信息化視角的電磁場論實驗教學研究

徐 凱 軍

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

0 引 言

信息技術是當今科學技術中最活躍、發展最迅速、影響最廣泛的領域。伴隨著多媒體以及互聯網開始大范圍普及，普通大眾的生活和學習方式因信息技術而發生巨大的變化。高校教學也正在推進信息技術與教學的融合，促進教學模式的改革，提高學生培養質量[1-3]。電磁場論是勘查技術與工程及地球物理學重要的專業基礎理論知識，理論體系嚴謹，公式繁雜，概念抽象，不易于直觀理解。將信息技術與教學結合，特別是從信息化教學視角的電磁場論實驗研究，可以將抽象的概念具體化,將繁雜的推演簡單化,將電磁場空間的描述形象化,將電磁波傳播過程動態化,進而提高實驗教學效果[4-7]。信息化技術最大優勢是可以利用多種媒介形象地展示實驗內容。資源形式涵蓋視頻、網站、多媒體等各類，將實驗內容進行形象化展示，如電偶極子場分布、電磁波傳播等內容。

電磁場的傳播特征是電磁場論中重要的研究內容，由于電磁波傳播規律和傳播動態非常抽象，如何將電磁波傳播過程清楚地展示，是電磁場論實驗教學中的關鍵問題。地質雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)是一種電磁探測技術，它利用電磁波在地下介質傳播過程中的不同波動規律來探測地下目標體[8]。電磁波傳播理論是地質雷達的理論基礎，建立基于地質雷達的電磁波傳播實驗可以在教學中讓學生理解電磁波傳播的基本理論，同時還能學習電磁波在專業方面的應用。本文基于地質雷達方法，開展信息化視角的電磁場論實驗教學研究，對電磁場論中所表述的抽象的電磁場傳播規律進行模擬實驗，以圖形、視頻、動畫、網絡等信息化手段直觀、清楚地顯示出來，加深學生對抽象的電磁場傳播理論的理解。

1 地質雷達電磁波傳播實驗

1.1 激勵源選取

地質雷達天線通常采用高斯脈沖(見圖1)作為發射天線的激勵源。確定了激勵源幅值為100 V、內阻為50 Ω·m的高斯脈沖電壓源，其基本公式為：

W(t)=e-ζ(t-χ)2

(1)

式中：ζ=2π2f2，χ=1/f(f為頻率)。

圖1 高斯脈沖電壓源

1.2 天線網格剖分

地質雷達發射天線多采用平面蝶形天線。其中一個為發射天線，另一個為接收天線，且發射天線和接收天線的幾何形狀、尺寸與電性參數完全相同。為了模擬該天線發射的電磁波在介質中的傳播進程，需要對天線進行有限差分網格剖分(見圖2)。

圖2 蝶形天線的網格化

1.3 電磁波傳播有限差分數值模擬

考慮地下為各向同性的耗損介質，電磁場傳播滿足的方程為：

(2)

(3)

式中：E為電場強度，V/m；H為磁場強度，A/m；ε為介電常數，F/m；μ為磁導率，H/m；σe為電導率，S/m；σm為等效磁阻率，Ω/m。

將研究區域分割成一定數量的空間網格，用有限差分方法近似電磁場方程,然后再進行時間離散化，可以得到電磁場滿足的時域有限差分方程[9-13]：

(4)

(5)

(6)

式中：CA(i，j)、CD、CB(i，j)為介質電性參數。

2 電磁波傳播時空特性分析

2.1 電磁波空間傳播特性分析實驗

電磁波隨著空間的傳播特性是電磁場論中重要的內容，通過電磁場傳播實驗，可以將電磁場在空間能量的分布情況展示出來。建立一個二維地下空洞模型(見圖3)，激勵天線選用800 MHz，介質的電性參數：ε=9 F/m，ρ=400 Ω·m。在介質中存在一個空洞，通過電磁波空間傳播模擬可以得到電磁波反射振幅空間分布剖面(見圖4)，可見在空洞和介質的分界面處，由于電性差異明顯不同，在界面處出現強的反射振幅，越往深處電磁波能量在不斷衰減，通過該實驗的分析，可以很好地說明電磁波在地下介質不同電性界面處具有不同的反射能量，形象地展示了電磁波探測地下目標體的原理。

圖3 空洞地質模型

圖4 電磁波振幅空間分布剖面

2.2 電磁波時間傳播特性分析實驗

電磁波隨著時間傳播特性比較復雜，不結合實驗很難理解電磁波隨著時間在介質中的傳播特征，基于信息化的手段，用波場快照的方式將電磁波隨著時間的變化規律用圖形或者動畫展示出來。波場快照實驗可以將不同時間電磁波在地下介質中的傳播特性很清楚地展示。建立一個層狀介質模型(圖5(a))，通過電磁波不同時間的波場快照(圖5(b)～(d))可以展示在某一時刻電磁波傳播的范圍、反射波和透射波傳播特征和能量。可見電磁波在兩層界面處(h=10 m，13 m)存在一定的反射與透射信號。由于能量的衰減，反射波和透射波的能量在傳播過程中不斷衰減，傳播時間不同，其傳播的范圍和能量也不同。

(a) 傳播介質參數

(b) t=100 ns

(c) t=140 ns

(d) t=160 ns

3 電磁場實驗教學信息化體系建設

電磁場傳播實驗可以從多個角度開展實驗教學，針對不同頻率發射源，不同的地下介質模型，利用信息化技術優勢，形成電磁場實驗教學信息化體系。

(1) 仿真實驗平臺。將地質雷達電磁波傳播模擬形成仿真軟件，建立電磁波傳播仿真實驗教學平臺，利用信息化開展多模型、多參數、多功能的仿真實驗，教學中采用軟、硬件實驗相結合的方式，實驗室進行仿真實驗，室外進行實際測量，加深學生對電磁場理論的理解及實際應用能力。

(2) 電磁場傳播實驗“微課”資源建設。以視頻為主要載體，將地質雷達電磁波傳播實驗分解為多個涉及到電磁場基本理論的知識點，將地質雷達電磁波傳播過程形成“微課”資源，突出電磁場教學中某個學科知識點。微課時間短，針對性強，有利于知識點理解，利用信息化手段，以網上視頻、手機傳播、微博討論等各種方式進行教學互動，提高學生的學習興趣。

(3) 網絡化實驗平臺建設。建設電磁場論網絡化實驗平臺，建立電磁場論的實驗資源庫，教師和學生可依托平臺進行互動。

4 結 語

電磁場實驗教學是電磁場論教學的重要部分，實驗教學效果直接影響教學質量，信息化技術為實驗教

學提供了良好的資源和手段。基于地質雷達的電磁場傳播實驗可以清晰地展現電磁波在地下介質的傳播動態，使抽象的電磁波傳播過程變得直觀、形象、易懂，提高學生的學習興趣和創新能力，特別是與專業實際應用技術相結合，通過在實驗進程中改變地質雷達天線的發射頻率、設計不同的地質模型，改變不同的時間參數，從不同細節和角度去理解電磁場的傳播特征，提高了電磁場實際應用中分析、解決問題的能力。在電磁場實驗研究的基礎上，借助信息化的手段，形成實驗教學信息化體系，從而提高電磁場實驗教學效果。

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