基于應(yīng)用背景的“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)研究

邵初寅 范瑜

【摘要】隨著高等教育改革的深入，需要全面提升教師的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育能力。根據(jù)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的教學(xué)特點(diǎn)，可以在課堂引入大量的應(yīng)用背景和工程實(shí)例，既提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，同時(shí)又拓展了學(xué)生認(rèn)識(shí)問題分析問題的能力，提升教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)校的轉(zhuǎn)型和培養(yǎng)應(yīng)用型人才服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】 教學(xué)研究 電磁場(chǎng)與電磁波 應(yīng)用型高校

在十二屆全國(guó)人大四次會(huì)議的記者會(huì)上，教育部部長(zhǎng)袁貴仁在圍繞“教育改革和發(fā)展”的談話中指出，中國(guó)高等教育供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的主要矛盾是培養(yǎng)理論性、學(xué)術(shù)性人才的學(xué)校多，而培養(yǎng)技術(shù)、技能型人才的學(xué)校少。他在提出的高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的六件事中明確提到了提升教師創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)能力。從工科“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的特點(diǎn)看，由于其數(shù)學(xué)要求高、理論性強(qiáng)，一直是一門公認(rèn)的難教難學(xué)難考的課程。考慮到該課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課有著很強(qiáng)的應(yīng)用背景，有著充足及廣泛的素材和實(shí)例，引入教學(xué)的可行性極強(qiáng)，從而能為培養(yǎng)高素質(zhì)和高質(zhì)量的應(yīng)用型人才搭建一個(gè)可靠的平臺(tái)。目前各高校對(duì)該課程的教學(xué)改革進(jìn)行得如火如荼，包括教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、考試方式等方面，但無論什么辦法，核心的一點(diǎn)就是如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。筆者認(rèn)為最重要的是通過認(rèn)識(shí)和專業(yè)課的聯(lián)系及廣泛的工程和實(shí)際應(yīng)用例子，使學(xué)生真正體會(huì)該課程的重要性而自覺投入到學(xué)習(xí)中。此課程改革也和中國(guó)高等教育和本校的轉(zhuǎn)型完全一致。要把各種應(yīng)用例子充實(shí)到“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，不斷地強(qiáng)化學(xué)生對(duì)此的認(rèn)識(shí)。本文就這一思路和實(shí)施重點(diǎn)加以闡述。

一、緒論的精心準(zhǔn)備

每門課的第一堂課尤為重要，學(xué)生聽課的效率很高。十分有必要精心準(zhǔn)備好補(bǔ)充的緒論部分，把本課程的地位作用、特點(diǎn)、應(yīng)用等加以講述。要根據(jù)不同專業(yè)預(yù)先了解已上了那些課程，后續(xù)有那些專業(yè)課，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)例子來體現(xiàn)本課程的作用和地位。如從日常生活中的遙控器到微波爐，從實(shí)驗(yàn)中的示波器到電子顯微鏡，從工程中的發(fā)電機(jī)到磁懸浮，從醫(yī)學(xué)上的X透射到核磁共振，從通訊領(lǐng)域的手機(jī)、局域網(wǎng)到導(dǎo)航系統(tǒng)，從軍事上的雷達(dá)到隱身飛機(jī)等等[1]。這些例子無不都深刻地反映了電磁場(chǎng)和電磁波在不同領(lǐng)域極其廣泛的應(yīng)用，從而來吸引學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣和積極性，起到一個(gè)良好的開端作用。

二、課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的深度融入

課堂教學(xué)是最核心的環(huán)節(jié)，除了要使學(xué)生掌握“電磁場(chǎng)與電磁波”基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)外，更重要的就要在整個(gè)授課過程中貫穿各種應(yīng)用實(shí)例，真正讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)本課程的廣泛的應(yīng)用價(jià)值。以前可能是學(xué)時(shí)有限，一般最多是緒論或每一章提到一些具體應(yīng)用，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要在合適的章節(jié)甚至具體特點(diǎn)和性質(zhì)上都要引入合適的應(yīng)用實(shí)例，從而真正達(dá)到我們提倡的創(chuàng)新教學(xué)目的。

2.1靜態(tài)場(chǎng)

在講靜電場(chǎng)時(shí)，可舉靜電放電、靜電感應(yīng)、靜電屏蔽、靜電力的應(yīng)用等等。如帶電體為球形時(shí)表面均勻帶電，但如在尖銳處就會(huì)有大量電荷積累而形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，像高壓線附近形成的電暈就是一種放電現(xiàn)象。當(dāng)平板電容器的極板面積和間距一定時(shí)，改變其間的填充介質(zhì)，電容量即發(fā)生變化，這就形成所謂的電容式傳感器。靜電屏蔽是封閉的導(dǎo)體腔可以阻斷外界靜電場(chǎng)的影響，例如高電壓實(shí)驗(yàn)室及微波暗室通常應(yīng)具備接地良好的金屬網(wǎng)狀屏蔽墻，以阻斷內(nèi)外靜電場(chǎng)的相互影響。像某些電路板及敏感電子器件應(yīng)放入導(dǎo)電袋中。其實(shí)對(duì)時(shí)變電磁場(chǎng)也可起到同樣的作用。再如講到電容器時(shí)，可舉每人用的手機(jī)的電容式觸摸屏，它原理上通過與工作面形成的耦合電容來吸走一點(diǎn)交流電來定位坐標(biāo)等。

恒定磁場(chǎng)的應(yīng)用非常普遍，如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、示波器、磁屏蔽技術(shù)、電子顯微鏡、回旋加速器、磁懸浮技術(shù)等等。在講到用基本理論求解螺旋管的磁場(chǎng)時(shí)，其產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)就可用于質(zhì)譜儀、磁控管、回旋加速器、顯像管及控制電子束的掃描等。類似電場(chǎng)，當(dāng)線圈的匝數(shù)和尺寸不變時(shí)，變更線圈中的填充物可改變線圈的電感，就是電感傳感器的基本原理。磁懸浮技術(shù)是利用磁場(chǎng)力抵消重力的影響從而使物體懸浮。如采用德國(guó)技術(shù)在我國(guó)上海浦東長(zhǎng)度為30公里，時(shí)速達(dá)430km/h的磁懸浮列車。首條國(guó)產(chǎn)磁懸浮明年上半年將在長(zhǎng)沙投入運(yùn)營(yíng)。

在講到基本方法疊加原理和鏡像法時(shí)，就可舉雷云靜電場(chǎng)對(duì)地面的影響及輸電線路周圍的工頻磁場(chǎng)分布計(jì)算[2]。這都是很好的鏡像法并具體利用疊加原理計(jì)算的例子，從而來引起學(xué)生的注意對(duì)上述兩方法的認(rèn)識(shí)和理解。對(duì)于不能用解析解處理的復(fù)雜問題，就可介紹利用類似MATLAB計(jì)算語(yǔ)言來進(jìn)行計(jì)算和處理[3]。

對(duì)于求解靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)都滿足的拉普拉斯方程時(shí)，除認(rèn)識(shí)能處理電（磁）場(chǎng)的計(jì)算外，由于其它領(lǐng)域也有一樣的方程形式，也可適用于恒定流場(chǎng)、恒定溫度場(chǎng)。比如說水電比擬就是在同樣邊界條件下，可利用兩者的相似性先做出其中一個(gè)參量測(cè)定推出另一個(gè)參量的具體數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用中由于測(cè)量電位較方便且精確，就可以通過此方法來計(jì)算出流場(chǎng)的速度分布。這在某些湖泊（如杭州西湖）的環(huán)境治理研究中有具體例子說明[4]。

2.2時(shí)變場(chǎng)

時(shí)變場(chǎng)中首先學(xué)的就是電磁感應(yīng)定律，它的應(yīng)用極其廣泛。如當(dāng)一根導(dǎo)電棒在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)切割磁場(chǎng)線時(shí)，導(dǎo)電棒的兩端之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，就是單極直流發(fā)電機(jī)的工作原理。反之就構(gòu)成單極馬達(dá)。家用的電度表、電磁灶也都以此為原理。還可以根據(jù)導(dǎo)體中感應(yīng)產(chǎn)生的渦流變化來檢測(cè)導(dǎo)體中存在的缺陷等。

電磁波的傳播例子不勝枚舉，從收音機(jī)到有線電視、從雷達(dá)到微波通訊、從有線電視到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、從無線局域網(wǎng)到藍(lán)牙技術(shù)，無不利用電磁波作為載體。在講理想介質(zhì)中傳播的電磁波時(shí)，認(rèn)識(shí)到電磁波的頻率相同時(shí)，在介質(zhì)中的波長(zhǎng)比真空中的要短，這種現(xiàn)象稱為縮波效應(yīng)。利用此效應(yīng)在制造微帶電路和微帶天線中起到關(guān)鍵的作用，尺寸小、重量輕對(duì)于航天及軍用設(shè)備尤為重要。當(dāng)電磁波在有耗介質(zhì)中傳播時(shí)，電磁能量將會(huì)損失。這種吸波效應(yīng)現(xiàn)象就可以利用制造吸波材料用于隱形飛機(jī)或隱形軍艦等。測(cè)量天線的微波暗室也采用吸波材料制成墻壁、頂面和地面，以消除電磁波的反射[1]。

電磁波的傳播特性中的極化規(guī)律在工程實(shí)際應(yīng)用中也得處處考慮，圓極化波雷達(dá)也稱為全天候雷達(dá)，在穿過雨區(qū)時(shí)不會(huì)受到強(qiáng)烈吸收，飛機(jī)與地面的通信往往需要采用圓極化天線。極化匹配對(duì)于無線通信鏈路是達(dá)到最佳狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。光波是一種電磁波，雖然光波的極化方向隨機(jī)，采用一些方法可以獲得極化特性即偏振特性，如目前流行的3D電影就是利用偏振光產(chǎn)生的效果。

電磁波的另一個(gè)重要量是頻率，不同頻率的電磁波傳輸過程中有其自身的特點(diǎn)，所以我們知道有很多中傳輸?shù)姆绞胶头椒?。有雙導(dǎo)線、同軸線、微帶、金屬波導(dǎo)和光纖等，可以根據(jù)和介質(zhì)的相互作用及輻射等特點(diǎn)來認(rèn)識(shí)和理解各自的性質(zhì)和作用。

講到電磁波的輻射，就可從天線引入。從常見的金屬拉桿天線、收音機(jī)的磁棒天線到日常離不開的基站天線、電視塔天線等等來體現(xiàn)。盡可能避免煩瑣的理論推導(dǎo)，主要通過基本的結(jié)論來分析輻射和那些參量相關(guān)，并舉例說明。如拉桿天線、收音機(jī)螺旋管天線接收時(shí)的方向性問題；太陽(yáng)在清晨特別呈現(xiàn)鮮紅色而天空又為什么是蔚藍(lán)色的。隨著現(xiàn)代高速電路技術(shù)飛速發(fā)展，電路設(shè)計(jì)中遇到的高頻問題越來越多，帶來研究電磁輻射的電磁兼容與電磁干擾等諸多問題[5][6]。

三、研究性學(xué)習(xí)的小論文

課堂上教學(xué)的時(shí)間畢竟有限，實(shí)施自主和研究性學(xué)習(xí)是大家普遍公認(rèn)的好方法?！半姶艌?chǎng)與電磁波”在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使得可選的課題面廣量大，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的普及也使實(shí)施具備良好的可操作性，學(xué)生可根據(jù)各自的興趣來選擇課題內(nèi)容。

當(dāng)然有取得良好的效果，關(guān)鍵是要組織實(shí)施好。重點(diǎn)抓好以下幾個(gè)步驟：如研究性學(xué)習(xí)的初步介紹、研究課題的選擇、課題研究和撰寫和評(píng)價(jià)。畢竟學(xué)生對(duì)研究性學(xué)習(xí)的方法和手段并不很熟悉，所以需要花點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行引導(dǎo)?？删帉憣W(xué)習(xí)手冊(cè)放至課程的教學(xué)網(wǎng)站。特別可重點(diǎn)推薦一些信息資源，如生活中的電磁理論，磁化水、微波加熱、條形碼技術(shù)、雷電、電磁波公害等；軍事領(lǐng)域方面的雷達(dá)、隱身技術(shù)、激光武器等；高新技術(shù)方面的液晶技術(shù)、光纖通訊、納米材料等。當(dāng)然要使此環(huán)節(jié)起到良好的效果，必須給學(xué)生一定的壓力，一是在課程的總分中占部分比例，二是要安排時(shí)間隨機(jī)抽取部分學(xué)生進(jìn)行交流，大家進(jìn)行一起交流學(xué)習(xí)，并通過老師的點(diǎn)評(píng)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到還有那些地方存在缺陷和不足，起到舉一反三的作用。

四、實(shí)用應(yīng)用軟件的體現(xiàn)

適合研究“電磁場(chǎng)與電磁波”的應(yīng)用軟件有不少，根據(jù)實(shí)際情況本課程中重點(diǎn)突出MATLAB語(yǔ)言和HFSS仿真軟件[3][7][8]，穿插在適當(dāng)?shù)恼n程教學(xué)中。MATLAB是學(xué)生開設(shè)的課程，而且在“電磁場(chǎng)與電磁波”中有廣泛的應(yīng)用。無論是從靜態(tài)場(chǎng)到時(shí)變場(chǎng)，從平面波的傳播到波導(dǎo)中的電磁場(chǎng)分布，從電磁波的反射折射到電流元的輻射規(guī)律，都可很好地用MATLAB進(jìn)行計(jì)算或仿真。這樣一方面豐富了課堂教學(xué)的多樣性和可視化，也使學(xué)生認(rèn)識(shí)了MATLAB在處理各類問題的具體應(yīng)用。HFSS是一款三維電磁場(chǎng)仿真軟件，是當(dāng)今流行的微波無源器件和天線的設(shè)計(jì)與仿真工具。天線部分在整個(gè)“電磁場(chǎng)與電磁波”中雖只占很少的課時(shí)，但用該軟件可展示一下各類天線的仿真圖，讓學(xué)生盡早了解到HFSS的應(yīng)用，也為今后畢業(yè)論文選擇相關(guān)內(nèi)容作一定的鋪墊和今后的獨(dú)立工作儲(chǔ)備知識(shí)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊儒貴，劉云林.電磁場(chǎng)與波簡(jiǎn)明教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006

[2]李學(xué)文，孫可平，于格非.雷云靜電場(chǎng)的模型化研究[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006：18（增刊）：1-4

[3]施梨.MATLAB工程仿真與應(yīng)用30例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015

[4]夏新華，曹飛鳳，樓章華.引水工程前后西湖流暢的數(shù)值模擬研究[J].上海：上海環(huán)境科學(xué)，2008：27（3），99-103

[5]唐利軍.淺析電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)[J].信息通信，2015：8（152），267

[6]陳曉冬.汽車電器的電磁兼容[J].水電工程，2015：8，118

[7]楊發(fā)權(quán).MATLAB通訊系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015

[8]李明洋，劉敏.HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2013