邵初寅 范瑜

【摘要】隨著高等教育改革的深入，需要全面提升教師的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育能力。根據(jù)“電磁場與電磁波”課程的教學(xué)特點，可以在課堂引入大量的應(yīng)用背景和工程實例，既提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，同時又拓展了學(xué)生認識問題分析問題的能力，提升教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)校的轉(zhuǎn)型和培養(yǎng)應(yīng)用型人才服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】 教學(xué)研究 電磁場與電磁波 應(yīng)用型高校

在十二屆全國人大四次會議的記者會上，教育部部長袁貴仁在圍繞“教育改革和發(fā)展”的談話中指出，中國高等教育供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的主要矛盾是培養(yǎng)理論性、學(xué)術(shù)性人才的學(xué)校多，而培養(yǎng)技術(shù)、技能型人才的學(xué)校少。他在提出的高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的六件事中明確提到了提升教師創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)能力。從工科“電磁場與電磁波”課程的特點看，由于其數(shù)學(xué)要求高、理論性強，一直是一門公認的難教難學(xué)難考的課程?？紤]到該課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課有著很強的應(yīng)用背景，有著充足及廣泛的素材和實例，引入教學(xué)的可行性極強，從而能為培養(yǎng)高素質(zhì)和高質(zhì)量的應(yīng)用型人才搭建一個可靠的平臺。目前各高校對該課程的教學(xué)改革進行得如火如荼，包括教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、考試方式等方面，但無論什么辦法，核心的一點就是如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。筆者認為最重要的是通過認識和專業(yè)課的聯(lián)系及廣泛的工程和實際應(yīng)用例子，使學(xué)生真正體會該課程的重要性而自覺投入到學(xué)習(xí)中。此課程改革也和中國高等教育和本校的轉(zhuǎn)型完全一致。要把各種應(yīng)用例子充實到“電磁場與電磁波”教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，不斷地強化學(xué)生對此的認識。本文就這一思路和實施重點加以闡述。

一、緒論的精心準備

每門課的第一堂課尤為重要，學(xué)生聽課的效率很高。十分有必要精心準備好補充的緒論部分，把本課程的地位作用、特點、應(yīng)用等加以講述。要根據(jù)不同專業(yè)預(yù)先了解已上了那些課程，后續(xù)有那些專業(yè)課，有針對性地設(shè)計例子來體現(xiàn)本課程的作用和地位。如從日常生活中的遙控器到微波爐，從實驗中的示波器到電子顯微鏡，從工程中的發(fā)電機到磁懸浮，從醫(yī)學(xué)上的X透射到核磁共振，從通訊領(lǐng)域的手機、局域網(wǎng)到導(dǎo)航系統(tǒng)，從軍事上的雷達到隱身飛機等等[1]。這些例子無不都深刻地反映了電磁場和電磁波在不同領(lǐng)域極其廣泛的應(yīng)用，從而來吸引學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣和積極性，起到一個良好的開端作用。

二、課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的深度融入

課堂教學(xué)是最核心的環(huán)節(jié)，除了要使學(xué)生掌握“電磁場與電磁波”基本概念和基礎(chǔ)知識外，更重要的就要在整個授課過程中貫穿各種應(yīng)用實例，真正讓學(xué)生認識到學(xué)習(xí)本課程的廣泛的應(yīng)用價值。以前可能是學(xué)時有限，一般最多是緒論或每一章提到一些具體應(yīng)用，這遠遠不夠。要在合適的章節(jié)甚至具體特點和性質(zhì)上都要引入合適的應(yīng)用實例，從而真正達到我們提倡的創(chuàng)新教學(xué)目的。

2.1靜態(tài)場

在講靜電場時，可舉靜電放電、靜電感應(yīng)、靜電屏蔽、靜電力的應(yīng)用等等。如帶電體為球形時表面均勻帶電，但如在尖銳處就會有大量電荷積累而形成很強的電場，像高壓線附近形成的電暈就是一種放電現(xiàn)象。當(dāng)平板電容器的極板面積和間距一定時，改變其間的填充介質(zhì)，電容量即發(fā)生變化，這就形成所謂的電容式傳感器。靜電屏蔽是封閉的導(dǎo)體腔可以阻斷外界靜電場的影響，例如高電壓實驗室及微波暗室通常應(yīng)具備接地良好的金屬網(wǎng)狀屏蔽墻，以阻斷內(nèi)外靜電場的相互影響。像某些電路板及敏感電子器件應(yīng)放入導(dǎo)電袋中。其實對時變電磁場也可起到同樣的作用。再如講到電容器時，可舉每人用的手機的電容式觸摸屏，它原理上通過與工作面形成的耦合電容來吸走一點交流電來定位坐標等。

恒定磁場的應(yīng)用非常普遍，如發(fā)電機、電動機、電磁鐵、示波器、磁屏蔽技術(shù)、電子顯微鏡、回旋加速器、磁懸浮技術(shù)等等。在講到用基本理論求解螺旋管的磁場時，其產(chǎn)生的均勻磁場就可用于質(zhì)譜儀、磁控管、回旋加速器、顯像管及控制電子束的掃描等。類似電場，當(dāng)線圈的匝數(shù)和尺寸不變時，變更線圈中的填充物可改變線圈的電感，就是電感傳感器的基本原理。磁懸浮技術(shù)是利用磁場力抵消重力的影響從而使物體懸浮。如采用德國技術(shù)在我國上海浦東長度為30公里，時速達430km/h的磁懸浮列車。首條國產(chǎn)磁懸浮明年上半年將在長沙投入運營。

在講到基本方法疊加原理和鏡像法時，就可舉雷云靜電場對地面的影響及輸電線路周圍的工頻磁場分布計算[2]。這都是很好的鏡像法并具體利用疊加原理計算的例子，從而來引起學(xué)生的注意對上述兩方法的認識和理解。對于不能用解析解處理的復(fù)雜問題，就可介紹利用類似MATLAB計算語言來進行計算和處理[3]。

對于求解靜電場和靜磁場都滿足的拉普拉斯方程時，除認識能處理電（磁）場的計算外，由于其它領(lǐng)域也有一樣的方程形式，也可適用于恒定流場、恒定溫度場。比如說水電比擬就是在同樣邊界條件下，可利用兩者的相似性先做出其中一個參量測定推出另一個參量的具體數(shù)據(jù)。實際應(yīng)用中由于測量電位較方便且精確，就可以通過此方法來計算出流場的速度分布。這在某些湖泊（如杭州西湖）的環(huán)境治理研究中有具體例子說明[4]。

2.2時變場

時變場中首先學(xué)的就是電磁感應(yīng)定律，它的應(yīng)用極其廣泛。如當(dāng)一根導(dǎo)電棒在磁場中旋轉(zhuǎn)切割磁場線時，導(dǎo)電棒的兩端之間產(chǎn)生電動勢，就是單極直流發(fā)電機的工作原理。反之就構(gòu)成單極馬達。家用的電度表、電磁灶也都以此為原理。還可以根據(jù)導(dǎo)體中感應(yīng)產(chǎn)生的渦流變化來檢測導(dǎo)體中存在的缺陷等。

電磁波的傳播例子不勝枚舉，從收音機到有線電視、從雷達到微波通訊、從有線電視到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、從無線局域網(wǎng)到藍牙技術(shù)，無不利用電磁波作為載體。在講理想介質(zhì)中傳播的電磁波時，認識到電磁波的頻率相同時，在介質(zhì)中的波長比真空中的要短，這種現(xiàn)象稱為縮波效應(yīng)。利用此效應(yīng)在制造微帶電路和微帶天線中起到關(guān)鍵的作用，尺寸小、重量輕對于航天及軍用設(shè)備尤為重要。當(dāng)電磁波在有耗介質(zhì)中傳播時，電磁能量將會損失。這種吸波效應(yīng)現(xiàn)象就可以利用制造吸波材料用于隱形飛機或隱形軍艦等。測量天線的微波暗室也采用吸波材料制成墻壁、頂面和地面，以消除電磁波的反射[1]。

電磁波的傳播特性中的極化規(guī)律在工程實際應(yīng)用中也得處處考慮，圓極化波雷達也稱為全天候雷達，在穿過雨區(qū)時不會受到強烈吸收，飛機與地面的通信往往需要采用圓極化天線。極化匹配對于無線通信鏈路是達到最佳狀態(tài)的一個指標。光波是一種電磁波，雖然光波的極化方向隨機，采用一些方法可以獲得極化特性即偏振特性，如目前流行的3D電影就是利用偏振光產(chǎn)生的效果。

電磁波的另一個重要量是頻率，不同頻率的電磁波傳輸過程中有其自身的特點，所以我們知道有很多中傳輸?shù)姆绞胶头椒?。有雙導(dǎo)線、同軸線、微帶、金屬波導(dǎo)和光纖等，可以根據(jù)和介質(zhì)的相互作用及輻射等特點來認識和理解各自的性質(zhì)和作用。

講到電磁波的輻射，就可從天線引入。從常見的金屬拉桿天線、收音機的磁棒天線到日常離不開的基站天線、電視塔天線等等來體現(xiàn)。盡可能避免煩瑣的理論推導(dǎo)，主要通過基本的結(jié)論來分析輻射和那些參量相關(guān)，并舉例說明。如拉桿天線、收音機螺旋管天線接收時的方向性問題；太陽在清晨特別呈現(xiàn)鮮紅色而天空又為什么是蔚藍色的。隨著現(xiàn)代高速電路技術(shù)飛速發(fā)展，電路設(shè)計中遇到的高頻問題越來越多，帶來研究電磁輻射的電磁兼容與電磁干擾等諸多問題[5][6]。

三、研究性學(xué)習(xí)的小論文

課堂上教學(xué)的時間畢竟有限，實施自主和研究性學(xué)習(xí)是大家普遍公認的好方法?！半姶艌雠c電磁波”在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使得可選的課題面廣量大，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的普及也使實施具備良好的可操作性，學(xué)生可根據(jù)各自的興趣來選擇課題內(nèi)容。

當(dāng)然有取得良好的效果，關(guān)鍵是要組織實施好。重點抓好以下幾個步驟：如研究性學(xué)習(xí)的初步介紹、研究課題的選擇、課題研究和撰寫和評價。畢竟學(xué)生對研究性學(xué)習(xí)的方法和手段并不很熟悉，所以需要花點時間進行引導(dǎo)?？删帉憣W(xué)習(xí)手冊放至課程的教學(xué)網(wǎng)站。特別可重點推薦一些信息資源，如生活中的電磁理論，磁化水、微波加熱、條形碼技術(shù)、雷電、電磁波公害等；軍事領(lǐng)域方面的雷達、隱身技術(shù)、激光武器等；高新技術(shù)方面的液晶技術(shù)、光纖通訊、納米材料等。當(dāng)然要使此環(huán)節(jié)起到良好的效果，必須給學(xué)生一定的壓力，一是在課程的總分中占部分比例，二是要安排時間隨機抽取部分學(xué)生進行交流，大家進行一起交流學(xué)習(xí)，并通過老師的點評讓學(xué)生認識到還有那些地方存在缺陷和不足，起到舉一反三的作用。

四、實用應(yīng)用軟件的體現(xiàn)

適合研究“電磁場與電磁波”的應(yīng)用軟件有不少，根據(jù)實際情況本課程中重點突出MATLAB語言和HFSS仿真軟件[3][7][8]，穿插在適當(dāng)?shù)恼n程教學(xué)中。MATLAB是學(xué)生開設(shè)的課程，而且在“電磁場與電磁波”中有廣泛的應(yīng)用。無論是從靜態(tài)場到時變場，從平面波的傳播到波導(dǎo)中的電磁場分布，從電磁波的反射折射到電流元的輻射規(guī)律，都可很好地用MATLAB進行計算或仿真。這樣一方面豐富了課堂教學(xué)的多樣性和可視化，也使學(xué)生認識了MATLAB在處理各類問題的具體應(yīng)用。HFSS是一款三維電磁場仿真軟件，是當(dāng)今流行的微波無源器件和天線的設(shè)計與仿真工具。天線部分在整個“電磁場與電磁波”中雖只占很少的課時，但用該軟件可展示一下各類天線的仿真圖，讓學(xué)生盡早了解到HFSS的應(yīng)用，也為今后畢業(yè)論文選擇相關(guān)內(nèi)容作一定的鋪墊和今后的獨立工作儲備知識。

參 考 文 獻

[1]楊儒貴，劉云林.電磁場與波簡明教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006

[2]李學(xué)文，孫可平，于格非.雷云靜電場的模型化研究[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報，2006：18（增刊）：1-4

[3]施梨.MATLAB工程仿真與應(yīng)用30例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015

[4]夏新華，曹飛鳳，樓章華.引水工程前后西湖流暢的數(shù)值模擬研究[J].上海：上海環(huán)境科學(xué)，2008：27（3），99-103

[5]唐利軍.淺析電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計[J].信息通信，2015：8（152），267

[6]陳曉冬.汽車電器的電磁兼容[J].水電工程，2015：8，118

[7]楊發(fā)權(quán).MATLAB通訊系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015

[8]李明洋，劉敏.HFSS電磁仿真設(shè)計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2013