石文轩

摘要：本文针对遥感物理基础课程内容中存在的痛点，提出了将传统电磁波理论与遥感具体应用结合的思路来改进课程内容设计，培养了学生将抽象理论应用于遥感实践，本文也对前后课程衔接、培养学术科学研究的兴趣的教学方法进行了探讨。

关键词：遥感物理基础；电磁波；地物目标；遥感应用

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）38-0180-02

遥感物理基础是遥感类本科专业的一门专业基础课，在武汉大学遥感信息工程学院本科人才培养方案（2018年版）中，已被列为平台核心必修课。学生通过该课程的学习，掌握紫外波段、可见光、红外波段、微波波段等电磁波产生的物理原因，它们在介质中的传输特征和规律及它们传输到不同介质边界时产生的变化等相关问题。遥感物理课程理论性较强，通过本课程的学习，达到培养学生从物理微观角度掌握各种电磁波信号与各种介质发生作用的机理以及分析解决一些能量传输变化的问题，为今后学习遥感专业课，如：遥感原理与应用、微波遥感、海洋遥感和进行科学研究打下牢固的专业理论基础。

由于遥感探测所使用的0.3—2.5微米的紫外、可见光、红外，以及微波波段，这些都属于电磁波，区别在于信号的波长不同，因此，长期以来，课程内容主要是以电子信息、物理学相关专业的必修课《电磁场与电磁波》[1]为课程教材进行展开。遥感类专业的培养方案侧重于让学生学习不同波长的电磁波与各种地物（植被、水体、土壤、沙漠、冰面、城区等）作用时会产生的各种现象和结果，分析其产生的物理原因。因此，遥感物理基礎作为遥感类专业的基础课，在进行教学时，需要引导学生学习电磁波与各种地物作用时的变化原理及其应用。

另外，据笔者调查，目前从电磁波原理及其与地物作用的角度编写的遥感物理本科生教材依然是空白。作者结合自己在武汉大学遥感信息工程学院讲授遥感物理基础本科课程的经历和体会，提出了遥感物理基础本科教学内容的设计，并对本课程开设过程中的教学方法进行了探讨，希望能为同行提供部分参考。

一、遥感物理基础教学内容的具体设计

1.将电磁波理论落实到遥感应用。通过电磁场与电磁波基本理论的学习，学生们会学习到物质的性质主要由三个参数决定，分别是介电常数ε、磁导率μ和电导率σ。不同的电磁波信号入射到介质分界面时，由于这三个参数的不同，也会产生不同的反射、透射和折射效果。遥感物理基础课程需要加入不同地物这三个参数的具体形式，以及通过具体地物对电磁波作用的实验，从而使学生有更深入的感性认识。

以土壤为例，自然界土壤表面的几何和介电特性不同，影响土壤表面特性的物理过程，主要是电磁波作用过程。在课程中，应该向学生介绍用以描述这些土壤表面特性的参数及其测量和使用方法。土壤是由空气、固态土壤、束缚水和自由水四种物质的介电混合体。在电磁波理论学习中，学生会了解到通常情况下物质的介电常数可以表示为复介电常数的形式，通过查阅资料，可以向学生举例土壤的复介电常数也可以用以下形式表示：ε=ε'-jε"

上式中，ε'为复介电常数的实部，其含义为在两种不同介质表面发生的波的折射和反射现象，与介质的介电特性有关，ε"为复介电常数的虚部，与入射电磁波在介质中的衰减（吸收和转化）有关，土壤表面ε"？垲ε'。对于干土壤来说，复介电常数实部的值的范围大致在2—4之间，虚部的值在0.05以下。当土壤中含水量逐渐增大时，自由水含量增大，土壤介电常数的实部迅速增大。那么，可以结合不同含水量土壤的介电常数参数变化情况，进行定量举例并给出计算推导过程，让学生明白为什么含水量不同的土壤在可见光波段会呈现出不同的颜色。同时，也可让学生们发散思维思考一下在红外和微波波段，土壤对电磁波的作用与可见光波段有什么不同，从而理解电磁波在不同介质表面发生的各种物理现象的原理。

2.将原子物理相关理论引入教学。遥感物理基础不仅要让学生们掌握电磁波与地物作用的各种应用，也需要掌握不同波长电磁波产生的原因。基于以上原因，教学过程中需要让学生理解电磁辐射的产生机理，即电子轨迹的变化产生短波辐射，分子的振动变化产生近红外和中红外辐射，分子的旋转变化产生长波红外辐射或微波辐射。主量子数、副量子数、磁量子数、自旋量子数不同也会导致电子轨道不同，正是由于四个量子数不同，造成电子从不同轨道回归时辐射出电磁波波长的不同。通过这样的教学过程，可以启发学生思考一些问题，比如如何通过电子轨道跃迁的知识计算某种特殊频率的电磁波所对应的电子轨道特征，如何通过这种特征进行产生辐射的电磁材料选型，从而设计出产生某特殊波段电磁波辐射源的传感器原型。

3.引入复杂地物对电磁波的作用内容。在教学中，从电磁波的电场和磁场的微观角度，引入复杂地物目标的电磁波散射特性、辐射特征与复杂多层地物目标本身的特性参数之间的关系，并据此让学生们思考如何更好地选择遥感传感器系统参数。了解地物目标在不同表面粗糙度、不同入射角对电磁波的响应情况，研究复杂地物目标的电磁波反射、透射、折射特性。这对于有效地应用星载传感器数据观测地表复杂环境，并对获取的复杂环境各种参数的定量反演、验证提供最客观的科学依据。例如，由于地表植被为非各向同性介质，植被结构十分复杂，组成植被结构的各部分如茎、杆、叶具有不同形状、大小、厚度、朝向，因此形成不同电磁波反射、透射、折射机制。在课堂上，可引导学生思考这些不同电磁波的来源，并进行相关定量分析，比如可分为三部分：来自植被冠层的直接反射和透射，来自下垫面粗糙地表的直接反射和透射，以及冠层、杆部、地表各部分之间相互耦合的反射、透射和折射等。

二、遥感物理基础教学方法的探讨

遥感物理基础是一本理论性非常强的专业课程。这门课的前序相关课程有：大学物理、高等数学、线性代数等。特别是大学物理的电磁学部分，与电磁场与电磁波教材有相当比例的重复内容。而高等数学的内容过多，用于遥感物理基础场论部分的内容需要强化。为了让学生在课程中减少陌生感，增强课程与前序课程的紧凑感，作者在教学中采用了如下方法：

1.回顾场论的知识。采用案例教学，使学生们强化三个坐标系（直角坐标系、圆柱坐标系、球坐标系）、三个度（梯度、散度、旋度）的相关知识。例如，引入高频地波雷达探测到的太平洋上洋流场的形态，指导学生掌握散度和旋度的概念及其区别。

2.增加麦克斯韦方程组微分方程的讲解。在大学物理电磁学部分，课程着重讲解了麦克斯韦方程组的积分形式，但遥感物理基础更侧重于使用微分形式。学生们普遍反映这里的衔接太简单。因此在教学中，需要指导学生灵活使用散度定理和斯托克斯定理，完成麦克斯韦方程组积分形式到微分形式的转换。

3.减少静态电磁场的教学内容。遥感物理基础更多强调动态的电磁波与地物的作用，而很少涉及静态电磁场与地物作用的应用。再者，静态电磁场在大学物理中已有很大篇幅进行讲解。因此在学时有限的情况下，减少静态电磁场的教学内容，可以使教学内容更紧凑，将更多的课时投入电磁波与地物作用的内容讲解。

4.捋清与微波遥感课程中极化概念的区别。遥感物理基础中有个章节叫做“均匀平面波在无界空间的传播”，在这一章中，将电磁波的极化分为了直线极化、圆极化和椭圆极化三种类型，并且对于后两种类型又细分为左旋极化和右旋极化两种。但在微波遥感课程中，电磁波的计划分为水平极化和垂直极化。这样的划分方法各有各的原因，但为了使学生在学习过程中不产生困惑，需要在教学中仔细讲解这两种划分方式的区别与联系。

三、结语

遥感物理基础是一门理论与应用相结合的课程，在新版的本科生培养方案中，该课程的重要性被提到了非常重要的地位，成为是遥感类专业的核心平台必修课，对于学生理解和掌握遥感的基本原理以及后续专业课程的学习都非常重要。如何设计教学内容，优化教学方法是一件非常重要和有意义的课题。本文针对遥感物理基础本科课程教学的现状及自己的教学经历，提出了对遥感物理教学内容调整的思路，并就具体教学方法问题进行了分析。

参考文献：

[1]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2006.