羅 霞羅 闊　李 震劉洪山代秋芳.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院　廣東廣州　5064.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院　廣東廣州　5064

電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)與探討

羅 霞1羅 闊2李 震1劉洪山1代秋芳1
1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院廣東廣州510642
2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院廣東廣州510642

本文在電磁場(chǎng)與電磁波課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)和仿真軟件相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了一系列的改革，并在課程中實(shí)施。實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)果表明：學(xué)生對(duì)“看不到、摸不著”的電磁波，通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)，加深了對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解，由畏難到產(chǎn)生興趣，積極性有了很大的提高，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

電磁場(chǎng)與電磁波；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；改革；教學(xué)效果

高校實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究的重要基地，也是不斷培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力的人才基地。我校是一所百年老校，始終貫徹“大類(lèi)培養(yǎng)、加強(qiáng)實(shí)踐、因材施教、發(fā)展個(gè)性”的人才培養(yǎng)思路，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)非常重視，并積極推進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程的改革。[1]近年來(lái)，我院大力加強(qiáng)電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)，本文從實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)出發(fā)，結(jié)合“電磁場(chǎng)與電磁波”課程特點(diǎn)，對(duì)該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究與探討，并提出了具體實(shí)施方案。

1　電磁場(chǎng)與電磁波課程的特點(diǎn)

電磁場(chǎng)與電磁波是我校工程學(xué)院電子信息、電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)必修的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程主要講授電磁基本理論和電磁工程兩個(gè)方面知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，為后續(xù)通信原理、移動(dòng)通信技術(shù)、微波技術(shù)與天線、電磁兼容、光電子技術(shù)等專業(yè)課打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此電磁場(chǎng)與電磁波課程在專業(yè)建設(shè)中有著重要的意義。本課程理論性強(qiáng)，概念抽象，課程公式推導(dǎo)較多，難度較大，這就要求學(xué)生具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)訓(xùn)練、物理概念準(zhǔn)確和較強(qiáng)的抽象思維能力。目前，在本課程教學(xué)中普遍存在教師“難教”，學(xué)生“難學(xué)”的現(xiàn)象。[2，3]

2　具體實(shí)施方案

2.1教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃修訂

2010年6月，教育部提出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”(簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”)本科生人才培養(yǎng)方案。該計(jì)劃旨在培養(yǎng)造就創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類(lèi)型工程技術(shù)人才，“卓越計(jì)劃”作為新的人才培養(yǎng)模式改革，對(duì)本科的實(shí)踐教學(xué)提出了更高的要求。為此，我校在修訂培養(yǎng)計(jì)劃時(shí)將原來(lái)依附于理論課的實(shí)驗(yàn)課分離出來(lái)，單獨(dú)設(shè)立實(shí)驗(yàn)系列課程，且作為必修考試課程。工程學(xué)院將該課程的實(shí)驗(yàn)課程單獨(dú)設(shè)課，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)從原來(lái)的僅有6學(xué)時(shí)增加到16學(xué)時(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手能力和邏輯思維能力。

2.2更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備

近年來(lái)，我院加強(qiáng)了電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)，引進(jìn)了電磁波綜合測(cè)試臺(tái)12套。如圖1所示，主要由DH1121B三厘米固態(tài)信號(hào)源、分度轉(zhuǎn)臺(tái) 、喇叭天線、可變衰減器、晶體檢波器、檢波指示器 、視頻電纜、反射板、半透射板、讀數(shù)機(jī)構(gòu)、單縫板、雙縫板、模擬晶體(模擬晶體及支架)、DH30002型極化天線組件、介質(zhì)板、DH30003型柵網(wǎng)組件等組成。該儀器可以完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：電磁波波長(zhǎng)的測(cè)量、反射折射的測(cè)量、極化特性的研究等。

圖1　電磁波綜合測(cè)試臺(tái)

2.3完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱的要求，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，包括電磁波的發(fā)射特性實(shí)驗(yàn)、電磁波的單縫衍射實(shí)驗(yàn)，電磁波的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、布拉格衍射實(shí)驗(yàn)等；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)包括邁克遜干涉實(shí)驗(yàn)、均勻無(wú)損耗媒質(zhì)參量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)等三個(gè)層次。再根據(jù)課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等情況，重新編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，做到實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)突出。下面以電磁波的極化特性為例做出進(jìn)一步說(shuō)明。

電磁波的極化是用以描述電場(chǎng)強(qiáng)度空間矢量在某點(diǎn)位置上隨時(shí)間變化的規(guī)律，在微波理論研究和工程應(yīng)用中都具有重要的作用。[4]常見(jiàn)的極化有線極化波、圓極化波或橢圓極化波等。在電磁波綜合測(cè)量?jī)x中，其矩形喇叭發(fā)射出來(lái)的電磁波屬于線極化波。因此矩形接受喇叭和發(fā)射喇叭的極化方向不同時(shí)，接受效果是不同的。當(dāng)接受喇叭與發(fā)射喇叭在一條軸線并且口面狀態(tài)一致時(shí)，接收到的線極化波功率最大。如圖2所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)接受喇叭口面軸線與發(fā)射喇叭口面軸線成一個(gè)夾角θ時(shí)，接收到的信號(hào)強(qiáng)度減小。隨著θ的增大，接受功率逐漸減??；當(dāng)θ=90°時(shí)，極化方向正交，接收信號(hào)功率為0。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以學(xué)生操作為主，教師指導(dǎo)為輔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)針對(duì)少數(shù)學(xué)生準(zhǔn)備不認(rèn)真而去復(fù)制別人實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)象[5]，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)巡視和詢問(wèn)實(shí)驗(yàn)原理等方式，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)場(chǎng)驗(yàn)收和進(jìn)行相關(guān)理論知識(shí)的提問(wèn)，以此作為評(píng)定學(xué)生實(shí)驗(yàn)平時(shí)成績(jī)的主要依據(jù)。這樣不僅可以掌握實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，而且有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和增強(qiáng)動(dòng)手能力和分析能力，深入對(duì)理論知識(shí)的理解程度。

圖2　收發(fā)喇叭天線的極化示意圖

2.4引入仿真軟件

Matlab軟件具有豐富的數(shù)值計(jì)算功能和科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化能力，并且將數(shù)據(jù)以多種圖形形式加以表現(xiàn)。因此將其引入教學(xué)中，可以將抽象的場(chǎng)可視化?？梢阅M電磁場(chǎng)的分布、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、電磁波的傳播特性等[6-8]，通過(guò)邏輯嚴(yán)密的理論設(shè)計(jì)和可視化的圖形界面相結(jié)合，學(xué)生比較容易接受，進(jìn)而激發(fā)其去主動(dòng)學(xué)習(xí)并鉆研它。

例如，利用Matlab 軟件完成繪制矩形區(qū)域上的空間點(diǎn)電荷電場(chǎng)矢量圖。在Matlab編程中，先用meshgrid函數(shù)創(chuàng)建網(wǎng)格矩陣，設(shè)置點(diǎn)電荷參數(shù)后，調(diào)用quiver函數(shù)即可繪制出空間電場(chǎng)的分布。如圖3所示。

圖3　空間點(diǎn)電荷電場(chǎng)矢量圖

3　結(jié)束語(yǔ)

在電磁場(chǎng)與電磁波課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)與實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)和仿真軟件相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了一系列的改革，并在課程中實(shí)施。經(jīng)過(guò)近幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生對(duì)“看不到、摸不著”的電磁波，通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)，加深了對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解，由畏難到產(chǎn)生興趣，積極性有了很大的提高。學(xué)生成績(jī)普遍提高。

[1] 羅霞，羅闊，陳潤(rùn)恩.基于“卓越計(jì)劃”工程訓(xùn)練中心建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(8):439-441.

[2] 高遠(yuǎn)，朱昌平.電磁場(chǎng)與波實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，25(6):595-597.

[3] 劉萬(wàn)強(qiáng)，孫賢明，王海華. 電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].大學(xué)物理，2012，31(12):27-29.

[4] 凌丹，王薔.電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(9):115-116.

[5] 代秋芳，王衛(wèi)星，劉洪山.“電磁場(chǎng)與電磁波”實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(2):94-96.

[6] 高遠(yuǎn).利用Matlab圖形技術(shù)實(shí)現(xiàn)電磁波的可視化[J].電腦學(xué)習(xí)，2004(1):24-26.

[7] 郭杰榮，蔡新華.基于Matlab的空間電磁分布可視化研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22(8):64-67.

[8] 劉亮元，賀達(dá)江.電磁場(chǎng)與電磁波仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(5):30-32.

Construction and Exploration of the Experimental Teaching on Electromagnetic Fields and Waves

Luo Xia1， Luo Kuo2， Li Zhen1， Liu Hongshan1， Dai Qiufang1
1.College of Electronic Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China
2. College of Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou， 510642， China

This study is conducted in the establishment and implement of experimental teaching aboutelectromagnetic fields and wave. This study reform the experimental teaching and carry it out in the course through a experimental teachingmanner

electromagnetic fields and waves； experimental teaching； reform； teaching effect

2014-11-26

羅霞，博士，實(shí)驗(yàn)師。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)2013年度教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目(編號(hào)：JG13103)。

which combinesmeasurement of experimental platform and simulation software. The teaching result indicates that the students have understood the relevant knowledge points and how well they have learned to appreciate it though the concrete experimental studies although the electromagnetic wave can not be seen or touched. Accordingly， the students' enthusiasm for study has been enhanced， and the results of experimental teaching has been improved.