計(jì)算電磁學(xué)在場與波課程教學(xué)中的應(yīng)用分析

張海

[摘 要] 電磁場與微波技術(shù)系列課程是普通高等高校電子信息類專業(yè)中一門非常重要的基礎(chǔ)課程。教學(xué)中涉及多門課程，在生活中涉及通信、導(dǎo)航、遙感、雷達(dá)等無線系統(tǒng)。此系列課程的學(xué)習(xí)需要運(yùn)用大量工程數(shù)學(xué)、物理方面的知識。內(nèi)容涉及范圍較廣、計(jì)算復(fù)雜，而且理論概念比較抽象，公式和定理復(fù)雜，從而導(dǎo)致學(xué)生對所學(xué)知識很難完全理解，學(xué)生對此系列課程的學(xué)習(xí)積極性下降也嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生學(xué)習(xí)起來非常困難，導(dǎo)致該系列課程有著很高的掛科率。針對該問題，需要在教學(xué)中做出一些改變，引入數(shù)值方法以及相關(guān)仿真軟件，以便學(xué)生全面掌握此系列課程的知識要點(diǎn)。

[關(guān) 鍵 詞] 電磁場與微波技術(shù)；計(jì)算電磁學(xué)；仿真軟件；教學(xué)改革

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2019）01-0078-02

電磁場與微波技術(shù)對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)研究起到很重要的作用，該系列課程中所包含的內(nèi)容是電子類本科生應(yīng)該具有的知識結(jié)構(gòu)中非常重要的組成部分，這一系列學(xué)科能為我國培養(yǎng)很多電子信息類型的專門人才。學(xué)好這門學(xué)科對學(xué)生未來的就業(yè)與生活影響較大。我國在這方面人才緊缺，學(xué)生在電磁場與微波技術(shù)方面的學(xué)習(xí)又很困難。抽象的概念、復(fù)雜的公式、晦澀的定理使學(xué)生的學(xué)習(xí)難度加大，學(xué)習(xí)起來很困難，學(xué)習(xí)興趣下降。怎么將抽象的概念和復(fù)雜的公式等理論問題變得形象和實(shí)際以及如何對電磁場與微波技術(shù)系列課程進(jìn)行教學(xué)改革，是我們應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的問題。

一、電磁場與微波課程的教學(xué)現(xiàn)狀

以前我們在電磁場與微波技術(shù)系列課程中沒有做到把這些課程當(dāng)做一個(gè)大的整體系統(tǒng)進(jìn)行考慮，所以在此系列課程總體知識結(jié)構(gòu)中，課程設(shè)置和內(nèi)容的鏈接存在著許多問題需要解決。電磁場與微波系列課程對數(shù)學(xué)方法的要求非常高，令學(xué)生望而生畏。另外，課程由精確復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)、精密的數(shù)學(xué)論證以及抽象的科學(xué)研究組成，所以學(xué)生對該系列課程的學(xué)習(xí)難度非常大，而有些課程在這一系列教學(xué)體系中都是獨(dú)立的，沒有互相溝通和聯(lián)系，讓學(xué)生毫無頭緒，無從入手，所以導(dǎo)致學(xué)生對電磁場與微波系列課程中所學(xué)的知識了解不夠徹底。因此，我們的教學(xué)需要創(chuàng)新，改變電磁場與微波系列課程的教學(xué)體系。對體系的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。這對學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場與微波技術(shù)方面的知識有著很大的幫助。

另外，實(shí)踐能力對電磁場與微波技術(shù)系列課程來說也非常重要。雖然該系列課程內(nèi)容相對枯燥，但是與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系非常密切，實(shí)踐能力的提高才是對知識真正的掌握，通過實(shí)踐可以檢查對電磁場與微波技術(shù)系列課程的教學(xué)成果，如“射頻與微波電路技術(shù)”“無線通信及射頻系統(tǒng)技術(shù)”“電磁波應(yīng)用技術(shù)”等都需要通過實(shí)踐才能得到提高。掌握實(shí)踐知識對未來社會生活上的發(fā)展更有幫助，打好了日后從事相關(guān)科研工作的基礎(chǔ)。如果學(xué)生為了應(yīng)試而死記硬背，就會毫無作用，跟教學(xué)的目的背道而馳。

二、電磁場與微波技術(shù)的重要性

電磁場與微波技術(shù)是我國國防技術(shù)的重點(diǎn)學(xué)科之一。國家為此建立實(shí)驗(yàn)室、教學(xué)基地，提供科研支持和教學(xué)支持。該學(xué)科的發(fā)展對電子和信息領(lǐng)域的幫助是巨大的，在導(dǎo)航、遙感、通信等科學(xué)領(lǐng)域中也起著非常關(guān)鍵的作用。如通信衛(wèi)星方面，電磁場與微波技術(shù)對衛(wèi)星通信質(zhì)量的提高有著不可忽視的作用，在通信衛(wèi)星的信號質(zhì)量上有著決定性作用。在這個(gè)全球信息化的年代，電子通信早就與人們的生活息息相關(guān)，而電磁場與微波技術(shù)對通信技術(shù)以及國家的軍事研究領(lǐng)域作用巨大。該學(xué)科的專業(yè)性很強(qiáng)，涉及范圍也很廣，如有電磁信號產(chǎn)生、天線雷達(dá)、高功率微波、電磁兼容等。電磁場與微波技術(shù)在日常生活中也有很多應(yīng)用，如電磁爐、微波爐等。電磁爐是現(xiàn)代生活中廚房的必備物品，它運(yùn)用磁場感應(yīng)電流的原理來進(jìn)行加熱，不產(chǎn)生明火，使用非常安全、便捷，對保護(hù)環(huán)境方面也有著很大的作用。而微波爐的加熱原理是從食物內(nèi)部傳達(dá)到外部，烹飪時(shí)間大大縮短。總之，電磁場與微波技術(shù)的提高，對我國科技、經(jīng)濟(jì)、生活的提高有著直接聯(lián)系。同時(shí)，它對我國各個(gè)行業(yè)都有著重要作用，再加上無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，學(xué)習(xí)電磁場與微波技術(shù)的就業(yè)前景非常好，畢業(yè)生可進(jìn)入通信公司、科研院所、國防單位等。

三、計(jì)算電磁學(xué)及仿真軟件在課程體系中的應(yīng)用

“計(jì)算電磁學(xué)”應(yīng)用的學(xué)科較多，是一門涉及面較廣、多學(xué)科交叉的理論知識。它對現(xiàn)代電子技術(shù)有著非常巨大的作用。學(xué)生需要掌握一定的數(shù)學(xué)知識，既有理論方面的知識，也有科學(xué)的算法和分析。有復(fù)雜的數(shù)值分析和計(jì)算，有晦澀難懂的計(jì)算編程和公式。計(jì)算電磁學(xué)可用來計(jì)算電磁場與微波工程方面的問題，其運(yùn)用的基礎(chǔ)是電磁場理論與數(shù)值計(jì)算方法，運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)來解決電磁學(xué)的問題。實(shí)踐證明，運(yùn)用計(jì)算電磁學(xué)可以解決許多復(fù)雜的實(shí)際電磁學(xué)問題。

“計(jì)算電磁學(xué)”這門課程的教學(xué)目的很明確，就是讓學(xué)生可以更好地了解和掌握電磁理論中各種電磁場數(shù)值算法，并運(yùn)用這些算法解決電磁場與微波技術(shù)方面的問題。在課程教學(xué)中可以根據(jù)各個(gè)算法設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教學(xué)時(shí)引導(dǎo)學(xué)生從計(jì)算理論開始，引導(dǎo)學(xué)生思考電磁場與微波系列方面的其他課程，舉實(shí)例進(jìn)行教學(xué)。在進(jìn)行計(jì)算教學(xué)時(shí)，要特別注意引導(dǎo)，各個(gè)細(xì)節(jié)要講解清晰，如何運(yùn)用于實(shí)際，計(jì)算編程也要與電磁場與微波系列的其他課程相結(jié)合，相互交叉。計(jì)算電磁學(xué)課程教學(xué)中的計(jì)算方法很多，如有限元法、矩量法、差分法、邊界元法、傳輸線法以及時(shí)域有限差分法和有限積分法等。隨著微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)愈加復(fù)雜，對器件與電路的要求也更高，隨著電路功能的增加，傳統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)方法已無法滿足要求。使用微波EDA仿真軟件就成了大勢所趨，而微波EDA仿真軟件又與計(jì)算電磁學(xué)方法密切相關(guān)，如運(yùn)用矩量法的EDA軟件包括ADS和FEKO，運(yùn)用有限元法的EDA軟件包括HFSS和ANSYS，運(yùn)用時(shí)域差分法的EDA軟件包括EMPIRE和XFDTD等。各種微波EDA軟件需要使用各種不同的算法。而不同數(shù)值計(jì)算方法的改進(jìn)又會促使微波仿真軟件的升級和改進(jìn)。運(yùn)用計(jì)算電磁學(xué)來解決射頻、微波電路等問題，已然是大勢所趨。計(jì)算電磁學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在，計(jì)算方法和技術(shù)得到很大的提高，對社會中各行各業(yè)都有著很大的影響。

把電磁場與微波技術(shù)系列課程內(nèi)容進(jìn)行整合，建立新的教學(xué)體系，以強(qiáng)化學(xué)生的數(shù)學(xué)知識為基礎(chǔ)，抓住重點(diǎn)，加強(qiáng)培養(yǎng)。首先，把電磁場與微波技術(shù)系列課程中所需要學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)知識進(jìn)行整合，改進(jìn)教學(xué)方法。打好堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁場與微波系列后續(xù)課程時(shí)會感覺輕松很多。其次，在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)理論的同時(shí)，還要注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，可以增加對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這對培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力方面有著重要作用，也提高了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。這種體系注重電磁場與微波系列課程之間的交叉和聯(lián)系。另外，很多學(xué)生數(shù)學(xué)知識薄弱，針對這種情況，可以將矢量分析與各種分類和定理問題等課程整合起來，形成一門課程進(jìn)行教學(xué)，專門進(jìn)行數(shù)學(xué)理論的教學(xué)。再次，在教學(xué)的同時(shí)，用“場與波”的問題進(jìn)行比較說明，利用微波仿真軟件進(jìn)行演示，這樣學(xué)生進(jìn)行課程學(xué)習(xí)時(shí)就會變得形象和直觀。最后，從“麥克斯韋方程組”的基本理論知識出發(fā)，把授課中心轉(zhuǎn)換到“電磁波”方面。在教授微波技術(shù)方面時(shí)，要先學(xué)習(xí)電磁場與電磁波等基本知識后，再進(jìn)行微波技術(shù)的課程教學(xué)。另外，“電波傳播理論”的課程教學(xué)可與“天線設(shè)計(jì)”課程結(jié)合起來。加強(qiáng)課程之間的鏈接，對知識的運(yùn)用也會得到很大的提升。一直以來，電磁場與微波技術(shù)系列的課程在教學(xué)時(shí)，就主張理論與實(shí)踐共同進(jìn)行，用理論來聯(lián)系實(shí)際生活，結(jié)合實(shí)例來說明理論教學(xué)的實(shí)際運(yùn)用。如在進(jìn)行微波射頻電路教學(xué)時(shí)可以介紹ADS、CST等仿真軟件的使用。與此同時(shí)，還要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)，電磁場與微波系列課程中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)必不可少。安排好微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要充分利用學(xué)校資源，依照電磁場與微波技術(shù)系列的課程規(guī)律來安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生更加充分地掌握電磁場與微波系列知識內(nèi)容。

總之，電磁場與微波技術(shù)專業(yè)對我國科技的發(fā)展十分重要，但是這類課程需要大量的數(shù)學(xué)及物理知識作為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)過程十分不易。電磁場與微波系列課程的抽象與復(fù)雜令學(xué)生難以接受，但是在把計(jì)算電磁學(xué)及相關(guān)微波仿真軟件引進(jìn)教學(xué)中后，將會有效緩解該情況，做到對學(xué)生綜合素質(zhì)和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，相關(guān)課程教學(xué)效果也有了進(jìn)一步的提高。通過教學(xué)改革，有效提高了課程的教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)了學(xué)生的理論基礎(chǔ)，同時(shí)使學(xué)生的實(shí)踐能力得到提升，有利于現(xiàn)代化信息通訊人才的培養(yǎng)。做到了一定的創(chuàng)新與發(fā)展，讓學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識和學(xué)習(xí)積極性得到提高。同時(shí)，使電磁場與微波系列課程不再枯燥乏味，在學(xué)生學(xué)習(xí)該系列課程時(shí)，變得更加感興趣，奠定了學(xué)生走向社會，從事相關(guān)行業(yè)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

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編輯 馬燕萍