遙感物理基礎(chǔ)教學內(nèi)容設(shè)計與教學方法探討

石文軒

摘要：本文針對遙感物理基礎(chǔ)課程內(nèi)容中存在的痛點，提出了將傳統(tǒng)電磁波理論與遙感具體應用結(jié)合的思路來改進課程內(nèi)容設(shè)計，培養(yǎng)了學生將抽象理論應用于遙感實踐，本文也對前后課程銜接、培養(yǎng)學術(shù)科學研究的興趣的教學方法進行了探討。

關(guān)鍵詞：遙感物理基礎(chǔ)；電磁波；地物目標；遙感應用

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）38-0180-02

遙感物理基礎(chǔ)是遙感類本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在武漢大學遙感信息工程學院本科人才培養(yǎng)方案（2018年版）中，已被列為平臺核心必修課。學生通過該課程的學習，掌握紫外波段、可見光、紅外波段、微波波段等電磁波產(chǎn)生的物理原因，它們在介質(zhì)中的傳輸特征和規(guī)律及它們傳輸?shù)讲煌橘|(zhì)邊界時產(chǎn)生的變化等相關(guān)問題。遙感物理課程理論性較強，通過本課程的學習，達到培養(yǎng)學生從物理微觀角度掌握各種電磁波信號與各種介質(zhì)發(fā)生作用的機理以及分析解決一些能量傳輸變化的問題，為今后學習遙感專業(yè)課，如：遙感原理與應用、微波遙感、海洋遙感和進行科學研究打下牢固的專業(yè)理論基礎(chǔ)。

由于遙感探測所使用的0.3—2.5微米的紫外、可見光、紅外，以及微波波段，這些都屬于電磁波，區(qū)別在于信號的波長不同，因此，長期以來，課程內(nèi)容主要是以電子信息、物理學相關(guān)專業(yè)的必修課《電磁場與電磁波》[1]為課程教材進行展開。遙感類專業(yè)的培養(yǎng)方案側(cè)重于讓學生學習不同波長的電磁波與各種地物（植被、水體、土壤、沙漠、冰面、城區(qū)等）作用時會產(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)作為遙感類專業(yè)的基礎(chǔ)課，在進行教學時，需要引導學生學習電磁波與各種地物作用時的變化原理及其應用。

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)合自己在武漢大學遙感信息工程學院講授遙感物理基礎(chǔ)本科課程的經(jīng)歷和體會，提出了遙感物理基礎(chǔ)本科教學內(nèi)容的設(shè)計，并對本課程開設(shè)過程中的教學方法進行了探討，希望能為同行提供部分參考。

一、遙感物理基礎(chǔ)教學內(nèi)容的具體設(shè)計

1.將電磁波理論落實到遙感應用。通過電磁場與電磁波基本理論的學習，學生們會學習到物質(zhì)的性質(zhì)主要由三個參數(shù)決定，分別是介電常數(shù)ε、磁導率μ和電導率σ。不同的電磁波信號入射到介質(zhì)分界面時，由于這三個參數(shù)的不同，也會產(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參數(shù)的具體形式，以及通過具體地物對電磁波作用的實驗，從而使學生有更深入的感性認識。

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程，主要是電磁波作用過程。在課程中，應該向?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。在電磁波理論學習中，學生會了解到通常情況下物質(zhì)的介電常數(shù)可以表示為復介電常數(shù)的形式，通過查閱資料，可以向?qū)W生舉例土壤的復介電常數(shù)也可以用以下形式表示：ε=ε'-jε"

上式中，ε'為復介電常數(shù)的實部，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'。對于干土壤來說，復介電常數(shù)實部的值的范圍大致在2—4之間，虛部的值在0.05以下。當土壤中含水量逐漸增大時，自由水含量增大，土壤介電常數(shù)的實部迅速增大。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，進行定量舉例并給出計算推導過程，讓學生明白為什么含水量不同的土壤在可見光波段會呈現(xiàn)出不同的顏色。同時，也可讓學生們發(fā)散思維思考一下在紅外和微波波段，土壤對電磁波的作用與可見光波段有什么不同，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。遙感物理基礎(chǔ)不僅要讓學生們掌握電磁波與地物作用的各種應用，也需要掌握不同波長電磁波產(chǎn)生的原因。基于以上原因，教學過程中需要讓學生理解電磁輻射的產(chǎn)生機理，即電子軌跡的變化產(chǎn)生短波輻射，分子的振動變化產(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)不同也會導致電子軌道不同，正是由于四個量子數(shù)不同，造成電子從不同軌道回歸時輻射出電磁波波長的不同。通過這樣的教學過程，可以啟發(fā)學生思考一些問題，比如如何通過電子軌道躍遷的知識計算某種特殊頻率的電磁波所對應的電子軌道特征，如何通過這種特征進行產(chǎn)生輻射的電磁材料選型，從而設(shè)計出產(chǎn)生某特殊波段電磁波輻射源的傳感器原型。

3.引入復雜地物對電磁波的作用內(nèi)容。在教學中，從電磁波的電場和磁場的微觀角度，引入復雜地物目標的電磁波散射特性、輻射特征與復雜多層地物目標本身的特性參數(shù)之間的關(guān)系，并據(jù)此讓學生們思考如何更好地選擇遙感傳感器系統(tǒng)參數(shù)。了解地物目標在不同表面粗糙度、不同入射角對電磁波的響應情況，研究復雜地物目標的電磁波反射、透射、折射特性。這對于有效地應用星載傳感器數(shù)據(jù)觀測地表復雜環(huán)境，并對獲取的復雜環(huán)境各種參數(shù)的定量反演、驗證提供最客觀的科學依據(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、折射機制。在課堂上，可引導學生思考這些不同電磁波的來源，并進行相關(guān)定量分析，比如可分為三部分：來自植被冠層的直接反射和透射，來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)教學方法的探討

遙感物理基礎(chǔ)是一本理論性非常強的專業(yè)課程。這門課的前序相關(guān)課程有：大學物理、高等數(shù)學、線性代數(shù)等。特別是大學物理的電磁學部分，與電磁場與電磁波教材有相當比例的重復內(nèi)容。而高等數(shù)學的內(nèi)容過多，用于遙感物理基礎(chǔ)場論部分的內(nèi)容需要強化。為了讓學生在課程中減少陌生感，增強課程與前序課程的緊湊感，作者在教學中采用了如下方法：

1.回顧場論的知識。采用案例教學，使學生們強化三個坐標系（直角坐標系、圓柱坐標系、球坐標系）、三個度（梯度、散度、旋度）的相關(guān)知識。例如，引入高頻地波雷達探測到的太平洋上洋流場的形態(tài)，指導學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。在大學物理電磁學部分，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。學生們普遍反映這里的銜接太簡單。因此在教學中，需要指導學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)電磁場的教學內(nèi)容。遙感物理基礎(chǔ)更多強調(diào)動態(tài)的電磁波與地物的作用，而很少涉及靜態(tài)電磁場與地物作用的應用。再者，靜態(tài)電磁場在大學物理中已有很大篇幅進行講解。因此在學時有限的情況下，減少靜態(tài)電磁場的教學內(nèi)容，可以使教學內(nèi)容更緊湊，將更多的課時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)中有個章節(jié)叫做“均勻平面波在無界空間的傳播”，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型，并且對于后兩種類型又細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，但為了使學生在學習過程中不產(chǎn)生困惑，需要在教學中仔細講解這兩種劃分方式的區(qū)別與聯(lián)系。

三、結(jié)語

遙感物理基礎(chǔ)是一門理論與應用相結(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，成為是遙感類專業(yè)的核心平臺必修課，對于學生理解和掌握遙感的基本原理以及后續(xù)專業(yè)課程的學習都非常重要。如何設(shè)計教學內(nèi)容，優(yōu)化教學方法是一件非常重要和有意義的課題。本文針對遙感物理基礎(chǔ)本科課程教學的現(xiàn)狀及自己的教學經(jīng)歷，提出了對遙感物理教學內(nèi)容調(diào)整的思路，并就具體教學方法問題進行了分析。

參考文獻：

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