高校電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)研究范文

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《合肥師范學(xué)院學(xué)報(bào)》2016年第6期

［摘要］針對(duì)應(yīng)用型二本高校的特點(diǎn)對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程進(jìn)行教學(xué)研究。從教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行分層次教學(xué)，突出重點(diǎn)、弱化難點(diǎn)；在教學(xué)方式上采用形象化、系統(tǒng)化教學(xué)，并利用實(shí)踐教學(xué)的方式，通過(guò)HFSS軟件仿真激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］電磁場(chǎng)與電磁波；教學(xué)研究；HFSS；實(shí)踐教學(xué)

“電磁場(chǎng)與電磁波”主要研究電磁場(chǎng)和電磁波的基本概念、基本理論與應(yīng)用。該課程主要從矢量分析入手，介紹電磁場(chǎng)中的靜態(tài)場(chǎng)、時(shí)變場(chǎng)和電磁波的基本理論與特點(diǎn)，為“微波技術(shù)基礎(chǔ)”、“天線與電波傳播”、“射頻電路”等后繼課程的學(xué)習(xí)奠定必要的理論基礎(chǔ)。但是由于該課程數(shù)學(xué)要求高、公式多、物理概念抽象、理論難以掌握，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中力不從心，往往有畏難情緒在里面。特別是對(duì)合肥師范學(xué)院這種應(yīng)用型二本高校來(lái)說(shuō)，學(xué)生的基礎(chǔ)相對(duì)重點(diǎn)院校的學(xué)生而言要差點(diǎn)，而且學(xué)習(xí)的自主性也欠缺，因此學(xué)習(xí)效果不是很理想，可能會(huì)有個(gè)別學(xué)生到學(xué)期結(jié)束都達(dá)不到這門課程學(xué)習(xí)的基本要求。如何做好應(yīng)用型高校電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)工作是比較緊迫的問(wèn)題，需要花更多的心思和精力來(lái)探討研究。筆者結(jié)合多年電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性的對(duì)課程進(jìn)行改革，通過(guò)課堂上學(xué)生實(shí)時(shí)反饋情況對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合應(yīng)用型高校的實(shí)際情況探索該課程的教學(xué)。

1教學(xué)內(nèi)容研究

本課程包括電磁場(chǎng)和電磁波兩大部分。電磁場(chǎng)部分是在高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用矢量分析的方法，描述靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的基本物理概念、研究靜態(tài)場(chǎng)的解題方法、以及在總結(jié)基本實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上給出時(shí)變電磁場(chǎng)的基本規(guī)律。電磁波部分主要是介紹平面電磁波傳輸特性、電磁波在導(dǎo)行系統(tǒng)的傳播規(guī)律及天線的基本理論。由于本校電磁場(chǎng)與電磁波課程只有48學(xué)時(shí)，需要針對(duì)應(yīng)用型高校學(xué)生的特點(diǎn)分層次講解課程內(nèi)容，對(duì)理論性、邏輯性較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)做選修處理，既滿足大部分學(xué)生對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)掌握的要求，又滿足部分學(xué)生向重點(diǎn)高?？佳械男枨?。將課程的必修知識(shí)點(diǎn)按照掌握、理解、了解三個(gè)層次具體劃分為：掌握矢量運(yùn)算，梯度、散度和旋度，高斯公式和斯托克斯公式，時(shí)變電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組、電磁波的波動(dòng)方程等；理解電磁場(chǎng)的矢量位勢(shì)和標(biāo)量位、泊松方程、時(shí)諧平面電磁波、截止頻率和諧振頻率等概念；了解分離變量法、庫(kù)侖規(guī)范、洛侖茲規(guī)范、滯后位等。而對(duì)鏡像法、有界空間中電磁波的求解方法、電磁輻射等作為選修內(nèi)容。做出以上的安排主要考慮下面兩個(gè)因素：

一、有限的課時(shí)要優(yōu)先考慮重點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)電磁場(chǎng)和電磁波涉及的核心知識(shí)點(diǎn)必須要詳細(xì)講解，比如散度、旋度、梯度、麥克斯韋方程組、波動(dòng)方程、平面電磁波等，至少要花三分之一的課時(shí)結(jié)合多種教學(xué)手段讓學(xué)生在理解物理概念的基礎(chǔ)上掌握基本公式及應(yīng)用。而對(duì)一些比較復(fù)雜的問(wèn)題，如分離變量法、鏡像法等知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)弱化在總學(xué)時(shí)的比例或用選修的方式做簡(jiǎn)化處理；

二、由于我校電子信息工程、通信工程專業(yè)有電磁場(chǎng)與電磁波方面的后繼課程－－－－專業(yè)必修課“微波技術(shù)”、專業(yè)方向課程“天線與電波傳播”和“射頻電路”，這些課程覆蓋了“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的不足，如有界空間中電磁波的求解方法、電磁輻射等知識(shí)點(diǎn)完全可以在后繼課程中系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

2教學(xué)方法研究

通過(guò)多年課堂教學(xué)的探索和總結(jié)，針對(duì)二本高校學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)較薄弱的特點(diǎn)，同時(shí)為適應(yīng)應(yīng)用型高校的辦學(xué)需求，為該課程制定一套教學(xué)方法，使抽象的概念形象化，難懂的公式物理化，知識(shí)掌握的系統(tǒng)化，最終將理論基礎(chǔ)與實(shí)際應(yīng)用密切聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生探索性學(xué)習(xí)素養(yǎng)，啟迪學(xué)生創(chuàng)新思想，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)拓展應(yīng)用能力的提高。

2．1知識(shí)點(diǎn)形象化、系統(tǒng)化

在形象化講解抽象概念的基礎(chǔ)上，將相近或易混淆的內(nèi)容做比較，通過(guò)列表的方式從物理概念、數(shù)學(xué)公式、適用條件等方面將概念進(jìn)行區(qū)分，使分散的問(wèn)題系統(tǒng)化，加深學(xué)生的理解和記憶。下面以三個(gè)度（梯度、散度、旋度）的講解為例，說(shuō)明該過(guò)程的具體實(shí)施。如何將概念形象化？例如在講解梯度時(shí)，以溫度場(chǎng)為例，介紹溫度沿不同方向的變化率。該問(wèn)題針對(duì)某一溫度場(chǎng)中的山峰，甲、乙、丙三人分別從三個(gè)不同的方向由山腳爬到山頂，行程L分別是120km、100km、80km，其中丙是垂直路徑，可以很容易算出三種不同方向的溫度平均變化率ΔTL，其中丙方向的變化率最大。然后引導(dǎo)學(xué)生思考，如果是對(duì)溫度場(chǎng)的某點(diǎn)A來(lái)說(shuō)，平均變化率就變?yōu)闇囟妊厝N方向在A點(diǎn)的變化率，表述為TL沿不同方向，自然引出方向性導(dǎo)數(shù)的概念。進(jìn)一步提示學(xué)生，在所有方向的變化率中，總有一個(gè)方向變化率是最大的，這個(gè)值就是梯度的大小，這個(gè)方向就是梯度的方向，最終將針對(duì)標(biāo)量場(chǎng)的梯度概念給完整引出。在系統(tǒng)講解完梯度、散度、旋度后，用列表的方式對(duì)問(wèn)題進(jìn)行區(qū)分，找到三者之間的異同。

2．2HFSS軟件實(shí)踐教學(xué)

為改善比較死板的教學(xué)現(xiàn)狀，同時(shí)貼合應(yīng)用型辦學(xué)思想，對(duì)該課程的一些知識(shí)點(diǎn)在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上用軟件仿真的形式將無(wú)形的場(chǎng)結(jié)構(gòu)有形化，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的把握程度。工程上常用的HFSS有限元分析軟件，對(duì)于一些典型的電磁場(chǎng)問(wèn)題，如電場(chǎng)分布、磁場(chǎng)分布、電感、電容等，可以提供直觀的場(chǎng)結(jié)構(gòu)顯示。下面就以半波偶極子為例，利用HF－SS軟件建模仿真其空間輻射場(chǎng)結(jié)構(gòu)。例：設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為3GHz的半波偶極子天線，計(jì)算其空間電場(chǎng)分布。傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程是首先分析電偶極子的遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)分布，通過(guò)在球坐標(biāo)系中將電位函數(shù)高階近似的方式推出電偶極子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電場(chǎng)E→＝－"φ＝p4πε0r3（2cosθe→r＋sinθe→θ），其中p為電偶極矩；然后根據(jù)偶極子天線的對(duì)稱性計(jì)算對(duì)稱天線的輻射電場(chǎng)；最后計(jì)算3GHz下天線的輻射場(chǎng)分布和方向性函數(shù)。實(shí)踐教學(xué)過(guò)程則是依托HFSS軟件，通過(guò)建模仿真的方式直觀的得到半偶極子場(chǎng)結(jié)構(gòu)。設(shè)置掃頻范圍2．5GHz－3．5GHz，S11參數(shù)、方向圖，以及電場(chǎng)分布。相比繁瑣的理論公式的推導(dǎo)計(jì)算，HFSS軟件實(shí)踐教學(xué)方式更容易被學(xué)生接受，在掌握電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高了學(xué)習(xí)興趣，為以后的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3總結(jié)

“電磁場(chǎng)與電磁波”做為電子信息類、通信工程類本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有十分重要的核心地位。針對(duì)應(yīng)用型高校如何實(shí)施教學(xué)過(guò)程是值得研究和探索的問(wèn)題。本文從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式兩個(gè)方面，圍繞教學(xué)做了初步探討。經(jīng)過(guò)實(shí)際教學(xué)檢驗(yàn)，取得了令人滿意的教學(xué)效果。

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作者：時(shí)晶晶 單位：合肥師范學(xué)院