應(yīng)用型高?！半姶艌雠c電磁波”教學(xué)研究

時(shí)晶晶

(合肥師范學(xué)院，電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230061)

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應(yīng)用型高?！半姶艌雠c電磁波”教學(xué)研究

時(shí)晶晶

(合肥師范學(xué)院，電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230061)

針對應(yīng)用型二本高校的特點(diǎn)對“電磁場與電磁波”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。

電磁場與電磁波；教學(xué)研究；HFSS；實(shí)踐教學(xué)

“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(yīng)用。該課程主要從矢量分析入手，介紹電磁場中的靜態(tài)場、時(shí)變場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)[1]。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(xué)院這種應(yīng)用型二本高校來說，學(xué)生的基礎(chǔ)相對重點(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[2]，因此學(xué)習(xí)效果不是很理想，可能會有個(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)用型高校電磁場與電磁波課程的教學(xué)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(jié)合多年電磁場與電磁波課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，有針對性的對課程進(jìn)行改革，通過課堂上學(xué)生實(shí)時(shí)反饋情況對教學(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

本課程包括電磁場和電磁波兩大部分。電磁場部分是在高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用矢量分析的方法，描述靜電場和恒定磁場的基本物理概念、研究靜態(tài)場的解題方法、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[3]。

由于本校電磁場與電磁波課程只有48學(xué)時(shí)，需要針對應(yīng)用型高校學(xué)生的特點(diǎn)分層次講解課程內(nèi)容，對理論性、邏輯性較強(qiáng)的知識點(diǎn)做選修處理，既滿足大部分學(xué)生對基本知識點(diǎn)掌握的要求，又滿足部分學(xué)生向重點(diǎn)高校考研的需求。將課程的必修知識點(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)變電磁場的麥克斯韋方程組、電磁波的波動(dòng)方程等；理解電磁場的矢量位勢和標(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、庫侖規(guī)范、洛侖茲規(guī)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(nèi)容[4]。

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，對電磁場和電磁波涉及的核心知識點(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。而對一些比較復(fù)雜的問題，如分離變量法、鏡像法等知識點(diǎn)，通過弱化在總學(xué)時(shí)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(yè)有電磁場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(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

通過多年課堂教學(xué)的探索和總結(jié)，針對二本高校學(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)生知識拓展應(yīng)用能力的提高。

2.1 知識點(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，使分散的問題系統(tǒng)化，加深學(xué)生的理解和記憶[5]。下面以三個(gè)度(梯度、散度、旋度)的講解為例，說明該過程的具體實(shí)施。

如何將概念形象化？例如在講解梯度時(shí)，以溫度場為例，介紹溫度沿不同方向的變化率。如圖1所示。

圖1 梯度講解示意圖

在系統(tǒng)講解完梯度、散度、旋度后，用列表的方式對問題進(jìn)行區(qū)分，找到三者之間的異同，如表1所示。

表1 梯度、散度、旋度對比表

直角坐標(biāo)系展開：

梯度：

gradu=，

散度：

divF=，

旋度：

rotF=。

2.2 HFSS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，對該課程的一些知識點(diǎn)在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上用軟件仿真的形式將無形的場結(jié)構(gòu)有形化，加深學(xué)生對知識點(diǎn)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(jié)構(gòu)顯示[6]。下面就以半波偶極子為例，利用HFSS軟件建模仿真其空間輻射場結(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)算其空間電場分布。

實(shí)踐教學(xué)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(jié)構(gòu)。模型如圖2所示，設(shè)置掃頻范圍2.5GHz-3.5GHz，得到如圖3、4、5所示的S11參數(shù)、方向圖，以及電場分布。

圖2 半波偶極子天線模型

圖3 S11參數(shù)

圖4 天線方向圖

圖5 電場分布

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。針對應(yīng)用型高校如何實(shí)施教學(xué)過程是值得研究和探索的問題。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)過實(shí)際教學(xué)檢驗(yàn)，取得了令人滿意的教學(xué)效果。

[1] 王士彬,張蓮,萬沛霖,包明. “電磁場”課程教學(xué)內(nèi)容改革的實(shí)踐[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(5):8-11.

[2] 彭麟. 中美高校電磁場教學(xué)比較研究[J]. 中國電力教育,2014,312(17):73-74.

[3] 謝處方. 電磁場與電磁波[M]. 北京:高等教育出版社,2010.

[4] 孫玉發(fā). 電磁場與電磁波[M]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[5] 劉德國. “電磁場”課程中梯度、散度、旋度教學(xué)方法探討[J]. 科技信息,2014,15:51-52.

[6] 趙彥珍,應(yīng)柏青.Ansoft在“電磁場與波”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(2):95-96.

Research on Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave Course in Application-oriented Universities

SHIJingjing

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Aimingatthecharacteristicsofapplication-orienteduniversities,theteachingresearchonthecourseofElectromagneticFieldandElectromagneticWavewascarriedoutfromtheperspectiveofhierarchicalteachingincontentofcourses,makingthefocalpointsstandout,weakeningthedifficulties;usingimageryandsystematicteachingmethods,andapplyingthepracticalteachingmethodthroughHFSSsimulationsoftwaretoarisestudents'interestinlearning,soastoimprovetheteachingeffect.

ElectromagneticFieldandElectromagneticWave;teachingresearch;HFSS;practicalteaching

2016-06-18

2016年度雙真課程建設(shè)項(xiàng)目

時(shí)晶晶(1984-)，女，安徽亳州人，合肥師范學(xué)院講師，主要研究方向電磁場與微波技術(shù)。

TN011

B

1674-2273(2016)06-0075-03