基于应用背景的“电磁场与电磁波”教学研究

邵初寅 范瑜

【摘要】随着高等教育改革的深入，需要全面提升教师的创新创业教育能力。根据“电磁场与电磁波”课程的教学特点，可以在课堂引入大量的应用背景和工程实例，既提高学生的学习兴趣和积极性，同时又拓展了学生认识问题分析问题的能力，提升教学质量，为学校的转型和培养应用型人才服务。

【关键词】 教学研究 电磁场与电磁波 应用型高校

在十二届全国人大四次会议的记者会上，教育部部长袁贵仁在围绕“教育改革和发展”的谈话中指出，中国高等教育供给侧结构性改革的主要矛盾是培养理论性、学术性人才的学校多，而培养技术、技能型人才的学校少。他在提出的高校创新创业教育的六件事中明确提到了提升教师创新创业教育教学能力。从工科“电磁场与电磁波”课程的特点看，由于其数学要求高、理论性强，一直是一门公认的难教难学难考的课程。考虑到该课程作为专业基础课有着很强的应用背景，有着充足及广泛的素材和实例，引入教学的可行性极强，从而能为培养高素质和高质量的应用型人才搭建一个可靠的平台。目前各高校对该课程的教学改革进行得如火如荼，包括教学方法、教学内容、考试方式等方面，但无论什么办法，核心的一点就是如何提高学生的学习兴趣和积极性。笔者认为最重要的是通过认识和专业课的联系及广泛的工程和实际应用例子，使学生真正体会该课程的重要性而自觉投入到学习中。此课程改革也和中国高等教育和本校的转型完全一致。要把各种应用例子充实到“电磁场与电磁波”教学的各个环节，不断地强化学生对此的认识。本文就这一思路和实施重点加以阐述。

一、绪论的精心准备

每门课的第一堂课尤为重要，学生听课的效率很高。十分有必要精心准备好补充的绪论部分，把本课程的地位作用、特点、应用等加以讲述。要根据不同专业预先了解已上了那些课程，后续有那些专业课，有针对性地设计例子来体现本课程的作用和地位。如从日常生活中的遥控器到微波炉，从实验中的示波器到电子显微镜，从工程中的发电机到磁悬浮，从医学上的X透射到核磁共振，从通讯领域的手机、局域网到导航系统，从军事上的雷达到隐身飞机等等[1]。这些例子无不都深刻地反映了电磁场和电磁波在不同领域极其广泛的应用，从而来吸引学生对本课程的学习兴趣和积极性，起到一个良好的开端作用。

二、课堂教学环节的深度融入

课堂教学是最核心的环节，除了要使学生掌握“电磁场与电磁波”基本概念和基础知识外，更重要的就要在整个授课过程中贯穿各种应用实例，真正让学生认识到学习本课程的广泛的应用价值。以前可能是学时有限，一般最多是绪论或每一章提到一些具体应用，这远远不够。要在合适的章节甚至具体特点和性质上都要引入合适的应用实例，从而真正达到我们提倡的创新教学目的。

2.1静态场

在讲静电场时，可举静电放电、静电感应、静电屏蔽、静电力的应用等等。如带电体为球形时表面均匀带电，但如在尖锐处就会有大量电荷积累而形成很强的电场，像高压线附近形成的电晕就是一种放电现象。当平板电容器的极板面积和间距一定时，改变其间的填充介质，电容量即发生变化，这就形成所谓的电容式传感器。静电屏蔽是封闭的导体腔可以阻断外界静电场的影响，例如高电压实验室及微波暗室通常应具备接地良好的金属网状屏蔽墙，以阻断内外静电场的相互影响。像某些电路板及敏感电子器件应放入导电袋中。其实对时变电磁场也可起到同样的作用。再如讲到电容器时，可举每人用的手机的电容式触摸屏，它原理上通过与工作面形成的耦合电容来吸走一点交流电来定位坐标等。

恒定磁场的应用非常普遍，如发电机、电动机、电磁铁、示波器、磁屏蔽技术、电子显微镜、回旋加速器、磁悬浮技术等等。在讲到用基本理论求解螺旋管的磁场时，其产生的均匀磁场就可用于质谱仪、磁控管、回旋加速器、显像管及控制电子束的扫描等。类似电场，当线圈的匝数和尺寸不变时，变更线圈中的填充物可改变线圈的电感，就是电感传感器的基本原理。磁悬浮技术是利用磁场力抵消重力的影响从而使物体悬浮。如采用德国技术在我国上海浦东长度为30公里，时速达430km/h的磁悬浮列车。首条国产磁悬浮明年上半年将在长沙投入运营。

在讲到基本方法叠加原理和镜像法时，就可举雷云静电场对地面的影响及输电线路周围的工频磁场分布计算[2]。这都是很好的镜像法并具体利用叠加原理计算的例子，从而来引起学生的注意对上述两方法的认识和理解。对于不能用解析解处理的复杂问题，就可介绍利用类似MATLAB计算语言来进行计算和处理[3]。

对于求解静电场和静磁场都满足的拉普拉斯方程时，除认识能处理电（磁）场的计算外，由于其它领域也有一样的方程形式，也可适用于恒定流场、恒定温度场。比如说水电比拟就是在同样边界条件下，可利用两者的相似性先做出其中一个参量测定推出另一个参量的具体数据。实际应用中由于测量电位较方便且精确，就可以通过此方法来计算出流场的速度分布。这在某些湖泊（如杭州西湖）的环境治理研究中有具体例子说明[4]。

2.2时变场

时变场中首先学的就是电磁感应定律，它的应用极其广泛。如当一根导电棒在磁场中旋转切割磁场线时，导电棒的两端之间产生电动势，就是单极直流发电机的工作原理。反之就构成单极马达。家用的电度表、电磁灶也都以此为原理。还可以根据导体中感应产生的涡流变化来检测导体中存在的缺陷等。

电磁波的传播例子不胜枚举，从收音机到有线电视、从雷达到微波通讯、从有线电视到卫星导航系统、从无线局域网到蓝牙技术，无不利用电磁波作为载体。在讲理想介质中传播的电磁波时，认识到电磁波的频率相同时，在介质中的波长比真空中的要短，这种现象称为缩波效应。利用此效应在制造微带电路和微带天线中起到关键的作用，尺寸小、重量轻对于航天及军用设备尤为重要。当电磁波在有耗介质中传播时，电磁能量将会损失。这种吸波效应现象就可以利用制造吸波材料用于隐形飞机或隐形军舰等。测量天线的微波暗室也采用吸波材料制成墙壁、顶面和地面，以消除电磁波的反射[1]。

电磁波的传播特性中的极化规律在工程实际应用中也得处处考虑，圆极化波雷达也称为全天候雷达，在穿过雨区时不会受到强烈吸收，飞机与地面的通信往往需要采用圆极化天线。极化匹配对于无线通信链路是达到最佳状态的一个指标。光波是一种电磁波，虽然光波的极化方向随机，采用一些方法可以获得极化特性即偏振特性，如目前流行的3D电影就是利用偏振光产生的效果。

电磁波的另一个重要量是频率，不同频率的电磁波传输过程中有其自身的特点，所以我们知道有很多中传输的方式和方法。有双导线、同轴线、微带、金属波导和光纤等，可以根据和介质的相互作用及辐射等特点来认识和理解各自的性质和作用。

讲到电磁波的辐射，就可从天线引入。从常见的金属拉杆天线、收音机的磁棒天线到日常离不开的基站天线、电视塔天线等等来体现。尽可能避免烦琐的理论推导，主要通过基本的结论来分析辐射和那些参量相关，并举例说明。如拉杆天线、收音机螺旋管天线接收时的方向性问题；太阳在清晨特别呈现鲜红色而天空又为什么是蔚蓝色的。随着现代高速电路技术飞速发展，电路设计中遇到的高频问题越来越多，带来研究电磁辐射的电磁兼容与电磁干扰等诸多问题[5][6]。

三、研究性学习的小论文

课堂上教学的时间毕竟有限，实施自主和研究性学习是大家普遍公认的好方法。“电磁场与电磁波”在各领域的广泛应用使得可选的课题面广量大，现在网络的普及也使实施具备良好的可操作性，学生可根据各自的兴趣来选择课题内容。

当然有取得良好的效果，关键是要组织实施好。重点抓好以下几个步骤：如研究性学习的初步介绍、研究课题的选择、课题研究和撰写和评价。毕竟学生对研究性学习的方法和手段并不很熟悉，所以需要花点时间进行引导。可编写学习手册放至课程的教学网站。特别可重点推荐一些信息资源，如生活中的电磁理论，磁化水、微波加热、条形码技术、雷电、电磁波公害等；军事领域方面的雷达、隐身技术、激光武器等；高新技术方面的液晶技术、光纤通讯、纳米材料等。当然要使此环节起到良好的效果，必须给学生一定的压力，一是在课程的总分中占部分比例，二是要安排时间随机抽取部分学生进行交流，大家进行一起交流学习，并通过老师的点评让学生认识到还有那些地方存在缺陷和不足，起到举一反三的作用。

四、实用应用软件的体现

适合研究“电磁场与电磁波”的应用软件有不少，根据实际情况本课程中重点突出MATLAB语言和HFSS仿真软件[3][7][8]，穿插在适当的课程教学中。MATLAB是学生开设的课程，而且在“电磁场与电磁波”中有广泛的应用。无论是从静态场到时变场，从平面波的传播到波导中的电磁场分布，从电磁波的反射折射到电流元的辐射规律，都可很好地用MATLAB进行计算或仿真。这样一方面丰富了课堂教学的多样性和可视化，也使学生认识了MATLAB在处理各类问题的具体应用。HFSS是一款三维电磁场仿真软件，是当今流行的微波无源器件和天线的设计与仿真工具。天线部分在整个“电磁场与电磁波”中虽只占很少的课时，但用该软件可展示一下各类天线的仿真图，让学生尽早了解到HFSS的应用，也为今后毕业论文选择相关内容作一定的铺垫和今后的独立工作储备知识。

参 考 文 献

[1]杨儒贵，刘云林.电磁场与波简明教程[M].北京：科学出版社，2006

[2]李学文，孙可平，于格非.雷云静电场的模型化研究[J].军械工程学院学报，2006：18（增刊）：1-4

[3]施梨.MATLAB工程仿真与应用30例[M].北京：电子工业出版社，2015

[4]夏新华，曹飞凤，楼章华.引水工程前后西湖流畅的数值模拟研究[J].上海：上海环境科学，2008：27（3），99-103

[5]唐利军.浅析电子设备的电磁兼容性设计[J].信息通信，2015：8（152），267

[6]陈晓冬.汽车电器的电磁兼容[J].水电工程，2015：8，118

[7]杨发权.MATLAB通讯系统建模与仿真[M].北京：清华大学出版社，2015

[8]李明洋，刘敏.HFSS电磁仿真设计从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2013