“電磁場與電磁波”實驗教學研究與實踐

［摘 要］ “電磁場與電磁波”課程理論性強、概念抽象、公式繁多，教師難教，學生難學。因此，課程教學中理論教學和實驗教學的有機結合尤為重要。針對“電磁場與電磁波”課程特點和實驗教學現狀，論述了電磁場與電磁波實驗教學原則，重塑人才培養方案，提出構建多元化的實驗教學體系，即采取驗證性實驗和綜合性實驗相結合的模式開展電磁場與電磁波實驗教學，闡述了綜合性實驗的設計思路及開展過程。教學實踐表明，該舉措大大激發了學生的學習興趣，加深了學生對相應知識點的理解，提高了實驗教學效果。

［關鍵詞］ 電磁場與電磁波；實驗教學；綜合性實驗

［基金項目］ 2021年度安徽省質量工程教育教學研究項目“‘電磁場與電磁波’課程綜合實踐教學改革研究”（2021jyxm1155）；2022年度安徽省質量工程課程建設項目“‘電磁場與電磁波’線上線下混合式課程”（2022xsxx159）

［作者簡介］ 韓 微（1982—），女，安徽東至人，碩士，國防科技大學電子對抗學院講師，主要從事電磁場理論研究與數值計算研究；岳玫君（1981—），女，河南方城人，碩士，國防科技大學電子對抗學院副教授，主要從事電磁場理論與天線技術研究。

［中圖分類號］ O441.4 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）32-0048-04 ［收稿日期］ 2023-07-10

引言

“電磁場與電磁波”是我院雷達工程、網電對抗指揮與工程、信息對抗技術和偵察情報等專業本科學員的一門重要的學科專業基礎必修課程。該課程是在大學物理電磁學的基礎上加上場論數學這個強有力的工具構成的，系統闡述了宏觀電磁現象的基本規律和基本分析方法，為后續“天線與電波傳播”“微波技術”“光電原理”等課程提供了必要的知識和能力儲備，在數理基礎和工程技術之間起到重要的橋梁作用。

信息時代，電磁場與電磁波的應用無處不在。以麥克斯韋方程組為核心的電磁場理論是電工、電子和信息技術的理論基礎，是發展電磁效應相關領域高新技術不可或缺的本源知識。電磁場理論以優美的數學形式反映了電磁場的統一本質，是物理規律與數學語言的完美結合。但該課程理論性強、概念抽象、公式繁多，同時電磁波看不見摸不著，對于電磁波的傳播特性、工作狀態等很難把握。因此，學生普遍反映該課程難學、難懂、難用，“未學先難”是學生的普遍心理，學生很難在不足60學時的情況下深入理解電磁場的數學模型，掌握電磁場的理論概念精髓［1］。“電磁場與電磁波”實驗教學環節是本課程的重要組成部分，是完善理論教學的一個必不可少的重要實踐環節。通過開展實驗教學，可以生動直觀地將抽象的理論模型和與其相關的特性表現出來，達到改善教學效果的目的，使學生理論與實踐結合的能力得到增強。因此，在“電磁場與電磁波”課程教學開展過程中，應重視實驗教學與理論教學的有機結合。如何開設實驗，并通過實驗有效促進學生對知識的理解和掌握，成為“電磁場與電磁波”教學中的重要課題［2］。

一、實驗教學現狀

由于“電磁場與電磁波”課程的實驗設備比較昂貴，出于成本考慮，我院近幾年一直開設的是驗證性的仿真實驗。課程實驗學時為4學時，對應2個實驗內容，每個實驗內容均為2學時。

2018年8月，教育部發布的《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》指出，嚴格本科教育教學過程管理，合理提升學業挑戰度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質量。要以學生發展為中心，以學生綜合能力和全面素質發展為課程設計的出發點，通過教學模式的創新，使課程達到高階性、創新性、挑戰度（“兩性一度”）。顯然，現有的實驗教學全是驗證性的仿真實驗，實驗條件設置比較簡單，綜合性較弱，無論是與課程“兩性一度”的要求還是對學生綜合能力的培養都存在差距。

二、實驗教學原則

基于“電磁場與電磁波”課程特點，開展實驗教學，不僅可以將抽象的概念形象化、可視化，還可以加深學生對知識的理解。在實驗教學的開展中，應遵循以下三點原則，進而增強“電磁場與電磁波實驗”教學開展的有效性。

（一）主體性原則

以往的“電磁場與電磁波”教學中，無論是理論教學還是實驗教學，都是以教師為教學主體，學生被動學習，開展的教學活動大都以“灌輸式”教學為主，即教師講、學生聽，忽視了學生的主體性，導致學生課堂參與度不夠，學習興趣不高。素質教育理念下，提倡學生與教師是教學中的雙主體，教師應尊重學生的主體性，立足于學生發展需要，根據學生實際情況開展教學活動。在“電磁場與電磁波”實驗教學中，教師要以學生為教學主體，秉承以學生為中心的理念，充分調動學生學習積極性、發揮學生主觀能動性，使學生自主參與到教學活動中來，讓學生在探究、思考中學有所獲。因此，在該課程的實驗教學開展中，應遵循學生主體性原則，從而提升“電磁場與電磁波”實驗教學質量。

（二）互動性原則

如前所述，以往的教學活動中，教師是教學主體，學生被動接受知識，導致師生、生生之間缺乏互動，課堂氣氛比較沉悶，有的學生甚至是“人在教室心在外”。因此，在“電磁場與電磁波”實驗教學開展過程中，要重視互動性原則，讓課堂氣氛活躍起來，讓學生思維動起來。教師可以以問題為導向，實現師生、生生之間的互動，使學生在互動中更好地理解知識、體驗知識、掌握知識。

（三）理論和實驗深度融合原則

實驗教學的開展應依托理論教學。作為完善理論教學的重要環節，實驗教學與理論教學應實現深度融合，達成對學生綜合能力的培養。以往的實驗教學中，實驗教學內容的設定往往與理論知識融合的深度不夠，雖然可以加深學生對某個知識點的理解，但對學生綜合能力的培養和高級思維的訓練仍存在很大不足。因此，在“電磁場與電磁波實驗”教學開展過程中，應遵循理論與實驗深度融合的原則，以提升課堂教學效果和人才培養質量［3］。

三、具體改革措施

（一）重塑培養方案

2017年7月，習近平主席致訓詞強調，國防科技大學是高素質新型軍事人才培養和國防科技自主創新高地［4］。可見，培養一流專業人才是國防科技大學必須承擔的，也是必須完成好的使命任務，而實現這一目標的重要途徑就是緊緊把握國際工程教育發展趨勢，不斷提高本科教育和人才培養質量。為此，學校以對接國際一流為目標，以提升教學質量為中心，以教學方法改革為突破，以教學基本單元建設為基礎，以能力培養為重點，吸納當今國際工程教育模式精髓，重塑了新一輪人才培養方案。我院在現有課程實驗的基礎上，對標新版人才培養方案，以推進實踐教學與知識教育為己任，以實踐動手能力培養為突破，確立了新的課程知識目標和課程能力目標，將“電磁場與電磁波”課程的實驗學時從原來的4學時增加到10學時，增加實驗教學比重，將實踐能力的培養內化到課堂教學中［5］。

（二）構建多元化實驗教學體系

驗證性實驗旨在培養學生發現問題和表述問題、判斷和定性分析、解決方法和建議等方面的能力，可以加深學生對某個知識點的理解，能做到“知其然”，但學生很少去探究，不能做到“知其所以然”。如果“電磁場與電磁波”課程實驗全是驗證性的仿真實驗，如前所述，無論是與課程“兩性一度”的要求還是對學生綜合能力的培養都存在差距。

綜合性實驗旨在培養學生建立模型、對不確定性因素分析、查詢相關書刊或電子文獻、整體思維、解決問題時妥協、創造性思維、技術協作、系統建模并確保目標可實現、設計過程、知識在設計中的運用、軟件實現過程、運行的設計和優化、系統改進和演變等方面的能力。綜合性實驗提高了實驗環節的挑戰度，使學生對于知識點和知識單元不僅明白為什么，還知道怎么實現、實現結果如何、影響因素有哪些等。如果課程實驗全是綜合性實驗，雖然在一定程度上彌補了課程實驗全是驗證性仿真實驗的不足，但也讓這門“未學先難”的課程變得難上加難，加重了學生的“畏難”心理，此外，由于學生個體能力存在差異，部分能力稍弱的學生更容易會失去興趣和信心。

基于此，構建多元化的實驗教學體系是非常必要的。我院“電磁場與電磁波”課程組經過充分研討、論證，最終決定采取驗證性實驗和綜合性實驗相結合的模式。首先，保留原有驗證性實驗中的一個，借助電磁場仿真技術，利用Ansoft公司出品的高性能全波電磁場模擬仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）開展實驗教學，既豐富了電磁場與電磁波的內容與形式，又幫助學生對抽象的理論知識有了更深刻的理解，激發了他們的學習興趣。其次，引入現代計算工具Matlab設計一個綜合性實驗。Matlab是MathWorks公司研發的一款主要用于科學與工程計算的軟件工具，具有強大的矩陣運算、數據處理和圖形顯示功能。讓學生編程實現動態電磁場的運動規律，將抽象的電磁場運動規律利用Matlab形象化、可視化，化抽象為具體、化枯燥為生動，激發學生學習興趣的同時，提高了學生對Matlab工程軟件的實際應用能力［6］。由易到難，構建符合學生認知規律的教學體系，循序漸進，徐徐展開。

（三）綜合性實驗設計

目前很多高校都利用HFSS開展仿真實驗教學，所以不再贅述，這里主要說說綜合性實驗的設計。

被譽為最美方程之一的麥克斯韋方程組用極為簡潔的四組方程以一種近乎完美的方式統一了電和磁，是宏觀電磁理論的核心，很多電磁場問題的實質就是求解不同條件下的麥克斯韋方程組。同時，麥克斯韋方程組預言了電磁波的存在。那么電磁波在空間中是如何傳播的？圍繞該核心問題設計了“基于FDTD算法的不同媒質分界面電磁波的傳輸特性分析”的綜合性實驗，采用時域有限差分（FDTD）方法，創建電磁波傳播模型，用計算機模擬電磁波在空間中的變化。通過一個綜合性實驗讓學生同時理解掌握多個重要知識點，比如平面波在不同空域的場強大小、平面波在不同媒質中的傳播特性、平面波遇到不同媒質分界面時的傳播規律。此外，還可以將理論知識與工程實際相結合，通過材料設計實現特殊的電磁性能，比如雷達天線罩能夠透射電磁波、照相機鏡頭上用的涂層能夠消除反射、隱身飛機上的涂層能夠吸收電磁波［7］，分別如圖1所示。這樣一個綜合性實驗就可以將統領整門課程的主線，即電磁場理論的精髓——麥克斯韋方程組，展現得淋漓盡致。在實驗過程中探索不同傳播環境及不同媒質分界面對電磁波傳播的影響，并分析思考其在實際工程中的應用。

設計綜合性實驗代替驗證性實驗，不但豐富了實驗教學內容，也提升了實驗環節質量。提高實驗環節的挑戰度，要求學生必須通過查找資料、學習新知，主動發現問題、動手解決問題，真正做到了學以致用，為后續培養學生解決復雜工程問題的能力奠定良好基礎。

（四）綜合性實驗開展

該綜合性實驗要求學生對Matlab軟件有一定的了解和使用基礎，因此，實驗教學開展前，教師先給學生推送Matlab軟件的相關學習資源，學生也可以自行查閱資料去學習。實驗教學開展時，教師首先重點講解實驗相關的理論知識和時域有限差分法（FDTD）及Yee元胞的方法，使學生掌握基本實驗原理，然后以最基本的情況為例，創建電磁波傳播模型，邊講解邊演示。在此基礎上，以問題為導向，引發學生思考，教師發揮引領作用，學生可以采取小組合作的方式，根據實驗要求自己動手編程完成更具“高階性”和“挑戰度”的實驗任務，最后以小組為單位現場匯報實驗結果，并且能夠運用理論知識進行解釋，同時讓小組之間展開互評。此舉不但實現了生生之間的互動，提高了學生的課堂參與度，而且使學生在互動中取長補短，更好地掌握了知識。所有小組匯報完畢后，教師總結講評。這可以作為評定學生實驗成績的重要依據之一。對于能力較強的優秀學生，通過綜合性實驗的學習和思維訓練，可以培養他們自行設計實驗并優化實驗方法的能力［8］。在整個實驗教學開展的過程中，充分遵循學生主體性原則、互動性原則和理論與實驗深度融合原則。

結語

針對“電磁場與電磁波”課程實驗設置比較簡單，綜合性較弱，無論是課程“兩性一度”的標準還是對學生綜合能力的培養均存在差距等現狀，構建多元化實驗教學體系，優化“電磁場與電磁波”實驗教學內容，設計綜合性實驗，由易到難、由淺入深，達到對學生知識、能力和素質培養目標的全覆蓋。理論教學與實驗教學的深度融合，一方面豐富了課堂教學內容，使學生不僅能做到“知其然”，還能做到“知其所以然”；另一方面加深了學生對抽象電磁場問題的理解，化抽象為具體，化枯燥為生動，大大激發了學生的學習興趣。同時，提高了學生對工程軟件的實際應用能力和綜合實踐能力，真正做到了以學生能力及科學思維的培養為核心。實踐表明，教學效果良好。

參考文獻

［1］宗衛華，曲曉云，王英，等.Matlab在電磁場與電磁波實驗教學中的應用［J］.實驗室研究與探索，2010，29（1）：53-55+68.

［2］霍佳雨，高博.電磁場與電磁波實驗教學的研究與探索［J］.實驗室科學，2016，19（2）：25-27.

［3］張鑫.電磁場與電磁波實踐教學研究［J］.中國多媒體與網絡教學學報（上旬刊），2019（9）：210-211.

［4］習近平向軍事科學院、國防大學、國防科技大學授軍旗［EB/OL］.（2017-07-19）［2023-06-10］.https：//www.workercn.cn/607/201707/19/170719185646393.shtml#：～：text=%E4%B9%A0%E8%BF%91%E5%B9%B3%E5%BC%BA%E8%B0%83%EF%BC%8C%E5%9B%BD%E9%98%B2%E7%A7%91%E6%8A%80.

［5］羅霞，羅闊，李震，等.電磁場與電磁波實驗教學建設與探討［J］.中國現代教育裝備，2015（9）：87-89.

［6］呂秀麗，牟海維，李賢麗.Matlab在電磁場與電磁波實驗教學中之應用［J］.實驗室研究與探索，2010，29（2）：110-112+195.

［7］孫玉發.電磁場與電磁波［M］.2版.合肥：合肥工業大學出版社，2014：200-202.

［8］代秋芳，王衛星，劉洪山，等.“電磁場與電磁波”實驗課程建設與實踐［J］.電氣電子教學學報，2014，36（2）：94-95+98.

Research and Practice on the Experimental Teaching of Electromagnetic Fields and Waves

HAN Wei， YUE Mei-jun， SHI Shu-jie， SUN Zhi-yong

（Electronic Countermeasure College， National University of Defense Technology， Hefei，

Anhui 230037， China）

Abstract： The curriculum theory of electromagnetic fields and waves is characterized by strong theory， abstract concepts and various formulas. It is difficult for teachers to teach and students to learn. Therefore， the organic combination of theoretical teaching and experimental teaching is particularly important. This article explores the characteristics and actuality of experiment teaching of electromagnetic fields and waves， discusses the principles of experiment teaching of electromagnetic fields and waves， reshapes talent training programs， proposes the construction of a diversified experimental teaching system， adopting a combination of verification experiments and comprehensive experiments to carry out experimental teaching of electromagnetic fields and waves， elaborates on the design concept and implementation process of comprehensive experiments. Teaching practice has shown that this measure has greatly stimulated students’ interest in learning， deepened their understanding of corresponding knowledge points， and improved the effectiveness of experimental teaching.

Key words： Electromagnetic Fields and Waves; experiment teaching; comprehensive experiment