電磁場數(shù)值計算在《電磁場與電磁波》理論教學(xué)中的應(yīng)用

任儀+尹波+周建梅

【摘要】《電磁場與電磁波》是電子信息類本科專業(yè)學(xué)習(xí)中較難掌握的一門課程，具有物理概念多、理論抽象等特點。電磁場數(shù)值計算方法基于電磁場基本理論，通過計算機輔助程序計算和描述電磁場與電磁波的行為與動力學(xué)特征，將枯燥的公式和物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成數(shù)字化或圖像視覺描述，幫助學(xué)生理解電磁現(xiàn)象與基本概念，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，是電磁場理論教學(xué)的重要輔助教學(xué)方法。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值計算 電磁場與電磁波 理論教學(xué)

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）25-0246-01

《電磁場與電磁波》是國內(nèi)外公認(rèn)的電子信息類專業(yè)課程中一門難教難學(xué)的課程，在教學(xué)實踐中存在巨大挑戰(zhàn)。目前，在國內(nèi)外教學(xué)中，為提高電磁場教學(xué)效果，加深學(xué)生對抽象概念和現(xiàn)象的理解，除理論教學(xué)外，還普遍采用輔助教學(xué)手段或增加輔助教學(xué)環(huán)節(jié)。目前所采用的輔助教學(xué)環(huán)節(jié)有：在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，運用仿真軟件、影視圖象及多媒體課件等，通過可視化的方式加強學(xué)生對抽象現(xiàn)象的理解；通過虛擬實驗、計算機輔助設(shè)計及加強實驗實踐訓(xùn)練等，加強學(xué)生對電磁場現(xiàn)象和工程應(yīng)用的理解。然而，上述輔助教學(xué)環(huán)節(jié)雖具有一定效果，但仍然不可避免地使得學(xué)生停留于被動學(xué)習(xí)的模式中，難以調(diào)動學(xué)生主動思維和學(xué)習(xí)積極性，實踐上仍需要進一步改進。

電磁場數(shù)值計算方法是通過計算程序語言編程，基于電磁基本方程，計算和分析特定邊界條件下的電磁場空間分布的方法。其計算機編程的特性可有效地提高學(xué)生的主動思維能力，并結(jié)合編程的靈活性與主觀能動性，達(dá)到調(diào)動學(xué)生主動思考和提高學(xué)習(xí)積極性的目的。

1.電磁場理論教學(xué)的主要難點

《電磁場與電磁波》課程的主要授課對象為電子信息類專業(yè)本科生，為典型的工科類專業(yè)。該專業(yè)以培養(yǎng)高水平的電子信息專業(yè)技術(shù)人才為目標(biāo)，因此，該專業(yè)學(xué)生所學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課均以工程應(yīng)用類課程為主，造成學(xué)生的理論和抽象思維能力較弱，難以適應(yīng)公式多、概念抽象的電磁場理論教學(xué)。此外，電磁場理論教學(xué)對物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求也較高，許多概念和公式即來源于數(shù)學(xué)和物理的基本理論，使得部分?jǐn)?shù)理基礎(chǔ)較弱的學(xué)生在學(xué)習(xí)時感覺難度極大，造成教學(xué)效果較差。此外，該課程教學(xué)信息量大，而通常的理論課程教學(xué)僅有56或48學(xué)時，使得在有限的學(xué)時內(nèi)從基本的場論分析擴展到電磁波應(yīng)用難度極大，這也成為該課程理論教學(xué)的難點之一。

2.采用電磁場數(shù)值計算輔助教學(xué)的可行性分析

針對電磁場理論教學(xué)和工科專業(yè)的特點，為提高教學(xué)效果，有必要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動思維能力，而目前的輔助教學(xué)手段還難以達(dá)到該目的。目前，通過近4年的教學(xué)研究和教學(xué)實踐，筆者通過強化電磁場教學(xué)中的電磁場數(shù)值計算方法的講解和應(yīng)用，有效地提高了學(xué)生對該課程的理解，改善教學(xué)效果。采用電磁場數(shù)值計算輔助教學(xué)的可行性原因主要包括：首先，電子信息類專業(yè)學(xué)生普遍對計算機編程之類的實用性知識感興趣，而對于抽象的理論概念則感覺乏味，因此，采用計算機編程結(jié)合電磁場概念的方式將有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；其次，電磁場理論教學(xué)中存在大量的公式，而此類公式往往不具有工程應(yīng)用性，而電磁場數(shù)值計算僅基于基本公式，回避了繁瑣的公式推導(dǎo)，從而有利于學(xué)生理解此類公式；第三，電磁場數(shù)值計算通常是結(jié)合應(yīng)用性問題進行分析，幫助學(xué)生從工程應(yīng)用的角度理解電磁場問題；最后，電磁場數(shù)值計算的后續(xù)處理方式靈活，可以更直觀的形式表現(xiàn)電磁場與波的行為特征，增加了學(xué)生對電磁場基本理論和公式的理解。

3.教學(xué)實踐總結(jié)

筆者通過4年的教學(xué)實踐，加強電磁場理論教學(xué)中數(shù)值方法的講解和應(yīng)用，有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動思維能力，取得了較好的教學(xué)效果。例如，通過讓學(xué)生用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)二維有限差分法，并用該程序計算典型二維電磁問題，與書中例題結(jié)果做比較（書中例題采用分離變量法求解），從而使學(xué)生從枯燥的公式推導(dǎo)中解脫出來，使其能夠直觀地看到電磁場的空間分布，驗證了理論和程序結(jié)果的正確性。需要說明的是，分離變量法需要應(yīng)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)物理方法知識，并需要較高的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，技巧性很強，是傳統(tǒng)的電磁理論教學(xué)的難點之一。經(jīng)過多年的實踐和電磁場數(shù)值方法的強化講解，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性明顯提高，對電磁場問題的理解有所深入，課堂聽課的專注性和提問水平也明顯提高。此外，反映在最終的考試成績上，學(xué)生的平均測試成績約提高15分左右，教學(xué)效果明顯。

現(xiàn)有實踐表明通過電磁場數(shù)值方法的強化教學(xué)，并結(jié)合電子信息專業(yè)學(xué)生的特點和電磁場理論教學(xué)的知識結(jié)構(gòu)與課程特色，將單調(diào)抽象的被動式理論教學(xué)轉(zhuǎn)換成計算機程序輔助的主動式學(xué)習(xí)，極大地促進了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，更有部分優(yōu)秀學(xué)生在該課程的學(xué)習(xí)后選擇在該方向上繼續(xù)進行學(xué)習(xí)研究。教學(xué)質(zhì)量也由此得到了提升，每年平均成績均有所提高。

在今后的教學(xué)中，我們要繼續(xù)緊跟電磁場理論發(fā)展的步伐，在教學(xué)內(nèi)容上及時補充更新，在教學(xué)方式上不斷探索、創(chuàng)新和改進，使本門課程更加符合時代需求，更加易于學(xué)生學(xué)習(xí)理解，更加受歡迎。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘錦.電磁場教學(xué)中的挑戰(zhàn)與新實驗建設(shè)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2008， 30（5）：54-55.

[2]孟敏，方宙奇.《電磁場數(shù)值方法》課程建設(shè)的探索與實踐[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2013（4）.

[3]盧斌先.關(guān)于工程電磁場數(shù)值分析方法教學(xué)思路的探討[C].全國高等學(xué)校電氣工程及其自動化專業(yè)教學(xué)改革研討會，2007.

[4]付云起，袁乃昌.俄亥俄州立大學(xué)電磁場與微波技術(shù)專業(yè)及課程體系淺析[J].高等教育研究學(xué)報， 2011，34（1）：46-50.

作者簡介：

任儀，博士，重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院副教授。