金 桂　王煥友　黃健全湘南學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院　湖南郴州　423000

工程電磁場(chǎng)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

金 桂王煥友黃健全
湘南學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院湖南郴州423000

工程電磁場(chǎng)課程是電氣信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)改革主要是著手于提高學(xué)生的科研意識(shí)、實(shí)踐意識(shí)和科學(xué)分析能力。教學(xué)手段采用現(xiàn)代教育技術(shù)與傳統(tǒng)的板書(shū)相結(jié)合，概念表述采用商業(yè)軟件和多媒體課件相結(jié)合，實(shí)踐教學(xué)采用分組實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真軟件輔助教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。

工程電磁場(chǎng)；數(shù)值軟件；仿真軟件

工程電磁場(chǎng)課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，在電氣控制、通信、遙感雷達(dá)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，也是一些交叉學(xué)科和前沿科學(xué)的孕育點(diǎn)。[1]從課程內(nèi)容來(lái)講，課程理論性強(qiáng)，對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)應(yīng)用能力要求高，且存在基本理論與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系較遠(yuǎn)的問(wèn)題；從教學(xué)形式來(lái)講，我們往往過(guò)于重視基本理論知識(shí)的推導(dǎo)，對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的提高有待加強(qiáng)；實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)過(guò)于單一，實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)電磁波方面的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，電磁場(chǎng)方面的實(shí)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)缺乏。[2]

1　教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

1.1夯實(shí)理論教學(xué)

工程電磁場(chǎng)課程的教學(xué)首先應(yīng)掌握基本的矢量分析，標(biāo)量場(chǎng)與矢量場(chǎng)的概念，散度、旋度、梯度的計(jì)算及運(yùn)用，熟練掌握和應(yīng)用散度定理和旋度定理，理解亥姆霍茲定理以及兩個(gè)零恒等式。抓住麥克斯韋方程組這條主線，分析電荷、電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)以及電磁場(chǎng)量之間的相互關(guān)系；在麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上討論時(shí)變電磁場(chǎng)和平面電磁波的傳播特性，掌握平面電磁波在媒質(zhì)分界面的反射和折射、在無(wú)界空間和有界空間中的傳播以及電磁波的輻射。在教學(xué)過(guò)程中，實(shí)時(shí)穿插進(jìn)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及發(fā)展概況可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生鉆研相對(duì)乏味的理論基礎(chǔ)知識(shí)。如對(duì)電磁輻射相關(guān)的內(nèi)容，可以加強(qiáng)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)(GPS)、移動(dòng)通信地面基站、同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)和射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的介紹；電磁干擾、電磁兼容等領(lǐng)域中的最新進(jìn)展，需要我們掌握天線對(duì)天線耦合、場(chǎng)對(duì)線的耦合、線對(duì)線的感應(yīng)耦合等基本內(nèi)容；心臟電流偶極子、視網(wǎng)膜顯示器、生物電磁場(chǎng)(腦磁圖對(duì)癲癇病灶的準(zhǔn)確定位)等。[3]在平面電磁波內(nèi)容中，介紹光的超慢傳輸和超光速；在導(dǎo)行電磁波內(nèi)容中，介紹極化面旋轉(zhuǎn)效應(yīng)在微波器件中的應(yīng)用；借助Matlab軟件或者HFSS軟件介紹光纖和光通信，加深學(xué)生對(duì)電磁波傳輸?shù)母行哉J(rèn)識(shí)。所有這些拓展都需要教師在日常的教學(xué)中拓展自己的知識(shí)面、探索基礎(chǔ)理論教學(xué)與行業(yè)進(jìn)展之間的聯(lián)系。

1.2教學(xué)方法與教學(xué)手段的改進(jìn)

1.2.1以科研項(xiàng)目的形式培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

按照教育部高等院校轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要，我們與高科技企業(yè)建設(shè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，組織教師和學(xué)生參與企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)或者承擔(dān)企業(yè)的橫向課題，合作實(shí)施了多項(xiàng)科研項(xiàng)目，許多教師和學(xué)生都在這些項(xiàng)目中受益。通過(guò)科研項(xiàng)目的形式不但可以促使學(xué)生鉆研教科書(shū)上的相關(guān)內(nèi)容，而且可以激勵(lì)學(xué)生查閱相關(guān)的參考資料，更好地理解書(shū)本內(nèi)容。在工程電磁場(chǎng)的教學(xué)中，除了敦促學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成相關(guān)的分組實(shí)驗(yàn)之外，還應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)域有限差分法(FDTD)和有限元法(FEM)等電磁仿真軟件的使用。[4]我們將科研項(xiàng)目中的部分問(wèn)題以小課題的形式或者研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目的形式分解出來(lái)，并把這些設(shè)計(jì)的課題作為課外作業(yè)讓學(xué)生在課余時(shí)間完成。這種方式擺脫了我們傳統(tǒng)的灌輸式教育的束縛，在本科教育階段適當(dāng)?shù)丶{入部分研究生教育模式，改變了我們學(xué)生習(xí)慣于作為“考試機(jī)器”的慣性。

例如，在靜電場(chǎng)的教學(xué)中，我們首先對(duì)靜電場(chǎng)的基本知識(shí)進(jìn)行講解，著重厘清這一章節(jié)中的基本概念如靜電場(chǎng)中的高斯定理、電場(chǎng)線、電位、靜電感應(yīng)和電容等；在教學(xué)過(guò)程中，借助仿真軟件的圖形處理能力，動(dòng)態(tài)地演示電場(chǎng)線、等勢(shì)線、電位移矢量等概念，在此過(guò)程中向?qū)W生介紹有限元法計(jì)算軟件(HFSS)的使用，詳細(xì)介紹每一個(gè)設(shè)定步驟的物理意義。在概念的講解上著重解釋電位以及電位零點(diǎn)的選擇、靜電場(chǎng)能量的計(jì)算，通過(guò)數(shù)學(xué)的推導(dǎo)掌握靜電能量的物理本質(zhì)，幫助學(xué)生理解場(chǎng)的物質(zhì)本源。在此節(jié)的內(nèi)容中，我們引入500 KV輸電線周圍工頻電位和電場(chǎng)分布的數(shù)值仿真，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行初步的科研分析訓(xùn)練。

1.2.2板書(shū)與多媒體課件相結(jié)合的課堂教學(xué)模式

眾所周知，本課程的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程繁多，邏輯性很強(qiáng)。如果完全使用多媒體課件，則因?yàn)樾畔⒘窟^(guò)于豐富，不能完全掌握其邏輯思維過(guò)程。由于學(xué)生在一定的時(shí)間內(nèi)能接受的信息量是有限的，必須要將關(guān)鍵的過(guò)程詳細(xì)地展示給學(xué)生，為了給學(xué)生留下深刻的印象，在教學(xué)中我們一直采用板書(shū)的傳統(tǒng)教學(xué)方式，促進(jìn)學(xué)生掌握關(guān)鍵推導(dǎo)過(guò)程的來(lái)龍去脈，雖然速度較慢，但是效果良好，所謂磨刀不誤砍柴工。教學(xué)內(nèi)容中有很多抽象的概念如TE波、TM波的電矢量和磁矢量，矩形波導(dǎo)或者諧振腔中場(chǎng)分布及表面電流分布等很難用語(yǔ)言描述，對(duì)這些概念的描述我們制作了多媒體課件動(dòng)態(tài)演示，加深學(xué)生對(duì)這些概念的感性印象。

1.2.3理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合

(1)開(kāi)展計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)和商業(yè)軟件的發(fā)展極大地豐富了實(shí)踐教學(xué)手段，在工程電磁場(chǎng)課程教學(xué)可以使用的計(jì)算軟件主要有Ansoft HFSS，Ansoft Ensemble。模擬和實(shí)驗(yàn)操作相互配合提高了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的效率和教學(xué)效果，為發(fā)展學(xué)生的科學(xué)想象力和創(chuàng)造力提供了更為廣闊的空間。在直線電機(jī)電磁場(chǎng)和電磁推力的研究中，要求學(xué)生使用計(jì)算機(jī)軟件ANSOFT對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，模擬直線電機(jī)在通入電流后的運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)仿真研究，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到仿真研究是一個(gè)十分有效的研究方法之一。雖然學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面投入了大量的資金購(gòu)買設(shè)備，但是還是無(wú)法完整開(kāi)設(shè)出本課程的實(shí)踐課，因此我們購(gòu)買了電磁計(jì)算的商業(yè)軟件進(jìn)行補(bǔ)充，主要的軟件有Ansoft HFSS和Ansoft Ensemble。一方面幫助學(xué)生掌握基本概念；另一方面也與后續(xù)課程進(jìn)行良好的銜接?？梢蚤_(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很多，如各種靜電荷的電場(chǎng)分布，平面電磁波在不同介質(zhì)分界面處的反射、折射，導(dǎo)行電磁波中關(guān)于矩形、圓形波導(dǎo)中電磁場(chǎng)的分布，諧振腔中場(chǎng)分布及表面電流的分布特點(diǎn)，電磁輻射總天線方向圖和阻抗分析等。

(2)Matlab數(shù)值軟件輔助教學(xué)

電磁場(chǎng)是一種客觀存在但是卻看不見(jiàn)摸不著的物質(zhì)。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和分析能力，在教學(xué)中引入常用的數(shù)值軟件仿真顯得尤為必要。在導(dǎo)行電磁波這一章節(jié)的內(nèi)容中，對(duì)傳輸模式、傳播常數(shù)、截止頻率以及電磁場(chǎng)可以用Matlab 數(shù)值軟件進(jìn)行分析，獲得可視化的場(chǎng)分布圖，培養(yǎng)學(xué)生的分析解決問(wèn)題的能力，有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的方法解決問(wèn)題。

圖1　單模光纖的一維電場(chǎng)分布

圖2　單模光纖的二維電場(chǎng)分布

圖3　單模光纖的三維電場(chǎng)分布

對(duì)單模光纖而言，傳輸模式的電場(chǎng)主要束縛于芯層，但在界面處電場(chǎng)呈指數(shù)衰減。從圖1就可以很好地看出來(lái)，二維和三維圖則更直觀地顯示出場(chǎng)的分布。通過(guò)改變方程的參數(shù)我們也可以獲得多模傳輸?shù)哪?chǎng)分布圖以及傳播常數(shù)超越方程的求解，我們將這個(gè)作為作業(yè)留給學(xué)生完成。教學(xué)表明，學(xué)生建模與仿真非常感興趣，部分同學(xué)通過(guò)自己修改程序完成了作業(yè)。

2　結(jié)束語(yǔ)

本課程的教學(xué)改革主要是著手于提高學(xué)生的科研意識(shí)，實(shí)踐意識(shí)和科學(xué)分析能力。在教學(xué)手段上，采用現(xiàn)代教育技術(shù)與傳統(tǒng)的板書(shū)相結(jié)合；在概念表述上采用商業(yè)軟件和多媒體課件相結(jié)合；在實(shí)踐教學(xué)上，采用分組實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真軟件輔助教學(xué)，使學(xué)生更有效地掌握電磁場(chǎng)與電磁波課程的基本概念、基本規(guī)律及應(yīng)用方面的基本知識(shí)和技能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

[1] 楊儒貴.電磁場(chǎng)與電磁波[M].北京:高等教育出版社，2007.

[2] 吳明贊.工程電磁場(chǎng)課程的專題研究型教學(xué)模式[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，6(33):8-12.

[3] 靳宏，莫岳平.工程電磁場(chǎng)課程的研究性教學(xué)探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，3(33):97-99.

[4] 方進(jìn).建設(shè)有特色的工程電磁場(chǎng)教學(xué)體系，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，1(34):42-45.

The Teaching Reform and Practice in the Course of Engineering Electromagnetic Field

Jin Gui， Wang Huanyou， Huang Jianquan
School of Electronic Information and Electrical Engineering， Binzhou， 423000， China

The course of engineering electromagnetic field is an important technique course for electrical engineeringmajor.modern education technology and blackboard writing were applied as the teachingmethod， commercial software and numerical software were applied in concept presentation， group experiment and simulation software in experiment course， all of them returned with a good result.

engineering electromagnetic field； numerical software； simulation software

2014-11-28

金桂，在讀博士研究生，講師。

湘南學(xué)院2014年度校級(jí)課程改革研究項(xiàng)目“基于工程觀的電類專業(yè)《電磁場(chǎng)與電磁波》課程教學(xué)改革研究”；湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下理工科學(xué)生創(chuàng)造性思維培育的研究與實(shí)踐”（編號(hào)：XJK012CGD023）；湖南省普通高校教學(xué)改革課題資助項(xiàng)目（編號(hào)2014-495， 2014-496）。