舉例淺談在電磁場課程教學中引入科研前沿

彭麟　姜興　仇玉杰

【摘 要】《電磁場》課程與當前的科研熱點密切相關，卻為廣大教師所忽視；重視《電磁場》課程與科研的關系研究，對于促進《電磁場》這樣一門教學與學習難度很大的電子信息專業基礎課的教學作用很大。本文從當前電磁場領域的天線的四分之一波長反射板應用、人工磁導體（Artificial Magnetic Conductor， AMC）和“隱身衣”等研究熱點淺談科研對電磁場課程教學的促進作用。

【關鍵詞】電磁場；課程教學；科研

0 引言

探討《電磁場》課程教學方法的論文已經不少[1-4]，但是科研對《電磁場》課程的促進作用的論文卻很少見。實際上，有些教師對于科研對電磁場教學（其他課程亦然）具有重大促進作用并不太認同；或者一些老師雖口頭上認同科研對電磁場教學有促進作用，但卻體會不深，思想上也不重視。筆者認為科研對電磁場課程的促進作用主要體現在以下幾點：1）科研可以使教師透徹理解知識點，授課更加準確、自信；2）教學中增加科研前沿可以促進學生對知識理解的融會貫通；3）科研前沿在課堂的滲透可以激勵學生學習的興趣，在愉快地學習；4）科研前沿在課堂的滲透可以培養學生的研究興趣，潛移默化中鼓勵學生進入科學研究的殿堂。

1 科研與電磁場教學

從教學來說，將課本枯燥的理論知識與實際應用和國際前沿科學研究聯系起來，以激起學生的學習熱情。電磁場課程不但學習困難，而且很多學生反映不知道學習這門課有何用處，這些問題嚴重打擊了學生的學習興趣。因此，我們在授課時要注意穿插電磁場知識在我們實際中的應用，讓學生明白學習并不單單是枯燥的理論知識，這些知識都是指導實際的基礎，解決學生為什么要學的問題。除可適當介紹電磁場在通信（手機、基站、衛星等）、探測（探地雷達，石油探測等）、定位（各種雷達）和微波醫療等的應用外，還可介紹具體知識的應用。

如當講授電磁波對理想導體平面的垂直入射這一章節時，將會講到電磁波全部被理想導體（PEC）反射回來且反相（反射系數為？祝=-1），此時可以引申這一特性在天線上的應用。如圖1所示，在很多定向天線應用中，經常使用一塊金屬板作為反射板/地板，以將一半的能量反射回另一面，使波1和波2同相疊加，達到提高天線增益3dB及屏蔽背面物體的目的。因為理想導體（PEC）的反相特性，需要把天線安放到距離地板1/4波長，以得到波1和波2同相疊加。通過對授課內容的拓展，可以使得學生明白所學知識并非無用處，而是在實際中大有用處的，從而激發學生的學習熱情。

圖1 理想導體在天線上的應用

同時可適當介紹本課程理論知識與國際前沿科學研究的關系，激發學生探索知識的熱情。介紹當前國際前沿科學研究時，可將其嵌入到具體的關聯章節知識講授中，使學生明白課堂所學知識與當前研究熱點的聯系。如在圖1講到的理想導體（PEC）作為天線的反射板/地板時，其需距離天線為1/4波長，因此，其一個缺點就是體積太大。但現代微波系統不斷小型化的背景下，PEC作為反射板越來越不適用。當前國際前沿研究的一個熱點人工磁導體（Artificial Magnetic Conductor， AMC）可以解決這個問題[5]。如圖2所示，與PEC不同，AMC可以同相反射電磁波，因而天線與反射板之間的距離可以遠遠小于波長，整個天線系統的尺寸大大減小了。從而讓學生了解科學研究的前沿，提高學習的興趣。

圖2 人工磁導體在天線上的應用

如當講授電磁波對介質分界面的斜入射知識時，可列舉2013年浙江大學陳紅勝團隊的最新研究成果：“隱身衣”[6]。如圖3所示，該前沿研究成果是一精致的六角形結構，當電磁波入射到結構上時發生全透射現象（折射），經過數次折射當電磁波出射該結構時，波的傳播路徑不變，就好像從來沒存在該結構一樣，而放置于結構中心的物體就被隱身了。這種學科前沿知識的介紹，讓學生明白了所學課本知識與科學研究的關系，提高學生學習的興趣。

圖 3 應用電磁波對介質分界面的斜入射知識的“隱身衣”

俗話說興趣是學習的最好老師，適當介紹電磁場理論知識在實際工程中的應用和在國際科學研究前沿的應用，可以活潑課堂教學，讓學生明白電磁場知識是怎樣在實際工程中應用的，讓學生了解當前科學研究前沿，可以激發學生學習的熱情，大大提高課堂教學的效果。

2 結束語

電磁場課程是教學和學習難度很大的一門課程，但也是十分重要的一門課程，搞好這樣一門課程的教學工作時每一個電磁場課程教師都需要認真思考的問題。而科研對于搞好這樣一門課程的教學具有很大的促進作用。我們應將理論知識與工程實際和學科前沿相聯系，激發學生學習的熱情和科學研究的熱情，為我國的科研事業培養優秀的人才。

【參考文獻】

[1]田雨波，張貞凱.“電磁場理論”教學改革初探[J].電氣電子教學學報，，Vol.30， No. 1， Feb， 2008： 11-13.

[2]張華美，徐立勤.《電磁場理論》課程教學的幾點認識[J].科技信息，2010（14）：3.

[3]彭麟.電磁場輔導課的幾點體會[J]. 科技信息，2014（5）：45.

[4]彭麟，姜興.二本院校電磁場教學初探兼與美國大學教學比較[J].中國電力教育，2014（17）：73-74.

[5]D. Sievenpiper. High-impedance electromagnetic surface[D]. Los Angeles， CA： Dep. E lect. Eng. Univ California at Los Angeles， 1999： 35-86.

[6]浙江大學研究團隊研制出六邊形柱狀“隱身衣”. http：//news.china.com.cn/2013-11/01/content_30465937_3.htm[Z].

[責任編輯：楊玉潔]