產品進行概念分析并提煉出和教學內容相關的問題，并在課堂上對學生進行提問，同時讓學生課后進行探索與研究.最后，在下一次課堂上進行總結、討論與講解.學生以此為導向，結合教學內容，學習相關知識，解決問題.學生因此能夠有效的將課本知識與現實科學技術融合，加深對學習內容的理解，同時這也鍛煉了學生跨學科創新能力.

以“波導”為例，有界空間中的電磁波的傳播屬于較難的內容，特別是一些公式的推導與計算.學生往往依靠死記硬背學習相關知識，但是我們通過生活中常見的微波爐的工作原理進行講解，能夠幫助學生快速理解公式的由來與應用，以助于學習相關內容.

微波爐在1960年代就已經作為人類的烹飪工具被大規模生產，微波爐主要組成部分有磁控管、波導管、爐腔和爐門構成(如圖1所示)，其它的如定時器、功率分配器等電路元件不在我們討論的范圍之內.其中磁控管為微波爐的核心部件，主要由它來產生微波；波導管負責將微波導入爐腔內使其加熱食物；爐門則由金屬框架和玻璃觀察窗構成，且玻璃觀察窗中有一層金屬網.

圖1 微波爐結構示意圖和實拍圖Fig.1 Schematic view and real picture of microwave oven

雖然微波爐在生活中被廣泛使用，但由于大多數人對微波爐的工作原理不甚了解，關于微波爐的各類謠言層出不窮，例如會致癌、有輻射等等，這些謠言廣泛傳播于人群之中，其中不乏大學理科專業學生.部分原因就在于本科教學中缺乏多學科融合教學，傳統教學過程只注重于課本知識，極少將課本知識與現實生活聯系起來.學生只掌握了課本知識、解題技巧，卻無法指導其現實生活，創新也自然無從談起.

2 整體教學設計

在第四章講解完第三節內容后，學生們對于真空中的電磁波的性質已經有了一定的了解，并且掌握了有導體存在時電磁波的傳播規律與在有界空間中的傳播規律.在自由空間中的電磁場滿足如下方程：

(1)

通過對公式(1)的第一第二式取旋度，然后基于矢量分析和第三第四式，可以將四個方程化成如下形式的兩個方程：

(2)

(3)

再利用邊值關系，可以計算得到電磁波入射在導體表面上的反射系數：

(4)

學生有了以上的知識儲備，教師就可以布置一項課后任務，讓學生課后探究微波爐的工作原理、微波爐的工業設計要點，將手機放置在微波爐里實驗能否接通電話，并在下節課分組進行發言討論.學生通過線下實際觀察和線上搜索，每個小組都有一定的結論，并且在課上踴躍發言.

通過探究活動，同學們發現將手機放置在微波爐內，有些能夠接通電話，有些卻不能接通電話.在查詢資料后明白，原來手機的通訊頻率和家用WiFi都是在2.45 GHz附近，因此微波爐應該能夠屏蔽手機信號，但無法解釋有些電話卻能接通.同學們也基本知曉微波爐實際上就是通過頻率為2.45 GHz的電磁波驅動極性分子(如液態水、脂肪和糖等)進行高頻震蕩，分子之間發生強烈的相互作用并交換能量，將反轉運動的能量轉化為水分子的平移動能即熱量.有些同學還發現絕大部分微波爐內是帶有轉盤的，得出的結論是轉盤可以使食材更均勻的受到微波的照射.部分同學發現微波爐的外殼有些是塑料的，但是內腔都是金屬.通過討論，他們了解使用金屬是為了反射微波，使得微波束縛在腔內，避免微波的泄露以及更好的利用微波.還有些同學發現絕大部分微波爐的門都是由玻璃和金屬網構成的，對于為什么金屬網能夠屏蔽微波存在疑問，在課堂上展開了熱烈的討論.討論后同學們的疑問主要集中在為什么微波爐的爐門是由帶有孔洞的金屬網構成，對金屬網能否屏蔽微波持有疑慮.很明顯，帶著這些疑慮，同學們對接下來的課程的興趣大大提高.

圖2 水在0 ℃到100 ℃之間的介電常數的實部與虛部[9]Fig.2 Dielectric permittivity and dielectric loss of water between 0 ℃ and 100 ℃

圖3 兩個葡萄在微波的激發下產生了電火花[10]Fig.3 Plasma between two grapes sexcited by microwave

(5)

(6)

3 結語

通過結合微波爐的例子進行“電動力學”課程的教學，學生聽課等學習的積極性有很大程度的提高，對于知識的理解也不再浮于表面.在基于STEM學科融合教學模式下，課程充分激發了學生對于知識的探索欲，學生的創新精神明顯增強.同時，學生進一步認識到自己所學知識在實際生活中的運用，對本專業的認同感也有所提高.實際上，“電動力學”所教授的知識早已被廣泛應用于實際生活、工程實踐、軍事科技中，我們可以從中提取大量素材，進行“電動力學”課程改革.因此，我們應該進一步基于STEM學科融合教學理念對“電動力學”課程進行改革，以學生為中心，不斷優化課程內容，扭轉目前“電動力學”課程僵化、陳舊等問題，最終穩步提高教學質量.