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

劉 亮，唐 麗

(綿陽師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院，四川綿陽 621000)

0 引言

“電動力學(xué)”是關(guān)于宏觀電磁現(xiàn)象的經(jīng)典理論，物理學(xué)類專業(yè)的核心課程.最早追溯到公元前6世紀(jì)古希臘人發(fā)現(xiàn)天然磁石，一直到19世紀(jì)麥克斯韋寫下了偉大的麥克斯韋方程組，現(xiàn)如今的5G通訊技術(shù).可以說，電動力學(xué)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(yīng)用的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù).相比于其前置課程“電磁學(xué)”，“電動力學(xué)”研討的問題立足點更高，理論更深層次、更普適，所應(yīng)用到的數(shù)學(xué)也更艱深.

目前各大理工類及師范類高校對于“電動力學(xué)”課程的改革與探索還處于初級階段，多數(shù)為理論層面的探討[1-2]，還有一些是對于教學(xué)方法的探討[3-5]，對于教學(xué)實踐與現(xiàn)階段高校培養(yǎng)目標(biāo)之間的矛盾研究較少，相應(yīng)的課程改革實例論文也極少.本校的電動力學(xué)課程與大多數(shù)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(xué)》，并按照相關(guān)教學(xué)進(jìn)程進(jìn)行設(shè)計.該教材在電磁學(xué)的基礎(chǔ)上，全面的展現(xiàn)了電動力學(xué)的基本理論框架，著重介紹了電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律、物理概念和方法的描述，同時也吸納了電動力學(xué)領(lǐng)域最新的理論和應(yīng)用進(jìn)展[6].但是，在教學(xué)實踐過程中我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的“電動力學(xué)”課程所講授的內(nèi)容已經(jīng)不太符合本校物理專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，亟需進(jìn)行課程改革.

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

1 凝練學(xué)習(xí)任務(wù)

我們基于STEM學(xué)科融合教育理論對于“電動力學(xué)”課程設(shè)計了一套課程設(shè)計的流程.首先，老師需要根據(jù)教學(xué)大綱、培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生水平凝練出教學(xué)的重難點.其次，根據(jù)重難點尋找生活中與此概念相關(guān)的現(xiàn)象和產(chǎn)品.然后，在講授知識之前，對此類現(xiàn)象和產(chǎn)品進(jìn)行概念分析并提煉出和教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的問題，并在課堂上對學(xué)生進(jìn)行提問，同時讓學(xué)生課后進(jìn)行探索與研究.最后，在下一次課堂上進(jìn)行總結(jié)、討論與講解.學(xué)生以此為導(dǎo)向，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，學(xué)習(xí)相關(guān)知識，解決問題.學(xué)生因此能夠有效的將課本知識與現(xiàn)實科學(xué)技術(shù)融合，加深對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，同時這也鍛煉了學(xué)生跨學(xué)科創(chuàng)新能力.

以“波導(dǎo)”為例，有界空間中的電磁波的傳播屬于較難的內(nèi)容，特別是一些公式的推導(dǎo)與計算.學(xué)生往往依靠死記硬背學(xué)習(xí)相關(guān)知識，但是我們通過生活中常見的微波爐的工作原理進(jìn)行講解，能夠幫助學(xué)生快速理解公式的由來與應(yīng)用，以助于學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容.

微波爐在1960年代就已經(jīng)作為人類的烹飪工具被大規(guī)模生產(chǎn)，微波爐主要組成部分有磁控管、波導(dǎo)管、爐腔和爐門構(gòu)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(nèi).其中磁控管為微波爐的核心部件，主要由它來產(chǎn)生微波；波導(dǎo)管負(fù)責(zé)將微波導(dǎo)入爐腔內(nèi)使其加熱食物；爐門則由金屬框架和玻璃觀察窗構(gòu)成，且玻璃觀察窗中有一層金屬網(wǎng).

圖1 微波爐結(jié)構(gòu)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(shù)人對微波爐的工作原理不甚了解，關(guān)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(xué)理科專業(yè)學(xué)生.部分原因就在于本科教學(xué)中缺乏多學(xué)科融合教學(xué)，傳統(tǒng)教學(xué)過程只注重于課本知識，極少將課本知識與現(xiàn)實生活聯(lián)系起來.學(xué)生只掌握了課本知識、解題技巧，卻無法指導(dǎo)其現(xiàn)實生活，創(chuàng)新也自然無從談起.

2 整體教學(xué)設(shè)計

在第四章講解完第三節(jié)內(nèi)容后，學(xué)生們對于真空中的電磁波的性質(zhì)已經(jīng)有了一定的了解，并且掌握了有導(dǎo)體存在時電磁波的傳播規(guī)律與在有界空間中的傳播規(guī)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(guān)系，可以計算得到電磁波入射在導(dǎo)體表面上的反射系數(shù)：

(4)

學(xué)生有了以上的知識儲備，教師就可以布置一項課后任務(wù)，讓學(xué)生課后探究微波爐的工作原理、微波爐的工業(yè)設(shè)計要點，將手機(jī)放置在微波爐里實驗?zāi)芊窠油娫?，并在下?jié)課分組進(jìn)行發(fā)言討論.學(xué)生通過線下實際觀察和線上搜索，每個小組都有一定的結(jié)論，并且在課上踴躍發(fā)言.

通過探究活動，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)將手機(jī)放置在微波爐內(nèi)，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(jī)的通訊頻率和家用WiFi都是在2.45 GHz附近，因此微波爐應(yīng)該能夠屏蔽手機(jī)信號，但無法解釋有些電話卻能接通.同學(xué)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(qū)動極性分子(如液態(tài)水、脂肪和糖等)進(jìn)行高頻震蕩，分子之間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用并交換能量，將反轉(zhuǎn)運動的能量轉(zhuǎn)化為水分子的平移動能即熱量.有些同學(xué)還發(fā)現(xiàn)絕大部分微波爐內(nèi)是帶有轉(zhuǎn)盤的，得出的結(jié)論是轉(zhuǎn)盤可以使食材更均勻的受到微波的照射.部分同學(xué)發(fā)現(xiàn)微波爐的外殼有些是塑料的，但是內(nèi)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(nèi)，避免微波的泄露以及更好的利用微波.還有些同學(xué)發(fā)現(xiàn)絕大部分微波爐的門都是由玻璃和金屬網(wǎng)構(gòu)成的，對于為什么金屬網(wǎng)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(xué)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(wǎng)構(gòu)成，對金屬網(wǎng)能否屏蔽微波持有疑慮.很明顯，帶著這些疑慮，同學(xué)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(shù)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(fā)下產(chǎn)生了電火花[10]Fig.3 Plasma between two grapes sexcited by microwave

(5)

(6)

3 結(jié)語

通過結(jié)合微波爐的例子進(jìn)行“電動力學(xué)”課程的教學(xué)，學(xué)生聽課等學(xué)習(xí)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(xué)科融合教學(xué)模式下，課程充分激發(fā)了學(xué)生對于知識的探索欲，學(xué)生的創(chuàng)新精神明顯增強(qiáng).同時，學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識到自己所學(xué)知識在實際生活中的運用，對本專業(yè)的認(rèn)同感也有所提高.實際上，“電動力學(xué)”所教授的知識早已被廣泛應(yīng)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(jìn)行“電動力學(xué)”課程改革.因此，我們應(yīng)該進(jìn)一步基于STEM學(xué)科融合教學(xué)理念對“電動力學(xué)”課程進(jìn)行改革，以學(xué)生為中心，不斷優(yōu)化課程內(nèi)容，扭轉(zhuǎn)目前“電動力學(xué)”課程僵化、陳舊等問題，最終穩(wěn)步提高教學(xué)質(zhì)量.