高校電磁場與電磁波教學研究范文

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《合肥師范學院學報》2016年第6期

［摘要］針對應用型二本高校的特點對“電磁場與電磁波”課程進行教學研究。從教學內容上進行分層次教學，突出重點、弱化難點；在教學方式上采用形象化、系統化教學，并利用實踐教學的方式，通過HFSS軟件仿真激發學生的學習興趣，從而提高教學效果。

［關鍵詞］電磁場與電磁波；教學研究；HFSS；實踐教學

“電磁場與電磁波”主要研究電磁場和電磁波的基本概念、基本理論與應用。該課程主要從矢量分析入手，介紹電磁場中的靜態場、時變場和電磁波的基本理論與特點，為“微波技術基礎”、“天線與電波傳播”、“射頻電路”等后繼課程的學習奠定必要的理論基礎。但是由于該課程數學要求高、公式多、物理概念抽象、理論難以掌握，使學生在學習過程中力不從心，往往有畏難情緒在里面。特別是對合肥師范學院這種應用型二本高校來說，學生的基礎相對重點院校的學生而言要差點，而且學習的自主性也欠缺，因此學習效果不是很理想，可能會有個別學生到學期結束都達不到這門課程學習的基本要求。如何做好應用型高校電磁場與電磁波課程的教學工作是比較緊迫的問題，需要花更多的心思和精力來探討研究。筆者結合多年電磁場與電磁波課程的教學經驗，有針對性的對課程進行改革，通過課堂上學生實時反饋情況對教學方式進行調整，結合應用型高校的實際情況探索該課程的教學。

1教學內容研究

本課程包括電磁場和電磁波兩大部分。電磁場部分是在高等數學的基礎上，運用矢量分析的方法，描述靜電場和恒定磁場的基本物理概念、研究靜態場的解題方法、以及在總結基本實驗定律的基礎上給出時變電磁場的基本規律。電磁波部分主要是介紹平面電磁波傳輸特性、電磁波在導行系統的傳播規律及天線的基本理論。由于本校電磁場與電磁波課程只有48學時，需要針對應用型高校學生的特點分層次講解課程內容，對理論性、邏輯性較強的知識點做選修處理，既滿足大部分學生對基本知識點掌握的要求，又滿足部分學生向重點高校考研的需求。將課程的必修知識點按照掌握、理解、了解三個層次具體劃分為：掌握矢量運算，梯度、散度和旋度，高斯公式和斯托克斯公式，時變電磁場的麥克斯韋方程組、電磁波的波動方程等；理解電磁場的矢量位勢和標量位、泊松方程、時諧平面電磁波、截止頻率和諧振頻率等概念；了解分離變量法、庫侖規范、洛侖茲規范、滯后位等。而對鏡像法、有界空間中電磁波的求解方法、電磁輻射等作為選修內容。做出以上的安排主要考慮下面兩個因素：

一、有限的課時要優先考慮重點內容，對電磁場和電磁波涉及的核心知識點必須要詳細講解，比如散度、旋度、梯度、麥克斯韋方程組、波動方程、平面電磁波等，至少要花三分之一的課時結合多種教學手段讓學生在理解物理概念的基礎上掌握基本公式及應用。而對一些比較復雜的問題，如分離變量法、鏡像法等知識點，通過弱化在總學時的比例或用選修的方式做簡化處理；

二、由于我校電子信息工程、通信工程專業有電磁場與電磁波方面的后繼課程－－－－專業必修課“微波技術”、專業方向課程“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、電磁輻射等知識點完全可以在后繼課程中系統學習。

2教學方法研究

通過多年課堂教學的探索和總結，針對二本高校學生數理基礎較薄弱的特點，同時為適應應用型高校的辦學需求，為該課程制定一套教學方法，使抽象的概念形象化，難懂的公式物理化，知識掌握的系統化，最終將理論基礎與實際應用密切聯系，激發學生興趣，培養學生探索性學習素養，啟迪學生創新思想，促進學生知識拓展應用能力的提高。

2．1知識點形象化、系統化

在形象化講解抽象概念的基礎上，將相近或易混淆的內容做比較，通過列表的方式從物理概念、數學公式、適用條件等方面將概念進行區分，使分散的問題系統化，加深學生的理解和記憶。下面以三個度（梯度、散度、旋度）的講解為例，說明該過程的具體實施。如何將概念形象化？例如在講解梯度時，以溫度場為例，介紹溫度沿不同方向的變化率。該問題針對某一溫度場中的山峰，甲、乙、丙三人分別從三個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。然后引導學生思考，如果是對溫度場的某點A來說，平均變化率就變為溫度沿三種方向在A點的變化率，表述為TL沿不同方向，自然引出方向性導數的概念。進一步提示學生，在所有方向的變化率中，總有一個方向變化率是最大的，這個值就是梯度的大小，這個方向就是梯度的方向，最終將針對標量場的梯度概念給完整引出。在系統講解完梯度、散度、旋度后，用列表的方式對問題進行區分，找到三者之間的異同。

2．2HFSS軟件實踐教學

為改善比較死板的教學現狀，同時貼合應用型辦學思想，對該課程的一些知識點在理論推導的基礎上用軟件仿真的形式將無形的場結構有形化，加深學生對知識點的把握程度。工程上常用的HFSS有限元分析軟件，對于一些典型的電磁場問題，如電場分布、磁場分布、電感、電容等，可以提供直觀的場結構顯示。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結構。例：設計一個中心頻率為3GHz的半波偶極子天線，計算其空間電場分布。傳統教學過程是首先分析電偶極子的遠區電場分布，通過在球坐標系中將電位函數高階近似的方式推出電偶極子的遠區場電場E→＝－"φ＝p4πε0r3（2cosθe→r＋sinθe→θ），其中p為電偶極矩；然后根據偶極子天線的對稱性計算對稱天線的輻射電場；最后計算3GHz下天線的輻射場分布和方向性函數。實踐教學過程則是依托HFSS軟件，通過建模仿真的方式直觀的得到半偶極子場結構。設置掃頻范圍2．5GHz－3．5GHz，S11參數、方向圖，以及電場分布。相比繁瑣的理論公式的推導計算，HFSS軟件實踐教學方式更容易被學生接受，在掌握電場結構的基礎上提高了學習興趣，為以后的工程應用奠定基礎。

3總結

“電磁場與電磁波”做為電子信息類、通信工程類本科專業的一門專業基礎課，具有十分重要的核心地位。針對應用型高校如何實施教學過程是值得研究和探索的問題。本文從教學內容和教學方式兩個方面，圍繞教學做了初步探討。經過實際教學檢驗，取得了令人滿意的教學效果。

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作者：時晶晶 單位：合肥師范學院