基于STEM学科融合教育理论的“电动力学”课程改革与实践——以“波导”为例

刘 亮，唐 丽

(绵阳师范学院数理学院，四川绵阳 621000)

0 引言

“电动力学”是关于宏观电磁现象的经典理论，物理学类专业的核心课程.最早追溯到公元前6世纪古希腊人发现天然磁石，一直到19世纪麦克斯韦写下了伟大的麦克斯韦方程组，现如今的5G通讯技术.可以说，电动力学所讨论的电磁相互作用，是人类历史上研究最为深入，同时也是被最广泛应用的现代科学技术.相比于其前置课程“电磁学”，“电动力学”研讨的问题立足点更高，理论更深层次、更普适，所应用到的数学也更艰深.

目前各大理工类及师范类高校对于“电动力学”课程的改革与探索还处于初级阶段，多数为理论层面的探讨[1-2]，还有一些是对于教学方法的探讨[3-5]，对于教学实践与现阶段高校培养目标之间的矛盾研究较少，相应的课程改革实例论文也极少.本校的电动力学课程与大多数各大理工类及师范类高校一样，一直选用的是郭硕鸿版本的《电动力学》，并按照相关教学进程进行设计.该教材在电磁学的基础上，全面的展现了电动力学的基本理论框架，着重介绍了电磁现象的基本规律、物理概念和方法的描述，同时也吸纳了电动力学领域最新的理论和应用进展[6].但是，在教学实践过程中我们发现传统的“电动力学”课程所讲授的内容已经不太符合本校物理专业学生的培养目标，亟需进行课程改革.

本课程将基于STEM教育理论进行改革，其中STEM是以四门学科的英文首字母缩写而成，即科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics).随着科技的发展，人类社会所需要解决的问题的复杂程度越来越高，传统的单学科教学的方式已经不能适应社会的需求，现实和未来的社会都迫切的需要多学科融合教学培育出来的具有跨学科创新创业能力的人才.多学科交叉融合教学不仅仅是简单的学科跨越或者个别理论原理的相互引用，而是将各学科的知识、理论、方法和手段相互渗透、有机结合的教学，这就是STEM学科融合教学理念[7-8].这也与师范专业认证在人才培养方面不谋而合.因此，我们在进行“电动力学”课程改革时，依据STEM学科融合教育理念进行课程设计，在教学过程中紧密结合学生的现实生活体验，将生活中的科学技术融入课堂.让学生了解电动力学知识在生活中的广泛应用，同时深入理解电动力学中物理定律的由来与应用.本文结合“波导”的教学案例阐述STEM学科融合教育理念在“电动力学”课程教学中的实践.

1 凝练学习任务

我们基于STEM学科融合教育理论对于“电动力学”课程设计了一套课程设计的流程.首先，老师需要根据教学大纲、培养目标和学生水平凝练出教学的重难点.其次，根据重难点寻找生活中与此概念相关的现象和产品.然后，在讲授知识之前，对此类现象和产品进行概念分析并提炼出和教学内容相关的问题，并在课堂上对学生进行提问，同时让学生课后进行探索与研究.最后，在下一次课堂上进行总结、讨论与讲解.学生以此为导向，结合教学内容，学习相关知识，解决问题.学生因此能够有效的将课本知识与现实科学技术融合，加深对学习内容的理解，同时这也锻炼了学生跨学科创新能力.

以“波导”为例，有界空间中的电磁波的传播属于较难的内容，特别是一些公式的推导与计算.学生往往依靠死记硬背学习相关知识，但是我们通过生活中常见的微波炉的工作原理进行讲解，能够帮助学生快速理解公式的由来与应用，以助于学习相关内容.

微波炉在1960年代就已经作为人类的烹饪工具被大规模生产，微波炉主要组成部分有磁控管、波导管、炉腔和炉门构成(如图1所示)，其它的如定时器、功率分配器等电路元件不在我们讨论的范围之内.其中磁控管为微波炉的核心部件，主要由它来产生微波；波导管负责将微波导入炉腔内使其加热食物；炉门则由金属框架和玻璃观察窗构成，且玻璃观察窗中有一层金属网.

图1 微波炉结构示意图和实拍图Fig.1 Schematic view and real picture of microwave oven

虽然微波炉在生活中被广泛使用，但由于大多数人对微波炉的工作原理不甚了解，关于微波炉的各类谣言层出不穷，例如会致癌、有辐射等等，这些谣言广泛传播于人群之中，其中不乏大学理科专业学生.部分原因就在于本科教学中缺乏多学科融合教学，传统教学过程只注重于课本知识，极少将课本知识与现实生活联系起来.学生只掌握了课本知识、解题技巧，却无法指导其现实生活，创新也自然无从谈起.

2 整体教学设计

在第四章讲解完第三节内容后，学生们对于真空中的电磁波的性质已经有了一定的了解，并且掌握了有导体存在时电磁波的传播规律与在有界空间中的传播规律.在自由空间中的电磁场满足如下方程：

(1)

通过对公式(1)的第一第二式取旋度，然后基于矢量分析和第三第四式，可以将四个方程化成如下形式的两个方程：

(2)

(3)

再利用边值关系，可以计算得到电磁波入射在导体表面上的反射系数：

(4)

学生有了以上的知识储备，教师就可以布置一项课后任务，让学生课后探究微波炉的工作原理、微波炉的工业设计要点，将手机放置在微波炉里实验能否接通电话，并在下节课分组进行发言讨论.学生通过线下实际观察和线上搜索，每个小组都有一定的结论，并且在课上踊跃发言.

通过探究活动，同学们发现将手机放置在微波炉内，有些能够接通电话，有些却不能接通电话.在查询资料后明白，原来手机的通讯频率和家用WiFi都是在2.45 GHz附近，因此微波炉应该能够屏蔽手机信号，但无法解释有些电话却能接通.同学们也基本知晓微波炉实际上就是通过频率为2.45 GHz的电磁波驱动极性分子(如液态水、脂肪和糖等)进行高频震荡，分子之间发生强烈的相互作用并交换能量，将反转运动的能量转化为水分子的平移动能即热量.有些同学还发现绝大部分微波炉内是带有转盘的，得出的结论是转盘可以使食材更均匀的受到微波的照射.部分同学发现微波炉的外壳有些是塑料的，但是内腔都是金属.通过讨论，他们了解使用金属是为了反射微波，使得微波束缚在腔内，避免微波的泄露以及更好的利用微波.还有些同学发现绝大部分微波炉的门都是由玻璃和金属网构成的，对于为什么金属网能够屏蔽微波存在疑问，在课堂上展开了热烈的讨论.讨论后同学们的疑问主要集中在为什么微波炉的炉门是由带有孔洞的金属网构成，对金属网能否屏蔽微波持有疑虑.很明显，带着这些疑虑，同学们对接下来的课程的兴趣大大提高.

图2 水在0 ℃到100 ℃之间的介电常数的实部与虚部[9]Fig.2 Dielectric permittivity and dielectric loss of water between 0 ℃ and 100 ℃

图3 两个葡萄在微波的激发下产生了电火花[10]Fig.3 Plasma between two grapes sexcited by microwave

(5)

(6)

3 结语

通过结合微波炉的例子进行“电动力学”课程的教学，学生听课等学习的积极性有很大程度的提高，对于知识的理解也不再浮于表面.在基于STEM学科融合教学模式下，课程充分激发了学生对于知识的探索欲，学生的创新精神明显增强.同时，学生进一步认识到自己所学知识在实际生活中的运用，对本专业的认同感也有所提高.实际上，“电动力学”所教授的知识早已被广泛应用于实际生活、工程实践、军事科技中，我们可以从中提取大量素材，进行“电动力学”课程改革.因此，我们应该进一步基于STEM学科融合教学理念对“电动力学”课程进行改革，以学生为中心，不断优化课程内容，扭转目前“电动力学”课程僵化、陈旧等问题，最终稳步提高教学质量.