思維導圖在“電磁場與微波技術”課程教學中的應用

劉濤 孫景芳 楊志 李永倩

[摘? ? ? ? ? ?要]? 為了提高“電磁場與微波技術”課程的教學效果，在分析課程特點的基礎之上，將思維導圖引入課程教學中，使電磁場與微波技術的學習內(nèi)容系統(tǒng)化、簡潔化、條理化，從而幫助學生構建清晰的知識結構體系，提高學生的學習興趣和課堂教學效率。

[關? ? 鍵? ?詞]? 思維導圖;電磁場與微波技術;教學方法

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）28-0071-03

一、引言

“電磁場與微波技術”是高等學校電子信息類及電氣信息類專業(yè)必修的一門技術基礎課。課程既包含電磁場與電磁波方面的內(nèi)容，同時又涵蓋了微波工程方面的一些基本知識，涉及的概念多且抽象，需要使用多種數(shù)學工具進行復雜的數(shù)學推導，從而導致一些數(shù)理基礎較薄弱的學生產(chǎn)生畏難情緒并因此失去學習興趣。此外還會出現(xiàn)另一種現(xiàn)象，即一些學生過多地關注數(shù)學推導，從而忽視了對概念本質(zhì)（物理含義）的學習以及對課程各部分內(nèi)容之間邏輯關系的梳理。

思維導圖是英國學者托尼·巴贊于20世紀60年代提出的一種圖形化思維工具[1]，其一般具有一個中心主題，由此出發(fā)向外發(fā)散分解出若干個一級關鍵詞，再從各個一級關鍵詞出發(fā)繼續(xù)向外發(fā)散分解，直至無需分解的單元為止。思維導圖運用圖文并重的技巧，用關鍵詞、圖像、色彩等將大量、繁雜的知識之間的關系用相互隸屬與相關的層級圖表現(xiàn)出來，因此更直觀、更具有邏輯性、更便于記憶。

鑒于思維導圖所具有的特點，將其引入“電磁場與微波技術”課堂之中，可以將電磁場與微波理論的基本概念和知識點用到主要數(shù)學工具等內(nèi)容上，整理成若干個樹狀的關系圖。在此基礎之上，幫助學生理解、組織、整合課程各部分的內(nèi)容，構建清晰的知識結構體系，從而提高他們的學習興趣，改善他們的學習方式，激發(fā)學習的主動性和積極性，最終提高課堂的教學質(zhì)量和效果。

二、思維導圖在“電磁場與微波技術”課程教學中的具體應用

（一）利用思維導圖引導學生構建知識結構體系

本課程選用的教材是由畢崗主編，浙江大學出版社出版的《電磁場與微波》（第二版）[2]。全書共分9章，但由于學時的限制，我們主要講授前6章的內(nèi)容。第1章為矢量分析與場論，是電磁場與微波理論學習的必備基礎知識;第2章靜態(tài)電場與恒定電場以及第3章恒定電流的磁場，一起組成了靜態(tài)電磁場理論;第4章時變電磁場與電磁波，主要講授時變電磁場與電磁波的相關理論;第5章均勻傳輸線理論，主要利用“路”的分析方法討論電磁波沿均勻傳輸線的傳播問題;第6章波導與諧振腔，利用“場”的分析方法分析金屬波導的傳輸特性。上述每一章都可以作為思維導圖中的一個一級關鍵詞，但根據(jù)各章內(nèi)容之間的關系，第2～4章可以合到一起統(tǒng)稱為電磁場與電磁波，作為一個一級關鍵詞;第5～6章可以統(tǒng)稱為微波技術基礎，作為另一個一級關鍵詞;第1章矢量分析與場論主要包括矢量的基本運算和矢量場的分析，這些是學習電磁場與微波技術理論必不可缺的數(shù)學和物理基礎，因此可以獨立出來作為第三個一級關鍵詞。根據(jù)上述分析，建立各一級關鍵詞與各章之間關系的思維導圖，如圖1所示。

圖1清晰地描繪出了本課程講授的主要內(nèi)容及各章節(jié)之間的邏輯關系，在對本課程進行基本介紹時，可以利用此圖進行講解，讓學生初步建立“電磁場與微波技術”課程的大體知識結構，有助于后續(xù)課程內(nèi)容的展開學習。

與絕大多數(shù)大學本科課程的授課過程相同，“電磁場與微波技術”課程在具體授課時也是以章節(jié)為單位開展的。如圖1所示，雖然各章之間具有一定的邏輯關系，但每一章卻又相對獨立。例如第2和3章都講的是靜態(tài)場，但第2章主要講靜電場的相關知識，而第3章主要講的是恒定磁場的相關知識。因此在具體教學中，可以將每一章都分別作為一個中心主題，然后由此出發(fā)將各章內(nèi)容分別分解成不同等級的關鍵詞，最終構建出每一章內(nèi)容的思維導圖。下面以第4章時變電磁場與電磁波為例，利用思維導圖說明此章內(nèi)容之間的邏輯關系，幫助引導學生構建此章的知識結構體系。

第4章時變電磁場與電磁波是本課程的重點章節(jié)，主要包括麥克斯韋方程組、邊界條件、時諧變電磁場、坡印廷定理和坡印廷矢量、平面電磁波、電磁波的極化、平面邊界上均勻平面波的入射等內(nèi)容，知識點和公式多，部分知識點相似卻又不同，因此本章內(nèi)容不易學習和理解。但是，本章的內(nèi)容不僅對電磁場技術而言是重中之重，其中的行駐波、相移常數(shù)、相速度等對后面第5、6章微波技術而言也是重要的知識點，因此要求學生必須熟練掌握且能靈活運用本章所學知識。為了幫助學生學習，我們構建了圖2所示的思維導圖。從圖2中可以看出，此章可以分為時變電磁場及電磁波（即時變電磁場在空間中的傳播）兩個一級關鍵詞。對時變電磁場部分，它下面可以分出4個二級關鍵詞，每個關鍵詞都是一個大的知識點，下面又涵蓋若干小的知識點，這些內(nèi)容一起描述了隨時間變化的電場和磁場之間的相互關系。對電磁波部分，它下面可以分出3個二級關鍵詞，與時變電磁場部分一樣，每個二級關鍵詞下面又涵蓋了若干小的知識點，它們一起描述了變化的電場和變化的磁場互相激發(fā)，并在空間中不斷向外傳播的問題。圖2所示的思維導圖清楚地展示出來了第4章的各知識點，且條理性強。利用此思維導圖進行教學，可以幫助學生構建第4章的知識結構體系，使學生能夠系統(tǒng)化的學習，從而提高學習效率。

（二）利用思維導圖進行自主學習

思維導圖除了可以幫助教師提高教學效果之外，學生可以在學習新的章節(jié)內(nèi)容之前，通過自己繪制思維導圖進行預習。此時在制作思維導圖的過程中不會涉及具體的公式和推導，只是讓他們對新章節(jié)的知識點有初步的認識，并按照自己的理解建立各知識點之間的關系，最后利用思維導圖的方式將這些零散的知識點邏輯化、可視化地展現(xiàn)出來，從而激發(fā)他們自主學習的積極性并培養(yǎng)他們學習本課程的興趣。在之后的正式授課過程中，學生可以根據(jù)教師講授的內(nèi)容對比前期建立的思維導圖，找到自己對本章內(nèi)容理解上的不足之處對思維導圖進行修改和完善，這樣可以增強他們對所學內(nèi)容的理解和記憶。因為每位學生的學習方式和方法、對知識的理解和吸收能力以及與本課程相關的其他知識的積累程度等都是不同的，因此在本章內(nèi)容結束之后，學生修改完善之后的最終思維導圖會有區(qū)別，但卻是最適合他們自己學習的思維導圖。利用這些思維導圖進行回顧和復習時，不僅可以對知識點再次進行系統(tǒng)化的梳理，而且可以很容易地發(fā)現(xiàn)自己學習的錯誤和不足之處，有針對性地進行學習鞏固。圖3所示是學生自己制作的第6章波導與諧振腔的思維導圖示例，從圖中可以看出，此學生根據(jù)自己的學習特點并結合教師講授的內(nèi)容對思維導圖進行了個性化的修改，如將“第5、6章的區(qū)別與聯(lián)系”單獨列為1個一級關鍵詞，此外對課上強調(diào)的一些易混概念和重要知識點進行了標注，如添加了“工作波長，導波波長，截止波長之間的區(qū)別”標注。

如上所述，學生自己繪制并修改思維導圖實際上就是對知識體系的建立和完善過程，在這個過程中他們可以發(fā)現(xiàn)自己的學習不足，自主探究各種概念之間的關系，提高他們總結和歸納的能力，提高他們學習的主動性和學習興趣，最終使整體學習能力得到培養(yǎng)和提高。

三、總結

思維導圖作為一種有效的思維管理和知識強化記憶工具，將其應用于“電磁場與微波技術”課程的教學過程中，可以使教師更有條理地展示并講解各知識點及它們之間的關系，幫助學生構建清晰的知識結構體系;學生也可以通過自己繪制并修改思維導圖實現(xiàn)自主梳理知識點，發(fā)現(xiàn)自身學習的不足之處，從而最終激發(fā)學生的學習興趣，提高本課程的教學效果。

參考文獻：

[1][英]東尼·博贊，巴利·博贊.思維導圖[M].北京：中信出版社，2009.

[2]畢崗.電磁場與微波[M].第二版.杭州：浙江大學出版社，2014.

◎編輯 趙瑞峰