研究生課程《高等電磁場理論》教學(xué)方法研究

羅偉　王斌　黃文　阮巍

摘 要 《高等電磁場理論》是高校電子科學(xué)與技術(shù)研究生專業(yè)開設(shè)的一門重要基礎(chǔ)理論課程，其特點為采用數(shù)學(xué)物理方法對各類電磁現(xiàn)象進行分析研究，并且建立系統(tǒng)的電磁場理論體系，同時也是天線和射頻電路技術(shù)課程的基礎(chǔ)，因此在教學(xué)過程中存在一些問題值得探討。文章針對教學(xué)內(nèi)容的銜接、應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合以及數(shù)值方法教學(xué)三個方面，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法角度進行探討，并且給出了一些建議和解決方法，對提高教學(xué)效率和保證教學(xué)質(zhì)量具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞 高等電磁場 數(shù)值計算 教學(xué)方法

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-7661（2017）15-0001-02

一、引言

當(dāng)前我國通信產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，呈現(xiàn)出與電子產(chǎn)業(yè)融合的趨勢。各大通信運營商和設(shè)備商對電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生的人才需求量迅速增加，同時也對該專業(yè)研究生理論素養(yǎng)和實踐能力的要求越來越高。《高等電磁場理論》作為一門重要的理論基礎(chǔ)課程，是相關(guān)專業(yè)研究生高階課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，也是研究生創(chuàng)新研究的理論思想源泉。該課程內(nèi)容涵蓋場論、電磁波傳播特性和原理、輻射與散射、諧振以及數(shù)值算法等研究方向，其特點是對數(shù)學(xué)物理方法中偏微分方程求解能力具有較高要求。鑒于該課程強烈的數(shù)學(xué)物理背景，在教學(xué)實踐中如何把握理論知識和工程技術(shù)的結(jié)合與平衡，是一個值得長期研究探討的問題。

二、教學(xué)實踐中存在的問題

《高等電磁場理論》這門課程涵蓋知識點非常廣泛，而且需要學(xué)生具備較強的數(shù)學(xué)物理方法分析能力，在有限的課時內(nèi)，采用有效的教學(xué)方法，才能使學(xué)生將各個知識點融會貫通，充分理解，并轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新能力。

1.教學(xué)內(nèi)容的銜接

電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)碩士研究生一般都在本科階段完成了《電磁場與電磁波》和《微波技術(shù)基礎(chǔ)》兩門課程的學(xué)習(xí)。在進入《高等電磁場理論》課程時，可能會存在學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，學(xué)習(xí)興趣不足的問題。同時來自非電磁場相關(guān)專業(yè)的研究生，可能在場論和偏微分方程求解能力方面存在一定欠缺。這些問題都給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來困難，影響教學(xué)效果。我們需要認(rèn)真考慮教學(xué)內(nèi)容的銜接，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生完成該課程學(xué)習(xí)。

《電磁場與電磁波》和《微波技術(shù)基礎(chǔ)》是工科類高校電子工程、信息工程、通信工程等本科專業(yè)學(xué)生的必修課程，是電子信息大類專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)知識部分。在課程定位上，其作為專業(yè)基礎(chǔ)課，將為后續(xù)應(yīng)用技術(shù)課程奠定基礎(chǔ)。這兩門課程內(nèi)容主要包含對各類電磁現(xiàn)象和微波技術(shù)的初步規(guī)律性描述，用到的數(shù)學(xué)方法主要涉及微積分等基礎(chǔ)工具。《高等電磁場理論》作為研究生理論課程，需要引導(dǎo)學(xué)生對場論進行詳細(xì)回顧，建立數(shù)學(xué)方法解決物理問題的指導(dǎo)思想。對于非電磁場背景的研究生，需要指導(dǎo)學(xué)生自主高效完成相關(guān)電磁場和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的知識儲備學(xué)習(xí)。教學(xué)內(nèi)容上，不能停留在孤立物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)描述和解釋，需要幫助學(xué)生建立完備的知識體系，具備采用數(shù)理方法總結(jié)普遍性宏觀電磁場理論的能力。

2.應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合

《高等電磁場理論》課程包含唯一性定理、鏡像原理和惠更斯原理等重要電磁原理的數(shù)學(xué)推導(dǎo)學(xué)習(xí)。不同于本科學(xué)習(xí)，該課程要求學(xué)生不僅能夠理解原理內(nèi)容，而且能夠借助數(shù)學(xué)工具進行相應(yīng)的理論梳理推導(dǎo)，并分析研究電磁散射和輻射等現(xiàn)象，同時具備轉(zhuǎn)化為實際問題解決能力。為了使學(xué)生建立扎實完備的數(shù)學(xué)體系，同時不陷入純粹的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，需要結(jié)合一定的工程應(yīng)用技術(shù)知識，引導(dǎo)學(xué)生利用課程中的研究方法和原理，開展自身研究課題的創(chuàng)新分析。

電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生的研究內(nèi)容主要包括天線和射頻技術(shù)研究、高頻電路設(shè)計研究、微電子技術(shù)和計算電磁學(xué)算法研究等方向。在掌握基本原理知識的基礎(chǔ)上，需要鼓勵學(xué)生在各自的研究領(lǐng)域基于電磁場原理進行實際問題的分析和解決。例如指導(dǎo)學(xué)生基于鏡像原理進行定向天線設(shè)計，解決基站天線架設(shè)問題，以及完成簡單邊界條件下散射問題的簡化，將理論研究與工程創(chuàng)新充分結(jié)合。

3.數(shù)值方法教學(xué)

高等電磁理論中數(shù)值方法知識是計算電磁學(xué)研究的重要內(nèi)容。根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗，大部分學(xué)生會對其中復(fù)雜繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)望而生畏，影響其對數(shù)值方法的學(xué)習(xí)信心建立。數(shù)值方法的特點是要將電磁問題數(shù)學(xué)模型化，然后結(jié)合計算機技術(shù)進行快速計算處理。各類算法紛繁復(fù)雜，特性各異，需要正確合理引導(dǎo)，才能達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。

為了幫助學(xué)生深入理解電磁學(xué)數(shù)值算法核心思想，需要在課堂講解的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生針對具體的電磁問題進行編程計算，在實踐過程中結(jié)合電磁場理論，分析各類電磁現(xiàn)象，摸索物理規(guī)律。例如針對理想線天線輻射問題，引導(dǎo)學(xué)生采用矩量法和有限元法分別進行編程計算，比較兩種算法差異和特點，深刻理解算法內(nèi)核。隨著計算電磁學(xué)的快速發(fā)展，目前業(yè)內(nèi)涌現(xiàn)出大量商業(yè)電磁仿真軟件，如HFSS、FEKO和CST等。在講解算法原理的同時，也需要向?qū)W生介紹多種商業(yè)軟件，并培養(yǎng)學(xué)生進行工具軟件的操作技能。

三、結(jié)語

本文針對“高等電磁場理論”課程教學(xué)過程中存在的一些問題展開討論，分別對教學(xué)內(nèi)容的銜接、應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合和數(shù)值方法教學(xué)相關(guān)內(nèi)容進行分析，探索以上問題的解決方法，使學(xué)生建立充分的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)信心，掌握理論結(jié)合實踐的科學(xué)方法論，提高該課程的教學(xué)效率，保證課程的教學(xué)質(zhì)量，具有一定的參考價值。

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基金項目：重慶郵電大學(xué)校級教改項目 （XWTJG1401）。