導(dǎo)語：電磁場理論課課程設(shè)計論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1課程設(shè)計中使用商業(yè)軟件

目前工程類的專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)主要有兩大模式:1)以課堂教育為主，結(jié)合多媒體教學(xué)模式，以音頻和視頻(動畫模式或記錄短片的模式等)進行理論教學(xué)［4］;2)理論和實驗教學(xué)相結(jié)合的方式，將部分學(xué)時分配到課堂實驗教學(xué)以及學(xué)生動手實驗教學(xué)兩個環(huán)節(jié)進行理論和實踐相結(jié)合的教學(xué)［5－9］。模式1)使得課堂教學(xué)的理論內(nèi)容更加豐富多彩，涵蓋的內(nèi)容更加廣泛，但是由于課時數(shù)有限，在顧及了教學(xué)廣度的同時，教學(xué)深度不能得到有效的保證。在某些極端的情況下，學(xué)生上課時看各種物理現(xiàn)象覺得好玩，下課后卻對課堂上學(xué)習(xí)的具體知識茫然無解，當對具體的問題進行討論分析時更是一頭霧水，不知道從何下手。在這種情況下，如果學(xué)生能夠發(fā)揮主觀能動性，在課后深入地學(xué)習(xí)課本上的知識，并閱讀其他補充教材進行印證補充，那么就可以完全解決深度問題。為了讓學(xué)生在課后對課本上的知識進行進一步消化鞏固，通常采用加大課后作業(yè)的手段來督促學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)。這種以課后習(xí)題敦促自學(xué)的方法對部分愿意自主學(xué)習(xí)的學(xué)生具有非常好的效果，能夠在經(jīng)歷了課堂上相對比較寬泛的知識點以后對每一個知識點進行鞏固學(xué)習(xí);但是，對于缺乏學(xué)習(xí)主動性的學(xué)生來說，課堂上種類繁多的知識點和課后枯燥機械的習(xí)題形成的反差使得他們不知從何下手去完成課后作業(yè)，學(xué)生通常在不同的知識點和不同的公式之間疲于奔命，難以進行清晰有效地理解和探討。模式2)將實驗教學(xué)加入到理論教學(xué)中，部分解決了理論和實踐問題之間的差距，使得學(xué)生可以更加直觀地理解課堂上某些知識點相關(guān)的物理現(xiàn)象，但是這種教學(xué)方法有以下3個不可避免的問題:1)不論是課堂教學(xué)實驗還是實驗室學(xué)生自己動手的實驗，都需要相對比較多的時間進行鋪墊準備，在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)無法針對每一個重要的電磁學(xué)現(xiàn)象都安排相應(yīng)的實驗內(nèi)容;2)由于實驗室相對較少，設(shè)備以及維護費用相對昂貴，通常無法滿足每個學(xué)生的教學(xué)需求;3)實驗教學(xué)通常只針對可以用簡單的實驗手段實現(xiàn)的知識點，而且實驗設(shè)計的前提是這些知識點相關(guān)的實驗必須是可以直觀地進行現(xiàn)象觀察的。這些限制條件決定了符合實驗教學(xué)的知識點缺乏全面性。可以說，投入的時間和財力都不少，但是涉及的知識點卻不夠全面。課程設(shè)計這個教學(xué)形式早已存在，但是一般情況下僅僅作為課堂教學(xué)的一個實踐性補充，并未提到特別重視的位置。目前，計算機和網(wǎng)絡(luò)的普及情況為課程設(shè)計提供了另外一種思路，即數(shù)字化的課程設(shè)計方法。隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，高校大學(xué)生需要在具備一定專業(yè)知識的前提下學(xué)會使用與本專業(yè)相關(guān)的商業(yè)軟件，如電子信息專業(yè)的學(xué)生需要了解并學(xué)會使用的商業(yè)軟件有編程軟件Matlab和VC++等，仿真軟件HFSS和ADS等。而這些相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)和使用，通常不會專門開課來進行學(xué)習(xí)，因為這本來就是學(xué)生為了提高自身就業(yè)優(yōu)勢和提升專業(yè)技能而需要學(xué)會的自學(xué)課程。因此，在課堂上引入一部分和本課程本專業(yè)密切相關(guān)的商業(yè)軟件的使用技能，不但不會成為學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的負擔，反而是他們樂意學(xué)習(xí)并且去掌握的技能。綜上所述，為解決前文中提到的在教學(xué)過程中的問題，同時結(jié)合目前的教學(xué)環(huán)境和學(xué)生的自身專業(yè)素養(yǎng)，本文提出了應(yīng)用商業(yè)軟件進行課程設(shè)計的思路，即針對教學(xué)中需要掌握并深入剖析的知識點設(shè)計課程設(shè)計的內(nèi)容，讓學(xué)生在商業(yè)軟件平臺上建立并仿真電磁學(xué)的模型，利用學(xué)到的知識對相應(yīng)的物理現(xiàn)象進行觀察和規(guī)律分析。

2課程設(shè)計實例

課程設(shè)計是教學(xué)設(shè)計中的一個環(huán)節(jié)，針對一個目的或者一個內(nèi)容進行有計劃、有結(jié)構(gòu)的系列活動。對電磁場理論相關(guān)的課程教學(xué)而言，課程設(shè)計的內(nèi)容需要針對教學(xué)中比較難理解的、比較抽象的，或是需要對知識點進行綜合討論的內(nèi)容來進行設(shè)計。因此，課程設(shè)計環(huán)節(jié)在“電子工程數(shù)學(xué)方法”“電磁場與波”以及“微波技術(shù)基礎(chǔ)”課程的課堂教學(xué)中，對理論教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合的重點環(huán)節(jié)進行了設(shè)計和討論。由于商業(yè)軟件平臺可以模擬相對理想的實驗環(huán)境，并且在觀察物理現(xiàn)象時也不必拘泥于實驗裝置和物理實現(xiàn)方法困難的問題，在課程設(shè)計題目的設(shè)計上，可以選擇盡量涵蓋本課程大部分知識點的題目進行仿真設(shè)計，或者根據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要進行直觀化理解的物理現(xiàn)象進行設(shè)定。如在本科第3學(xué)期，在學(xué)生對電磁波/場的概念還處于力線的范疇，對電磁波在導(dǎo)波系統(tǒng)中的傳播規(guī)律還沒有進行具體學(xué)習(xí)的前提下［10］開設(shè)“電子工程數(shù)學(xué)方法”課程，學(xué)生對為何要求解泛定方程，為何要加入邊界條件等原因并沒有一個具象化的認識。盡管在課堂教學(xué)中提出求解定解問題就是泛定方程和邊界條件以及初始條件的結(jié)合，學(xué)生也只是機械地記住了這個說法而已。在這個前提下再提出如何求解波動方程和泊松方程等方法，學(xué)生也只是迷茫地在幾個特殊形式的方程中機械地求解而已。課后常有學(xué)生反映:“為什么就學(xué)這幾個方程”“這些方程求解方法到底學(xué)了有什么用”等等問題。這些問題給一個答案并不難，難的是學(xué)生就算聽懂了答案，還是不知道其真正應(yīng)用在何處。因此，在這門課的課程設(shè)計題目是用軟件HFSS實現(xiàn)對矩形波導(dǎo)管的仿真，在求解矩形波導(dǎo)管主要模式的基礎(chǔ)上設(shè)定波導(dǎo)管的尺寸，并觀察其主模的電場、磁場以及壁電流分布。整個課程設(shè)計內(nèi)容里并沒有提到用什么方程來求解，也沒有說用什么方法求解。學(xué)生拿到題目以后需要自己去思索:這是一個有關(guān)波導(dǎo)管的工程問題，這個工程問題相關(guān)的物理現(xiàn)象是什么，描述這個物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)公式是哪一個，為了能表達出波導(dǎo)管內(nèi)部的場分布，必須要求解定解問題，那么與之相關(guān)的邊界條件又是什么。這個課程設(shè)計的內(nèi)容立足于定解問題的求解，而且是直角坐標系下波動方程的定解問題的求解，計算上并不復(fù)雜，難的是理論上的理解。學(xué)生普遍反映雖然課本上早已做過了類似的題目，但是他們還是去查了一些相關(guān)的教科書，還在網(wǎng)上尋找資料，最后發(fā)現(xiàn)其實求解的就是他們學(xué)過的東西。這就是理論和工程應(yīng)用相對照的一個過程。同時，通過這次課程設(shè)計，學(xué)生普遍反映他們對HFSS這個商業(yè)軟件的建模方法和仿真手段有了相對深入的了解，對波動方程和亥姆霍茲方程的推導(dǎo)和求解認識深刻。“電磁場與波”是針對本科第4學(xué)期的學(xué)生開設(shè)的課程，其主要內(nèi)容涉及靜態(tài)電磁場和時變電磁場的基礎(chǔ)理論知識［11］。學(xué)生在前修課程大學(xué)物理中學(xué)習(xí)了很多關(guān)于靜態(tài)場的知識，空間中電磁波的傳播行為和狀態(tài)是一個全新的內(nèi)容，需要學(xué)生花更多的時間來學(xué)習(xí)波在空間中的傳播情況。而課堂教學(xué)中，描述波的情況時一般用正弦波來描述(動態(tài)多媒體描述的時候也一樣)，這種描述方法和機械波完全一樣，學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁波時通常以機械波為原型來進行理解，這種理解方法使得他們在學(xué)習(xí)駐波、行駐波時出現(xiàn)困難。因此對這門課的課程設(shè)計題目做了如下設(shè)計:利用編程軟件Matlab實現(xiàn)對下述物理現(xiàn)象的建模，并實現(xiàn)電磁波在全空間中的變化情況。一均勻平面波從半無限大自由空間(z＜0的區(qū)域)入射到一介質(zhì)分界面(介質(zhì)存在于z＞0的半空間)，介質(zhì)的電參數(shù)為εr=4，μr=1，σ=1，分別對以下情況進行建模:1)線極化波垂直入射到介質(zhì)分界面;2)平行極化波以入射角θ(θ＜θc，其中θc為臨界角)入射到分界面;3)圓極化波以入射角θb(θb為布儒斯特角)入射到分界面;針對上述3種情況，分別描述入射波、反射波和投射波在空間中的變化情況，并標明各波的能量變化。學(xué)生經(jīng)過這次課程設(shè)計后，首先會對使用Matlab進行編程設(shè)計有一定的了解，能夠用Matlab進行電磁波的動態(tài)顯示。其次會學(xué)會利用其他工具主動學(xué)習(xí)在課堂上難以理解的物理現(xiàn)象，這有助于學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中能夠主動利用現(xiàn)有的編程軟件或者商業(yè)軟件平臺進行知識探索。最后，學(xué)生在進行編程建模仿真的過程中強化了知識點的學(xué)習(xí)。課程設(shè)計包含了電磁場與波這門課程中關(guān)于平面波的傳播、平面波在介質(zhì)分界面上的變化、不同的極化方式在通過介質(zhì)分界面時和入射角之間的關(guān)系等等問題，知識點囊括了電磁波在無界/半無界空間中的傳播問題，而這也是本課程中有關(guān)電磁波問題的重點學(xué)習(xí)內(nèi)容。“微波技術(shù)基礎(chǔ)”是一門具體涉及微波器件的課程，不同的器件有不同的電性能和參數(shù)設(shè)計方法，不同的傳輸模式在同一器件中也表現(xiàn)出不同的特性［12］，因此要設(shè)計一個相對全面的課程設(shè)計比較困難。針對不同的知識點進行了不同的課程設(shè)計題目的設(shè)計，例如:1)針對波導(dǎo)腔體中的模式問題，進行了模式分析編程設(shè)計;2)針對諧振腔和微擾理論，進行了諧振模式和微擾后的諧振情況建模仿真討論;3)針對左手結(jié)構(gòu)材料的概念，進行了左手/右手結(jié)構(gòu)的功分器設(shè)計，以此討論兩種不同結(jié)構(gòu)下電磁波的傳播和器件表現(xiàn)在外的性能;4)針對磁材料的特性，進行了極化扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)仿真設(shè)計。通過這些課程設(shè)計，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)不同的微波器件性能的同時，對微波器件的設(shè)計方法、性能和其中的電磁場分布有了更加深刻直觀的了解和認識。

3結(jié)束語

綜上所述，在計算機完全普及開來的大學(xué)課程學(xué)習(xí)中，在電磁波理論相關(guān)課程的課堂教學(xué)中利用課程設(shè)計敦促學(xué)生利用編程軟件和商業(yè)仿真軟件對相關(guān)知識點進行模型化仿真和現(xiàn)象分析，有助于進一步加深學(xué)生對知識點的縱向和橫向理解掌握，豐富課堂教學(xué)的形式，使得學(xué)生對理論的理解更加清晰，對理論對應(yīng)的工程應(yīng)用了解更加明確。這對于目前的大學(xué)本科學(xué)習(xí)來說，是一個非常有利的學(xué)習(xí)手段和方法。

作者:駱無窮 王園 唐璞 潘錦 單位:電子科技大學(xué)

參考文獻

［1］彭麟，姜興，仇玉杰.舉例淺談在電磁場課程教學(xué)中引入科研前沿［J］．科技視界，2016(5):52－52.

［2］劉靖納，陳東陽，冀建利，等.“電磁場理論”課程教學(xué)改革的探索與實踐［J］．石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2008，2(2):105－108.