“電磁場與電磁波”課程教學(xué)實踐與探討-2019年文檔

“電磁場與電磁波”課程教學(xué)實踐與探討基金項目：本文系河南省教育廳項目（項目編號： 12A510017）、華北水利水電大學(xué)項目（項目編號： 201027）的研究成果。“電磁場與電磁波”是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。隨著電子技術(shù)飛速發(fā)展，特別是電力電子設(shè)備密度不斷增加，數(shù)據(jù)通信傳輸速率和信道帶寬的提高，要求電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生和電氣工程師必須具備“電磁場與電磁波”方面的知識儲備。由于“電磁場與電磁波”理論性強，場與波的概念比較抽象，課程涉及公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，課程難度較大。所以，“電磁場與電磁波”課程無論對教師的教學(xué)，還是對學(xué)生的理解掌握都有較大的難度。另外，本課程教學(xué)效果又直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)如微波技術(shù)、光電子技術(shù)等。[1]因此，“電磁場與電磁波”課程對于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生是十分重要的。綜合教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革，加強理論聯(lián)系實踐，避免了簡單的理論教育，在“電磁場與電磁波”理論與實驗教學(xué)方面進(jìn)行了有益的探索，近年來取得了一定的教學(xué)效果。一、“電磁場與電磁波”課程內(nèi)容研究完整的內(nèi)容體系“電磁場與電磁波”教學(xué)內(nèi)容必須和專業(yè)培養(yǎng)方案保持一致。華北水利水電大學(xué)使用的教材是西安交通大學(xué)馮恩信老師的 《電磁場與電磁波》。該教材是國家級規(guī)劃教材，依據(jù)培養(yǎng)方案學(xué)時數(shù)由 62學(xué)時調(diào)整到48學(xué)時。課程要求學(xué)生熟練掌握基本理論和基本分析方法，重點是理論基礎(chǔ)和知識體系的完整性，同時盡量避開繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)?！半姶艌雠c電磁波”從科學(xué)實驗基礎(chǔ)出發(fā)，總結(jié)出電磁規(guī)律，根據(jù)電磁規(guī)律，針對不同的實際情況，采取相應(yīng)的求解方法來解決不同的實際工程問題。課程涉及的大多數(shù)物理量是矢量場， 分布是時間的函數(shù)，而且還是空間分布函數(shù)，概念比較抽象，而電磁場與電磁波又是看不見、摸不著的。此外，課程對學(xué)生的數(shù)學(xué)知識及其應(yīng)用能力要求比較高，數(shù)學(xué)知識多要用到偏微分、多重積分、矢量分析和場論等。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該根據(jù)學(xué)時進(jìn)行取舍：1）首先補充介紹矢量分析和場論內(nèi)容，使學(xué)生更容易學(xué)習(xí)電磁場，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)矢量場的分析方法，更好地建立電磁場的概念。2）以科學(xué)實驗的結(jié)果引出庫侖定律、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律，運用場論的數(shù)學(xué)工具歸納出電磁場方程，利用位移電流假設(shè)建立了麥克斯韋方程組。3）依次討論靜態(tài)場、時變電磁場以及電磁波的傳播與輻射特性。時變電磁場是重點，歸納了麥克斯韋方程組和物理理論基礎(chǔ)，需要掌握電磁波的數(shù)學(xué)描述、傳播特性。4）為了保證教學(xué)知識體系的完整性，同時為后續(xù)課程微波技術(shù)打好基礎(chǔ)，應(yīng)該講解平面電磁波、電磁波的輻射和天線。[2]2.理論聯(lián)系實際在“電磁場與電磁波”課程教學(xué)過程中，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，改善“電磁場與電磁波”的課堂教學(xué)效果，在授課內(nèi)容中增加與實際生活以及電力工程相聯(lián)系的工程實例。通過了解生活中應(yīng)用電磁場或者電磁波知識的實際例子，使學(xué)生掌握利用電磁理論原理分析解決實際工程問題。例如利用電磁理論分析微波爐與電磁爐的原理不同之處，微波爐加熱是利用微波煮飯燒菜的， 這種電磁波可以穿過玻璃、塑料或陶瓷，碰到金屬就會發(fā)生反射，不會消耗能量。但是微波不能透過含有水分的食物，其能量反而被吸收，轉(zhuǎn)化為熱量加熱食物；電磁爐工作原理有所不同，電磁爐采用磁場感應(yīng)的渦流加熱， 首先控制振蕩電路產(chǎn)生高頻交流電，變化的電流通過線圈就會產(chǎn)生交變磁場，交變磁場感應(yīng)在金屬鍋底產(chǎn)生無數(shù)小渦流，這些渦流的熱效應(yīng)會使鍋體發(fā)熱，再加熱鍋中的食物，達(dá)到煮熟食物的目的。實驗教學(xué)環(huán)節(jié)“電磁場與電磁波”實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是驗證電磁理論、增強理解電磁理論的重要手段，由于電磁場與微波實驗測試設(shè)備比較昂貴，建立實驗室需要很大的投入，電磁場與微波實驗課程主要通過電磁軟件完成仿真實驗，利用仿真軟件完成相關(guān)實驗是一個低成本的選擇，可以做演示性的基礎(chǔ)實驗，也可以進(jìn)行創(chuàng)新研究性的實驗。使用Ansoft公司的HFSS（HighFrequencySimulationSoftware）是利用windows圖形用戶界面的一款高性能的全波電磁場模擬仿真軟件，它易于學(xué)習(xí)，具有仿真、可視化、立體建模、自動控制的功能，使“電磁場與電磁波”問題能快速而準(zhǔn)確地求解。仿真實驗教學(xué)內(nèi)容可以根據(jù)學(xué)生的實際情況選擇合適的實驗項目，實驗項目不受固定實驗臺的功能限制。這種方式適應(yīng)了目前高等教育提倡的增加研究性實驗的要求，特別是對于成績較好的同學(xué)，效果較好。軟件應(yīng)用難度有點大，不能盡如人意，從長期來看應(yīng)該建立電磁場與微波實驗室。二、“電磁場與電磁波”教學(xué)方法研究啟發(fā)式教學(xué)在教學(xué)過程中采用實驗啟發(fā)式教學(xué)法， 以實際工程問題為例啟發(fā)學(xué)生思考。在教學(xué)過程中以教師講授為主， 多媒體授課并適當(dāng)結(jié)合板書。對重要定理和公式，應(yīng)該詳細(xì)推導(dǎo)，用黑板手寫進(jìn)行講解，這樣能加深學(xué)生對知識的理解。對一些復(fù)雜繁瑣的公式不做過多推導(dǎo)， 把課程講授重點放在物理概念、 物理模型和基本分析方法上。整體教學(xué)思路在科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生運用電磁場理論推導(dǎo)， 利用數(shù)學(xué)工具分析討論，最后歸納概括電磁理論，然后介紹利用電磁理論解決實際工程問題。[3]在課程中講一些電磁科學(xué)發(fā)展的名人軼事，如麥克斯韋在總結(jié)前人的理論基礎(chǔ)上提出位移電流假說， 預(yù)言電磁波的存在，后來赫茲怎樣用實驗驗證了電磁波的存在。2.培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法和思想在教學(xué)過程中，不僅要學(xué)習(xí)前人的科學(xué)成果，還要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)前輩進(jìn)行科學(xué)研究的方法，注重培養(yǎng)學(xué)生的研究科學(xué)方法和思想，如對稱性與不對稱性的科學(xué)思想。在很長一段時間里電學(xué)和磁學(xué)的研究是兩個獨立的分支，丹麥學(xué)者奧斯特真正把電和磁聯(lián)系起來，他首先發(fā)現(xiàn)在電流線周圍的小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，也就是說電能產(chǎn)生磁。法拉第遵循對稱性的科學(xué)思想設(shè)想磁應(yīng)該能產(chǎn)生電，拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律?？雌饋恚娕c磁的相互聯(lián)系已經(jīng)相當(dāng)完善，然而麥克斯韋發(fā)現(xiàn)磁的時間變化可以產(chǎn)生電，依據(jù)對稱性的科學(xué)思想得出電的時間變化可以產(chǎn)生磁，提出了位移電流思想的假設(shè)。麥克斯韋采用了分析流速場的環(huán)量、通量、散度、旋度來描述電磁場，用精確的數(shù)學(xué)語言建立了麥克斯韋方程組，預(yù)言電磁波的存在，這正是對稱性思想在電磁理論發(fā)展史上所起的作用。 [4]另外也讓學(xué)生認(rèn)識到數(shù)學(xué)工具在科學(xué)研究中的重要地位，要求學(xué)生加強數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)和工程應(yīng)用。綜合利用多媒體在教學(xué)過程中采用多媒體結(jié)合板書進(jìn)行教學(xué)，一些難理解的電磁波等理論通過電子教案、錄像的演示更為直觀，可以利用仿真軟件演示，天線的實物照片讓學(xué)生容易掌握電磁理論的工程應(yīng)用。授課過程中始終堅持互動教學(xué)，結(jié)合復(fù)雜背景中紅外與雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的目標(biāo)識別研究項目，介紹雷達(dá)的目標(biāo)識別的原理，使學(xué)生對電磁波有了感性的認(rèn)識，這充分激發(fā)了學(xué)生的求知欲。多種媒體擴大了涵蓋的內(nèi)容，達(dá)到圖文并茂，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，提高了學(xué)生的觀察能力、分析推理能力、歸納應(yīng)用能力。研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)授課教師結(jié)合科研工程項目給學(xué)生布置有關(guān)大作業(yè)，例如目前研究熱點——物聯(lián)網(wǎng)中關(guān)鍵技術(shù)射頻識別技術(shù) RFID，[5]利用RFID技術(shù)完成智能停車場管理系統(tǒng)的汽車定位設(shè)計， 安排學(xué)生查閱文獻(xiàn)掌握RFID系統(tǒng)的原理和主要涉及的電磁理論知識，要求學(xué)生完成學(xué)習(xí)目標(biāo)后提交一份報告，該環(huán)節(jié)還可以為畢業(yè)設(shè)計或繼續(xù)深造打好基礎(chǔ)。三、結(jié)束語“電磁場與電磁波”理論發(fā)展迅速，“電磁場與電磁波”課程教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容必須與時俱進(jìn)，力求教材新穎，內(nèi)容充實，還要選擇合理的教學(xué)方法才能取得較好的教學(xué)效果。 需要每一個教師認(rèn)真探討與研究，更需要多總結(jié)和廣泛交流。電磁理論研究特別關(guān)注科學(xué)方法和科學(xué)思想，