高校电磁场与电磁波教学研究范文

《合肥师范学院学报》2016年第6期

［摘要］针对应用型二本高校的特点对“电磁场与电磁波”课程进行教学研究。从教学内容上进行分层次教学，突出重点、弱化难点；在教学方式上采用形象化、系统化教学，并利用实践教学的方式，通过HFSS软件仿真激发学生的学习兴趣，从而提高教学效果。

［关键词］电磁场与电磁波；教学研究；HFSS；实践教学

“电磁场与电磁波”主要研究电磁场和电磁波的基本概念、基本理论与应用。该课程主要从矢量分析入手，介绍电磁场中的静态场、时变场和电磁波的基本理论与特点，为“微波技术基础”、“天线与电波传播”、“射频电路”等后继课程的学习奠定必要的理论基础。但是由于该课程数学要求高、公式多、物理概念抽象、理论难以掌握，使学生在学习过程中力不从心，往往有畏难情绪在里面。特别是对合肥师范学院这种应用型二本高校来说，学生的基础相对重点院校的学生而言要差点，而且学习的自主性也欠缺，因此学习效果不是很理想，可能会有个别学生到学期结束都达不到这门课程学习的基本要求。如何做好应用型高校电磁场与电磁波课程的教学工作是比较紧迫的问题，需要花更多的心思和精力来探讨研究。笔者结合多年电磁场与电磁波课程的教学经验，有针对性的对课程进行改革，通过课堂上学生实时反馈情况对教学方式进行调整，结合应用型高校的实际情况探索该课程的教学。

1教学内容研究

本课程包括电磁场和电磁波两大部分。电磁场部分是在高等数学的基础上，运用矢量分析的方法，描述静电场和恒定磁场的基本物理概念、研究静态场的解题方法、以及在总结基本实验定律的基础上给出时变电磁场的基本规律。电磁波部分主要是介绍平面电磁波传输特性、电磁波在导行系统的传播规律及天线的基本理论。由于本校电磁场与电磁波课程只有48学时，需要针对应用型高校学生的特点分层次讲解课程内容，对理论性、逻辑性较强的知识点做选修处理，既满足大部分学生对基本知识点掌握的要求，又满足部分学生向重点高校考研的需求。将课程的必修知识点按照掌握、理解、了解三个层次具体划分为：掌握矢量运算，梯度、散度和旋度，高斯公式和斯托克斯公式，时变电磁场的麦克斯韦方程组、电磁波的波动方程等；理解电磁场的矢量位势和标量位、泊松方程、时谐平面电磁波、截止频率和谐振频率等概念；了解分离变量法、库仑规范、洛仑兹规范、滞后位等。而对镜像法、有界空间中电磁波的求解方法、电磁辐射等作为选修内容。做出以上的安排主要考虑下面两个因素：

一、有限的课时要优先考虑重点内容，对电磁场和电磁波涉及的核心知识点必须要详细讲解，比如散度、旋度、梯度、麦克斯韦方程组、波动方程、平面电磁波等，至少要花三分之一的课时结合多种教学手段让学生在理解物理概念的基础上掌握基本公式及应用。而对一些比较复杂的问题，如分离变量法、镜像法等知识点，通过弱化在总学时的比例或用选修的方式做简化处理；

二、由于我校电子信息工程、通信工程专业有电磁场与电磁波方面的后继课程－－－－专业必修课“微波技术”、专业方向课程“天线与电波传播”和“射频电路”，这些课程覆盖了“电磁场与电磁波”课程的不足，如有界空间中电磁波的求解方法、电磁辐射等知识点完全可以在后继课程中系统学习。

2教学方法研究

通过多年课堂教学的探索和总结，针对二本高校学生数理基础较薄弱的特点，同时为适应应用型高校的办学需求，为该课程制定一套教学方法，使抽象的概念形象化，难懂的公式物理化，知识掌握的系统化，最终将理论基础与实际应用密切联系，激发学生兴趣，培养学生探索性学习素养，启迪学生创新思想，促进学生知识拓展应用能力的提高。

2．1知识点形象化、系统化

在形象化讲解抽象概念的基础上，将相近或易混淆的内容做比较，通过列表的方式从物理概念、数学公式、适用条件等方面将概念进行区分，使分散的问题系统化，加深学生的理解和记忆。下面以三个度（梯度、散度、旋度）的讲解为例，说明该过程的具体实施。如何将概念形象化？例如在讲解梯度时，以温度场为例，介绍温度沿不同方向的变化率。该问题针对某一温度场中的山峰，甲、乙、丙三人分别从三个不同的方向由山脚爬到山顶，行程L分别是120km、100km、80km，其中丙是垂直路径，可以很容易算出三种不同方向的温度平均变化率ΔTL，其中丙方向的变化率最大。然后引导学生思考，如果是对温度场的某点A来说，平均变化率就变为温度沿三种方向在A点的变化率，表述为TL沿不同方向，自然引出方向性导数的概念。进一步提示学生，在所有方向的变化率中，总有一个方向变化率是最大的，这个值就是梯度的大小，这个方向就是梯度的方向，最终将针对标量场的梯度概念给完整引出。在系统讲解完梯度、散度、旋度后，用列表的方式对问题进行区分，找到三者之间的异同。

2．2HFSS软件实践教学

为改善比较死板的教学现状，同时贴合应用型办学思想，对该课程的一些知识点在理论推导的基础上用软件仿真的形式将无形的场结构有形化，加深学生对知识点的把握程度。工程上常用的HFSS有限元分析软件，对于一些典型的电磁场问题，如电场分布、磁场分布、电感、电容等，可以提供直观的场结构显示。下面就以半波偶极子为例，利用HF－SS软件建模仿真其空间辐射场结构。例：设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线，计算其空间电场分布。传统教学过程是首先分析电偶极子的远区电场分布，通过在球坐标系中将电位函数高阶近似的方式推出电偶极子的远区场电场E→＝－"φ＝p4πε0r3（2cosθe→r＋sinθe→θ），其中p为电偶极矩；然后根据偶极子天线的对称性计算对称天线的辐射电场；最后计算3GHz下天线的辐射场分布和方向性函数。实践教学过程则是依托HFSS软件，通过建模仿真的方式直观的得到半偶极子场结构。设置扫频范围2．5GHz－3．5GHz，S11参数、方向图，以及电场分布。相比繁琐的理论公式的推导计算，HFSS软件实践教学方式更容易被学生接受，在掌握电场结构的基础上提高了学习兴趣，为以后的工程应用奠定基础。

3总结

“电磁场与电磁波”做为电子信息类、通信工程类本科专业的一门专业基础课，具有十分重要的核心地位。针对应用型高校如何实施教学过程是值得研究和探索的问题。本文从教学内容和教学方式两个方面，围绕教学做了初步探讨。经过实际教学检验，取得了令人满意的教学效果。

［参考文献］

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［5］刘德国．“电磁场”课程中梯度、散度、旋度教学方法探讨［J］．科技信息，2014，15：51－52．

［6］赵彦珍，应柏青．Ansoft在“电磁场与波”课程教学中的应用［J］．电气电子教学学报，2010，32（2）：95－96．

作者：时晶晶 单位：合肥师范学院