趙文婧

(徐州工程學(xué)院 信電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221000)

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“電磁場與電磁波”教學(xué)方法研究與實踐

趙文婧

(徐州工程學(xué)院 信電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221000)

摘要：“電磁場與電磁波”是我校應(yīng)用型本科的一門基礎(chǔ)課。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動手能力和理論知識的工程應(yīng)用能力，本文針對該課程的特點、學(xué)生學(xué)習(xí)以及教師教學(xué)過程中存在的普遍問題，采用舉例法對理論課、實驗課、網(wǎng)絡(luò)以及實踐教學(xué)四個環(huán)節(jié)的教學(xué)方法進行了探討。實踐證明，這些方法取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電磁場與電磁波；學(xué)科基礎(chǔ)課；教學(xué)方法

0引言

“電磁場與電磁波”是我校電子信息、電氣與自動化類專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課，由于該課程理論性很強、概念較為抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁多復(fù)雜，歷來被公認為是一門難教、難學(xué)的課程[1-2]。

我校是一所應(yīng)用型本科院校，學(xué)生的入學(xué)水平參差不齊，一些基礎(chǔ)較差的學(xué)生對前修課程“高等數(shù)學(xué)”和“大學(xué)物理(電磁學(xué))”掌握情況本就不好，再加上與“電磁場與電磁波”同一學(xué)期開設(shè)的“通信原理”和“信號與系統(tǒng)”等類似難學(xué)的課程，使之產(chǎn)生畏難情緒，據(jù)統(tǒng)計，80%的學(xué)生對該課程有所畏懼。此外，該課程課時少，內(nèi)容多，如何在有限時間內(nèi)讓學(xué)生最大限度地掌握更多的知識也是一個亟待解決的難題。以上幾點給學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)都帶來了較大的壓力和難度。

筆者認為在教學(xué)過程中，應(yīng)當針對學(xué)生的實際情況和“電磁場與電磁波”課程的特點因材施教。對于應(yīng)用型本科院校的學(xué)生，重點應(yīng)培養(yǎng)其動手能力和工程應(yīng)用能力。因此，教師不需要花費大量課時過多地對定理和繁瑣的數(shù)學(xué)公式進行推導(dǎo)證明，只需直接給出結(jié)論，并盡量與實際相結(jié)合，使抽象的概念形象化、通俗化，引導(dǎo)學(xué)生會用結(jié)論去分析和解決問題就可以了，這樣能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，消除其畏懼心理。

1理論課教學(xué)方法

1.1選擇合適的教材

想要上好一門課程，教材的選擇是非常重要的，作為教師，應(yīng)當根據(jù)教學(xué)大綱、課程的性質(zhì)和學(xué)生的實際情況選擇適合學(xué)生使用的教材。該課程教材的種類非常多，選擇空間頗大。絕大多數(shù)的教材都是先介紹基礎(chǔ)知識，然后按照靜電場、恒定電場、恒定磁場、時變電磁場、平面波以及電磁輻射等內(nèi)容來分章編寫的，這種安排，對我校學(xué)生的學(xué)習(xí)可能會帶來一定問題。

例如：在學(xué)習(xí)靜態(tài)場部分時，先涉及的內(nèi)容是靜電場，而當講到恒定磁場時，由于每一章節(jié)的內(nèi)容都非常多，章節(jié)之間的間隔時間長，學(xué)生很容易遺忘前面學(xué)過的知識，兩部分知識很難對比記憶，存在一定的脫節(jié)。

筆者仔細研究了該課程的主要內(nèi)容，并結(jié)合上述問題選擇了文獻[3]作為教材。該教材把靜態(tài)場中的靜電場、恒定電場、恒定磁場三部分內(nèi)容中的基本規(guī)律和定律先抽出來單獨辟為一章，給學(xué)生以基本的印象，而接下來的章節(jié)是對這三種靜態(tài)場的具體分析，這樣安排可以在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中起到較好的對比記憶作用，加強學(xué)生對靜態(tài)場整體認知的連貫性。

當然在備課的過程中不能完全拘泥于該教材，要參考大量的資料并且吸取其他教材[4,5]的優(yōu)點，這樣在上課時才能有的放矢。

1.2制作生動活潑的多媒體課件

多媒體課件是目前能夠有效地輔助傳統(tǒng)板書的一種教學(xué)手段。但在實際的教學(xué)過程中，一些教師僅僅是把書本上的文字、公式推導(dǎo)和圖片等死板的內(nèi)容搬到課件中，并沒完全發(fā)揮其作用。筆者認為，對于“電磁場與電磁波”這種概念抽象、看不見摸不著的課程而言，在制作多媒體課件時應(yīng)當盡量增加一些動畫的形式，使得內(nèi)容生動活潑，能夠加深學(xué)生的理解，由抽象的認識上升到感性的認識。

例如：在講解電磁波的極化時，書上僅僅是靜態(tài)圖，學(xué)生往往難以理解、不易想象，而筆者制作的多媒體課件中同時含有靜態(tài)圖、二維和三維的動態(tài)畫面，如圖1所示。這些畫面除了能夠讓學(xué)生看到在電磁波傳播空間給定點處，電場強度矢量的端點隨時間變化的軌跡(二維動畫)，還能夠清晰地看到電磁波在三維空間中傳播的方向以及電場強度矢量的端點隨時間變化的軌跡(三維動畫)。這使得學(xué)生能夠?qū)⒊橄蟮母拍钚蜗蠡?，更容易理解和接受?/p>

圖1　右旋圓極化波的動畫演示截圖

1.3將理論與實際應(yīng)用相結(jié)合

筆者發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生認為課程內(nèi)容枯燥、不感興趣的原因之一在于教材中一般不會列舉與日常生活中實際應(yīng)用結(jié)合的例子，但恰恰只有用鮮活的實例才能讓學(xué)生加深對理論知識的理解。事實上，日常生活中許多的現(xiàn)象都可以用電磁場與電磁波的理論來解釋，這就要求教師在備課時要多搜集一些日常生活中的實例，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識來解釋這些現(xiàn)象，一旦學(xué)生覺得有趣，學(xué)習(xí)積極性自然也會提高。

例如：在講解電磁波在良導(dǎo)體中傳播時會產(chǎn)生“趨膚效應(yīng)”(即高頻電磁波只能存在于良導(dǎo)體的表面層內(nèi))這個問題時，如果僅僅是把概念介紹給學(xué)生，那么學(xué)生很快就會遺忘，教師可以在這個概念的基礎(chǔ)上，提一個問題“為什么不能用金屬器皿在微波爐里加熱食物呢？”，以此引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合“趨膚效應(yīng)”來解釋這個問題：因為金屬器皿是良導(dǎo)體，電磁波進入不到良導(dǎo)體內(nèi)部，自然也就無法加熱食物。此外，電磁波遇到良導(dǎo)體還要產(chǎn)生全反射，這也是不能在微波爐中使用金屬器皿的原因之一，這個問題可以在后續(xù)章節(jié)講到電磁波的入射與反射時再次回顧，以加深印象。

1.4采用形象類比的教學(xué)法

并不是所有的概念都可以與實際應(yīng)用相結(jié)合，比如一些定理、定律，很多學(xué)生都只是死記硬背，為了便于學(xué)生理解和記憶，筆者采用了類比的教學(xué)方法，用簡單的容易理解的例子來形象地類比枯燥的定理。

例如：在講解“亥姆霍茲定理——在有限區(qū)域V內(nèi)，任一矢量場由它的散度、旋度和邊界條件(即限定區(qū)域V的閉合面S上的矢量場的分布)唯一確定”時，我們可以用房間類比有限區(qū)域V，用房間內(nèi)音響設(shè)備類比散度和旋度(因為散度和旋度是產(chǎn)生矢量場的源)，用音響效果類比矢量場，用房間內(nèi)的環(huán)境類比邊界條件。將相同的音響設(shè)備放在兩間相同大小的房間內(nèi)，一間是沒有裝修的普通房間，另一間是裝修過的音響視聽室(隔音效果很好，地面鋪了厚厚的地毯，墻和天花板用吸音材料處理過)，顯然，在這兩種房間內(nèi)收聽到的音響效果是截然不同的。房間的大小相同說明討論的區(qū)域V相同，相同的音響設(shè)備說明產(chǎn)生矢量場的源是相同的，但房間內(nèi)的環(huán)境不同即邊界條件不同，那么音響效果必定不同即矢量場的分布不同。簡單來說：在相同大小的房間內(nèi)，收聽到的音響效果由音響設(shè)備和房間內(nèi)的環(huán)境唯一確定。因此說明，一個矢量場應(yīng)該是由產(chǎn)生它的源和邊界條件唯一確定的。

2實驗課教學(xué)方法

實踐是檢驗真理的唯一標準，筆者認為該課程不能僅僅局限于理論知識的講解，還要用實驗來驗證理論的正確性，并培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。此外，由于電磁場和電磁波現(xiàn)象都具有復(fù)雜的空間分布，而且都具有不可視見的特性，一般只能進行抽象的想象，雖然筆者制作了一些三維動畫輔助教學(xué)，但通過學(xué)生自己動手實驗才能獲得更好的效果。因此，筆者安排了硬件操作與軟件仿真相結(jié)合的多個實驗任務(wù)。

2.1基于硬件操作的實驗

近年來，學(xué)院加強了“電磁場與電磁波”實驗課程的建設(shè)，引入了“電磁波教學(xué)綜合實驗儀”。該儀器通過磁電轉(zhuǎn)換形成可見光能量，通過觀察光的亮度變化，巧妙地將復(fù)雜難教難學(xué)的電磁學(xué)理論，演變成對電磁波傳播過程可視化研究性學(xué)習(xí)。

例如：使用該儀器可以開展“電磁波傳播特性研究”實驗，如圖2所示，其中半波接收天線中間的饋電部分安裝了一個無源小功率白熾燈泡，當發(fā)射天線發(fā)射電磁波時，接收天線上能夠感生高頻電流，能量足夠時可使白熾燈發(fā)光。由發(fā)射天線發(fā)射出的電磁波，在空間傳播過程中可以近似看成均勻平面波。此平面波垂直入射到金屬板，被金屬板反射回來，到達半波接收天線；直射波也可直接到達半波接收天線，這兩列波接收到疊加將形成駐波，兩列電磁波的波程差滿足一定關(guān)系時，在接收天線處可以產(chǎn)生波腹或波節(jié)。固定接收天線的位置，從遠而近移動反射板，使燈泡明暗變化，以燈泡明暗度判斷波節(jié)(波腹)的出現(xiàn)。當測到燈泡兩個相鄰最亮?xí)r，表明反射板位置的坐標間(波腹點到波腹點)的距離即為λ/2，或燈泡兩個相鄰最亮到最暗時，反射板位置的坐標間(波腹點到波節(jié)點)的距離即為λ/4，由此可得到電磁波的波長和頻率。

圖2　電磁波教學(xué)綜合實驗儀

2.2基于軟件仿真的實驗

除了硬件操作的實驗外，還可采用軟件進行仿真，用虛擬實驗演示硬件儀器無法做到的部分實驗。

仿真實驗采用Ansoft 軟件，主要包括maxwell 2D和HFSS 等子軟件，是較為成熟的商業(yè)有限元仿真軟件，在電磁領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。大量實驗測量證明，它的計算結(jié)果十分可靠，而且具有強大的前處理和后處理功能[6]。

在講解靜態(tài)場部分時，讓學(xué)生使用Ansoft Maxwell 二維仿真軟件進行靜電場和恒定磁場問題的仿真，通過建模和相關(guān)參數(shù)的仿真測量，加深對靜態(tài)場基本原理的認識，掌握仿真方法與步驟。

例如：利用Ansoft Maxwell 對平行板電容器的電場、電位、電容值和極板所受到的力等進行仿真，圖3給出了學(xué)生實驗的仿真結(jié)果(電位分布圖)。

圖3　靜態(tài)場平行板電容器仿真結(jié)果

在講解電磁輻射時，借助功能強大的Ansoft HFSS三維高頻電磁仿真軟件進行天線的仿真設(shè)計，讓學(xué)生清楚看到其三維方向圖、矢量圖、動畫以及天線的一些重要性能參數(shù)，化抽象為具象。再如：利用Ansoft HFSS對半波對稱振子天線進行仿真設(shè)計，圖4給出了學(xué)生實驗的建模和仿真結(jié)果(天線的三維方向圖)，能夠看出這比二維仿真更加立體、形象。

(a) 天線模型

(b) 三維方向圖圖4　半波對稱振子天線仿真結(jié)果

3網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法

筆者在授課之余，除了定期進行課后答疑，還充分利用學(xué)校提供的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，建立了“電磁場與電磁波”課程網(wǎng)站，學(xué)生可以在課余時間利用網(wǎng)絡(luò)資源自主學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)資源中除了包含常規(guī)的大綱、PPT、試題庫和留言板等內(nèi)容外，筆者還添加了相關(guān)知識點的微課視頻，獲得了學(xué)生的認可[7]。

例如：筆者就“電磁波的極化”這一知識點制作的微課視頻，參加了學(xué)校首屆微課比賽，獲得了三等獎，師生們反響很好，并且筆者發(fā)現(xiàn)通過微課的學(xué)習(xí)，該學(xué)期的學(xué)生對這一知識點的掌握情況比往屆學(xué)生要好，說明微課起到了良好的效果。

當然，除了可以將理論課中的重點、難點制作成微課外，還可以考慮制作與實驗相關(guān)的微課，將一系列微課視頻呈現(xiàn)在網(wǎng)站上，方便學(xué)生課余時間復(fù)習(xí)

回顧。

4其它實踐教學(xué)方法

筆者在授課之余還向?qū)W生介紹與該課程相關(guān)的前沿技術(shù)領(lǐng)域的研究新進展，例如：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要包括射頻識別技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其基礎(chǔ)之一為無線通信技術(shù)，而天線是其中的重要組成部分，為此組織學(xué)生針對不同的應(yīng)用需求進行相應(yīng)的天線設(shè)計。還引導(dǎo)學(xué)生參與大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目、學(xué)科競賽以及參與教師科研。此外，畢業(yè)設(shè)計也是學(xué)生必須要參加的重要的實踐環(huán)節(jié)之一，筆者引導(dǎo)學(xué)生選擇以物聯(lián)網(wǎng)為背景的與天線設(shè)計相關(guān)的題目進行畢業(yè)設(shè)計，為學(xué)生今后從事相關(guān)科研打下良好的基礎(chǔ)。

5結(jié)語

本文根據(jù)我校應(yīng)用型本科專業(yè)學(xué)生的實際情況和“電磁場與電磁波”課程的特點，采用舉例法對理論課、實驗課、網(wǎng)絡(luò)以及其它實踐教學(xué)四個環(huán)節(jié)的教學(xué)方法進行了探討。實踐表明，這些方法切實做到了將枯燥抽象的理論形象化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強化了學(xué)生的工程應(yīng)用能力，取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻:

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[2]李朋偉, 張文棟, 張雪英, 史建芳, 桑勝波.“電磁場與電磁波”課程教改與實踐[J]. 南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2014, 36(4): 43-44.

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Research and Practice of Teaching Method for Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave

ZHAO Wen-jing

(DepartmentofInformationandElectricalEngineering,XuzhouInstituteofTechnology,Xuzhou221000,China)

Abstract:Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave is a discipline basic course in our application-oriented universities, In order to improve the students' interest in learning, practice ability and engineering application of theoretical knowledge ability, aiming at the characteristics of the course, the common problems existing in students' learning and teaching process, the teaching methods of four teaching steps includes theory, experiment, network and practice by example are discussed in this paper. Practice proves that these methods have achieved good teaching effect.

Keywords:electromagnetic field and electromagnetic wave; discipline basic course; teaching method

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0686(2016)01-0105-04

中圖分類號：G642

作者簡介：趙文婧(1984-)，女，碩士，講師，主要從事電磁場與電磁波理論教學(xué)，射頻識別、微波天線的科研工作，E-mail：157547532@qq.com

收稿日期:2015-04-09;修回日期:2015-09- 18基金項目：徐州工程學(xué)院高等教育教學(xué)研究課題(YGJ1533)