廉继红 陈锦妮 薛谦

摘  要：文章针对电磁场与电磁波课程教学中面临的理论性强的问题，依照现代高等教育要求，对课程体系进行创新实践教学建设，开发软件仿真和综合设计性实验平台。采用Matlab软件仿真和硬件电路设计相结合的实验教学方式，激发学生的创新实验能力，提高课程教学质量。

关键词：电磁场与电磁波;实验教学;创新实验;软件仿真

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）07-0028-04

Abstract： In view of the strong theoretical problem in the course teaching of electromagnetic field and electromagnetic wave， according to the requirements of modern higher education， this paper proposes to construct innovative practice teaching of the curriculum system， develop simulation and hardware design comprehensive experimental platform. The experiment teaching method combining software simulation and hardware design is adopted to stimulate the students' innovative experimental ability and therefore to improve the quality of course teaching.

Keywords： electromagnetic fields and electromagnetic waves; experimental education; innovative experiment; software simulation

一、概述

《電磁场与电磁波》课程是通信、电子信息和信息科学与技术相关专业必修的一门重要专业基础课，该课程的理论性强、数学模型抽象，存在一定教学困难。传统教学模式中，教师多采用多媒体进行理论授课，课程知识点多，理论推导复杂，课程学时有限，学生难以深入理解导致学习积极性不高。在授课过程中大部分学校采用仿真软件、视频、动画等多样化手段辅助课堂教学，这些方式可以增加学生对电磁场和电磁波的感性认识，但是学生不动手做实验，既不利于通过实验过程发现思索问题，又不利于提高创新能力[1，2]。另外课程未设置实验环境，学生通过学习具备了比较扎实的理论基础和良好的数学计算分析能力，但仅停留在理论层面[3]。

为了解决以上问题，开展电磁场与电磁波实验教学环节是提升电磁场与电磁波课程教学质量的必要手段，需要从实验内容提升实验的创新机制。如何开设实验，合理地设置实验内容，通过实验有效地提高学生对电磁场与电磁波理论知识的理解和掌握，是需要不断探索与实践的课题。本文结合电磁场与电磁波课程的特点，将从教学理念、软件仿真方法和硬件实验平台搭建、实验考核评价方式等方面进行研究和建设。

二、《电磁场与电磁波》课程特点

《电磁场与电磁波》课程主要讲解电磁场和电磁波的基本理论和分析方法，以麦克斯韦方程为核心，对静电场、恒定电场、恒定磁场、时变电磁场和电磁波的实验规律、分布特性、环境影响、理论分析方法等方面进行详细论述。通过《电磁场与电磁波》课程的学习，可以使学生牢固掌握电磁场和电磁波方面的基本物理概念、数学模型及主要分析方法，具备简单电磁现象的分析能力和基本电磁问题的解决能力。

通过课程的课堂教学，使学生对电磁场和电磁波在《大学物理》课程的基础上有了进一步深入的认识和理解。课程内容包括矢量分析、静电场、恒定电磁场、静态场的求解、交变电磁场、平面波的传播、电磁波的反射与折射等。课程教学内容结构关系图如图1所示。电磁场的矢量分析方法，使学生牢固掌握矢量运算、梯度、散度和旋度概念，高斯公式和斯托克斯定理，打好学习该课程的数学基础。静电场、恒定电场、恒定磁场主要讲述静态场的物理模型和实验规律，使学生深刻理解静态场的麦克斯韦方程组及其意义、泊松方程等。交变电磁场主要讲述复数麦克斯韦方程组及交变场之间的相互规律。平面波的传播主要讲述在理想介质、导电媒质、良导体、各向异性媒质中电磁波的传播特性。电磁波的反射与折射主要讲述电磁波在介质分界面上的反射与折射规律。

通过学习《电磁场与电磁波》课程，培养学生运用麦克斯韦方程分析和求解静电场、恒定电磁场、时变电磁场问题的能力，培养严谨的科学研究态度及正确的思维方法，通过课堂多媒体教学方法将抽象的理论可视化，以加深学生对基础知识的理解。

三、电磁场与电磁波实验课程教学理念方法

在实践教学过程中，应从机械灌输电磁场与电磁波知识转向引导学生培养科学性思维和建立探究性学习的能力和习惯，从单一的课堂授课方式向适应现代化教学的多样化教学方法转变，改变死记硬背、机械式训练的教学方法，帮助并引导学生从被动接受知识转向积极主动获取知识，使学生能够主动思索、乐于探究、勤于动手，从而培养学生搜集和处理信息、分析和解决问题、协同工作的能力，增强教学实效，不断提升教学质量。

在《电磁场与电磁波》课程理论教学的基础上，根据课程需要开发实验课程，将电路原理、模拟电子线路、高频电子线路和天线技术知识融合进来，提高学生对理论知识的理解和掌握水平。实验内容以设计性、验证性实验为基础，设计性实验能有效地提高学生创新能力，综合性实验为提高学生综合应用能力，形成完善的实验教学内容设置。

在实践教学内容中，应该合理设置电磁场与电磁波实验课程来满足现代教学的要求。在很多高校，由于实验条件的限制，实验主要以软件仿真、验证性实验为主。对于软件仿真实验、设计性实验，实验内容更新较慢，创新性缺乏，缺少能够培养实践能力的综合性实验内容，例如电磁场测量实验，学生可以大量测量空间电磁场强度分布，但是实验环境受到限制，很难进一步对测量数据进行翔实地分析，所以迫切需要进行符合现代教学需要的实验教学内容设计和研究，克服理论与实践严重脱节的问题。

采用软硬件平台结合的方式设计开发电磁场与电磁波课程中的实验，可以让两种平台相互补充，促进学生理解和实践课程内容。软件实验平台，可以使场的概念更加形象化和可视化，从而深化学生对理论知识的理解。硬件实验平台，使学生真实地感受到电磁场与电磁波的存在，并且通过自己动手参与实验，加深对理论知识的理解，提高对知识的应用能力。

四、软件实验平台和硬件实验平台搭建

目前应用比较广泛的高级编程语言主要有VB、VC、C++等，这些需要学生能比较熟练地掌握所用语言的语法和编程技巧，但在学习《电磁场与电磁波》课程的同时又要求具备较熟练的编程能力是存在着一定困难的，为此引入Matlab软件包作为辅助计算编程工具有非常现实的意义[4，5]。在软件仿真实验的设计过程中，以Matlab软件作为平台，将抽象的理论模型及相关特性直观地展示出来，学生通过使用Matlab软件分析电磁场与电磁波问题，增强编程和利用现代工具分析科学问题的能力。

利用Matlab的矢量场图指令quiver可以在二维空间画出带箭头的向量，利用quiver函数仿真的同轴线内部电场分布如图2所示，可以看出二维平面上电场强度的大小和方向，箭头方向表示电场强度矢量线。可以利用Matlab计算梯度指令gradient和等高线绘制指令contour绘制等位线，例如二维空间电偶极子周围的电场分布及等位线如图3所示，真空中点电荷位于接地导体球附近时空间电位分布如图4所示，直角接地导体周围空间电位分布如图5所示。通过以上实例可以看出，利用Matlab命令可以简单方便地绘制出场的分布，可以帮助学生更好地理解抽象的场。Matlab软件仿真不仅可以应用在矢量分析、静态电磁场的可视化，还可以用于边值问题的微分方程的求解等问题。

Matlab不仅可以用于二维静态场图绘制，还可以三维动态仿真均匀平面波的传播、均匀平面波的极化、均匀平面波的反射与透射、矩形波导中场的分布特性等典型问题，电磁波在导电媒质中的传输过程如图6所示，其中直线矢量为电场强度矢量，虚线为磁场强度。通过动态图形的演示，学生就容易理解导电媒质中均匀平面波的电场与磁场互相垂直、电场与磁场具有相位差、沿着z轴成幅值衰减且按正弦变化的规律。图7给出沿+z在方向传播电磁波，相位差？准x-？准y=π/2即x相位超前y，右旋圆极化波的电场矢量轨迹图。大拇指沿波的传播方向+z方向，四指转向方向沿电场轨迹方向，构成右手螺旋关系，通过图7可以很好地理解圆极化波的轨迹特点右手螺旋之间的关系。

要完善《电磁场与电磁波》课程实践教学改革，必须在设计软件仿真平台的基础上搭建硬件实验平台以适应课程教学要求。合理的硬件实验平台可以使学生提高工程实践和动手能力，通过设计、制作、测试、分析环节加深学生对理论知识的认识，引发学生对科学问题的深入思索。搭建的硬件实验平台可以用来测试电磁波的传播、反射等特性，实验内容可以设置为综合性实验。

实验装置由电磁波信号发射装置、电磁波感应接收电路、导体板三部分组成。电磁波信号发射装置可以用微波信号源通过天线向周围空间辐射10kHz至2.5GH电磁波。电磁波感应接收电路由学生利用电磁场与电磁波课程内容结合电路原理、模拟电子线路、高频电子线路知识根据电磁波接收原理在查找资料后自行设计并制作，电磁波接收原理框图如图8所示。

图8中，将接收天线置于电磁波中，就能在天线体上产生高频电流，接收天线距离发射天线越近，电磁波功率越强，接收电路中感应电流越大。当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生电谐振现象，此时感应电流最强，由调谐电路接收到的感应电流，是经过调制的高频振荡电流。放大电路中主要是对天线接收到的微弱射频信号进行放大，以满足输出信号幅度的要求。检波电路从高频载波信号中将频率较低的有用信号分离出来，将LED灯接入电磁波检测板，电磁波发射功率足够大时使LED发光，灯泡的亮度可以表示接收位置的电场强度的强弱。

实验中引导学生将电磁波感应接收电路的接收天线根据电磁波的频率制作成多种天线形式，可以选择已有的天线形式，例如铜质弹簧天线、拉杆天线、胶棒天线、小吸盘双螺线天线、PCB天线等，或用金属丝自行制作天线体，如半波天线、螺旋天线、环形天线等，焊接在电磁波感应接收电路上。该电磁波检测电路的设计，可以充分調动其研究性学习的能力和自主学习的积极性。

将上述实验装置安装在测量平台上，通过测量接收电场相对强度与收发距离远近变化的规律，可以分析研究电磁波的空间传播衰减规律。实验装置也可以进行电磁波的驻波测试，由发射天线辐射电磁波，经一定距离的空间传播垂直入射在导体板上，并被导体板反射回入射空间，合成场是入射电磁场与反射电磁场的叠加，在发射天线与导体板的中间区域中形成驻波场分布，电磁波检测板测试不同空间点电场相对场强的大小，电磁波检测板上的LED光亮度变化程度可反映天线处空间中的电磁场强度变化情况，从而得到空间区域电场的波腹或波节点，并与理论计算的波腹点和波节点位置进行比较。

五、课程实验考核方式

实验教学在该课程中的实施，将很大程度优化该门课程的学习。为了更好地量化实验教学在课程中的作用，考核成绩由两方面组成：1. 考察动手能力，占60%左右，可以通过实验课程的操作、制作的电路板客观评定学生成绩，查考的是学生实际动手能力。2. 根据实验报告进行部分成绩评定，占40%左右，考察学生对实验过程的总结、对实验数据的分析、撰写实验总结报告的能力。通过考核环节确保实验教学过程的优化，真正提高学生动手和实践能力。

六、结束语

通过对《电磁场与电磁波》课程实验平台的搭建，抽象的理论教学配合多样化的实验内容，使学生学习理论知识时更容易理解掌握，激发了学生对理论知识的学习兴趣，同时启发学生勤于动手通过实验发现科学问题、思考科学问题，奠定从事科研工作和工程实践的基础。在电子技术与通信技术高速发展的今天，理论联系实际显得十分重要，在教学中除着眼于知识的巩固与深化外，还应考虑联系物理工程背景，涉及一些具体的应用问题，使教学具有较强的实用性和启发性，并能为学生主动学习，独立研究和全面发展提供空间。另外，还应鼓励学生积极参与一些应用项目的调研及开发工作，提高他们的综合实践能力。

参考文献：

[1]万棣，范懿.电磁场与电磁波虚拟仿真系统的设计与开发[J].电气电子教学学报，2017，39（04）：141-144.

[2]霍佳雨，高博.电磁场与电磁波实验教学的研究与探索[J].实验室科学，2016，19（02）：25-27.

[3]陈建军，辜永红，于彦涛，等.电磁场原理的创新实验能力研究[J].高教学刊，2017（03）：63-65.

[4]莫增，崔春雨，史书杰.基于MATLAB的电场空间分布可视化教学研究[J].物理通报，2018（08）：16-20.

[5]肖汉光，赵明富，钟年丙，等.基于MATLAB的电磁波极化波仿真教学[J].教育教学论坛，2016（15）：167-168.