“電磁場與電磁波”的感知教學(xué)實(shí)踐與探索

【關(guān)鍵詞】教學(xué)改革；感知教學(xué)；電磁場與電磁波；電磁仿真軟件；可視化工具

引言

當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)和社會形態(tài)正在發(fā)生深刻變化，特別是進(jìn)入新時代以來，以電子信息技術(shù)為核心的信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)成為推動國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要引擎。電磁場與電磁波課程作為電子信息、通信工程等專業(yè)重要的基礎(chǔ)必修課，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，在專業(yè)培養(yǎng)體系中起承前啟后的作用，是貫徹新工科背景下人才培養(yǎng)目標(biāo)的改革核心[1]。

然而，由于電磁場與電磁波課程涉及許多抽象的電磁場概念和公式，傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生往往難以理解和掌握復(fù)雜抽象的理論知識[2]。為提高教學(xué)質(zhì)量，直觀展現(xiàn)電磁規(guī)律，以MATLAB、HFSS等電磁計(jì)算軟件為核心的可視化技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用[3]。目前已有的“電磁場與電磁波”可視化教學(xué)方案大多注重對單一電磁計(jì)算軟件的運(yùn)用，無法全面展示電磁場現(xiàn)象；同時，現(xiàn)有可視化教改方案缺乏對教學(xué)效果的系統(tǒng)性評價(jià)[4-6]?；诖?，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，我們提出了電磁場與電磁波感知教學(xué)法，主要工作包含：1.將電磁仿真技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，通過建立電磁仿真模型，將原本難以理解的電磁場現(xiàn)象具體化。2.提出了一種新的感知教學(xué)案例設(shè)計(jì)策略，采用電磁仿真技術(shù)、實(shí)驗(yàn)操作等多手段直觀展示電磁現(xiàn)象。3.在教學(xué)方案中引入評價(jià)機(jī)制，通過問卷調(diào)查、同行環(huán)評等手段不斷優(yōu)化案例設(shè)計(jì)和講授方法。

課題實(shí)施和評價(jià)結(jié)果顯示，通過在電磁場與電磁波課程中引入視覺感知教學(xué)，能提升學(xué)生對基本抽象概念的理解，加強(qiáng)對理論知識的應(yīng)用，還可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，教學(xué)成效顯著提高。

一、感知教學(xué)實(shí)踐方案

結(jié)合教學(xué)大綱和課題目標(biāo)，我們編制了感知教學(xué)實(shí)踐方案。其實(shí)施框架如圖1所示。

感知教學(xué)實(shí)踐方案主要步驟有：

a） 確定教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容：明確感知教學(xué)的目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，確定哪些知識點(diǎn)適合感知教學(xué)。

b） 設(shè)計(jì)教學(xué)案例，建立電磁仿真模型：根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，利用電磁仿真軟件，設(shè)計(jì)相應(yīng)的感知教學(xué)案例。

c） 在課程中實(shí)施感知教學(xué)：通過可視化工具，將仿真結(jié)果以圖形、動畫和實(shí)驗(yàn)的形式展示出來。通過案例講解、問題討論等方式，引導(dǎo)學(xué)生理解和掌握相關(guān)知識。

d） 評估教學(xué)效果：通過測試、問卷調(diào)查、同行環(huán)評等方式，評估感知教學(xué)的效果，并根據(jù)評估結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

二、感知教學(xué)的案例設(shè)計(jì)策略

電磁場現(xiàn)象復(fù)雜多變，類目繁雜，如何以適當(dāng)方式展示電磁現(xiàn)象是設(shè)計(jì)感知教學(xué)案例過程中需要考慮的首要問題。已有的可視化類教改課題中，大多注重單一手段的運(yùn)用，無法完整直觀展示各類電磁現(xiàn)象。根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，本課題將電磁場感知教學(xué)案例從內(nèi)容和機(jī)理上分成三類。第一類是注重電磁現(xiàn)象解析解的真實(shí)電磁場（例如靜電場的規(guī)律）；第二類是適合宏觀展示電磁現(xiàn)象的無解析解案例（例如工程中的電磁場應(yīng)用問題）；第三類是適合實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)，可動手操作的教學(xué)案例。

（一）基于MATLAB的感知教學(xué)設(shè)計(jì)

MATLAB是電磁仿真領(lǐng)域的重要工具，在數(shù)據(jù)可視化方面提供了強(qiáng)大的功能支持。在設(shè)計(jì)靜電場、靜磁場、電場線等存在解析解的教學(xué)案例中，可以借助其集成的可視化函數(shù)直觀地展示電磁場的空間分布及規(guī)律，幫助學(xué)生加深對抽象電磁概念、公式的理解。常用的MATLAB可視化函數(shù)見表1。

表1 MATLAB的可視化函數(shù)

如表1，電磁場中的電位、等值面等標(biāo)量，可以用contourf函數(shù)繪制等高線；電磁場中的電力線、矢量線等矢量，可以用quiver函數(shù)描繪矢量場分布。通過繪制等值線，矢量線等，MATLAB能清楚反映出電磁場的場分布，揭示場、源關(guān)系。圖2直觀展示了在研究靜電場的定解問題時，傳統(tǒng)教學(xué)與感知教學(xué)的異同。

（二）基于HFSS的感知教學(xué)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)無法通過解析方法得到精確解的電磁場感知教學(xué)案例時，可以借助專業(yè)的有限元分析軟件，如HFSS和COMSOL。這些軟件基于數(shù)值計(jì)算方法，能夠模擬復(fù)雜的電磁場分布，為我們提供數(shù)值解。其中，HFSS作為一款廣泛應(yīng)用的電磁仿真軟件，特別適用于高頻電磁場問題的求解。本小節(jié)以HFSS軟件為例，介紹感知案例的設(shè)計(jì)策略。在使用HFSS進(jìn)行電磁場問題求解時，需要遵循有限元方法的基本步驟：

①創(chuàng)建工程，定義求解空間及邊界條件；

②選擇求解模式，設(shè)定各類材料參數(shù)；

③根據(jù)教學(xué)案例建模并劃分網(wǎng)格，并計(jì)算出待求物理量的值；

④根據(jù)電磁仿真結(jié)果繪制電磁場分布圖、數(shù)值結(jié)果圖或電磁現(xiàn)象動畫等。

圖3直觀展示了在研究矩形波導(dǎo)傳輸模式和電磁場分布特性問題時，傳統(tǒng)教學(xué)和感知教學(xué)的異同。

（三）基于實(shí)驗(yàn)的感知教學(xué)設(shè)計(jì)

以MATLAB、HFSS為核心的感知教學(xué)案例多通過圖形、動畫等方式以視覺形式加深學(xué)生對知識的理解。為提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力，本課題還設(shè)計(jì)了基于實(shí)驗(yàn)的感知教學(xué)案例，實(shí)驗(yàn)案例包含：

a） 靜電場的模擬測繪實(shí)驗(yàn)：在靜電場的模擬測繪實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過Matlab可視化工具描繪等勢線，模擬靜電場。這是理解和掌握靜電場基本性質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生更好地理解和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過繪制可視化的電場線和等勢線，學(xué)生可以更加直觀的掌握靜電場的分布規(guī)律，從而加深對靜電場理論的理解。

b） 位移電流的測試及計(jì)算實(shí)驗(yàn)：在位移電流的測試及計(jì)算實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生將了解位移電流的定義，并定性體驗(yàn)電磁場中感應(yīng)電流的存在，定量測試感應(yīng)電流的大小。這個實(shí)驗(yàn)旨在幫助學(xué)生理解位移電流的概念，以及它在電磁場中的作用。為了使學(xué)生更好地理解這個概念，我們采用JMXEMWLab電磁波綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將位移電流的產(chǎn)生過程進(jìn)行可視化展示。通過這種方式，學(xué)生可以直觀感知到位移電流的產(chǎn)生和變化，從而更好地理解它的本質(zhì)。

c） 電磁波的傳播特性測試及分析實(shí)驗(yàn)：在電磁波的傳播特性測試及分析實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生將測試電磁波的傳播特性，了解極化的定義，并通過改變天線的極化方式，掌握天線的極化特性；同時掌握電磁波波節(jié)、波腹、駐波的測試方法。這個實(shí)驗(yàn)旨在幫助學(xué)生理解電磁波的傳播特性和天線的工作原理。為了使學(xué)生更好地理解這些概念，本實(shí)驗(yàn)通過使用四極化天線、云臺組件、導(dǎo)軌系統(tǒng)和電磁波綜合教學(xué)系統(tǒng)等設(shè)備模擬電磁波的傳播過程。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生還可以直觀感知到電磁波在空間中的傳播和變化，從而更好地理解它的傳播特性。另外通過比較不同極化形式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生可進(jìn)一步驗(yàn)證電磁波極化的原理和特性。此外，我們還利用了數(shù)據(jù)可視化的方法，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以圖表的形式展示出來，幫助學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過這種方式，學(xué)生可以更清楚地看到電磁波傳播特性的變化規(guī)律，從而更好地理解天線的極化特性和電磁波的波動特性。

三、課堂實(shí)踐及教學(xué)效果

評價(jià)感知教學(xué)自2019年秋季學(xué)期應(yīng)用于“電磁場與電磁波”的教學(xué)工作，至今已應(yīng)用5個學(xué)期，涵蓋約50個班次，2700余名學(xué)生。表2展示了連續(xù)三個教學(xué)周期中，學(xué)生對感知教學(xué)實(shí)施效果的評價(jià)。結(jié)果表明，感知教學(xué)法在幫助學(xué)生掌握相關(guān)概念，提高動手能力，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣等方面效果顯著。

表2 感知教學(xué)實(shí)施效果評價(jià)

結(jié)語

本文通過感知教學(xué)法將抽象的電磁概念用簡單直觀的圖像、動畫、實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)出來，以幫助學(xué)生理解掌握課程內(nèi)容。針對不同電磁現(xiàn)象，分別采用電磁仿真技術(shù)、實(shí)驗(yàn)等形式進(jìn)行展示。同時還引入了評價(jià)機(jī)制，監(jiān)測感知教學(xué)法的實(shí)施效果并作動態(tài)調(diào)整和改進(jìn)。評價(jià)結(jié)果顯示，本方案在教學(xué)實(shí)踐中成效顯著，相關(guān)成果可為其他教師提供參考和借鑒，推動《電磁場與電磁波》教學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展。