【关键词】电磁场与电磁波 小班教学 教学方法
【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）18-0040-01
1.引言
《电磁场与电磁波》是电磁场与无线技术、电波传播与天线、广播电视工程、通信工程等电子信息类专业的必修基础课程，该课程的教与学对于专业人才培养十分重要。《电磁场与电磁波》课程内容主要包括静态场、时变电磁场、平行电磁波、导行电磁波和电磁辐射等5部分，涉及矢量分析、微积分、微分方程等数学知识，与大学物理课程中的电磁学部分紧密相关，内容繁多而复杂。面对数学知识基础薄弱、大学物理知识不牢固的学生，采取规模较大的教学班组织教与学的效果十分不理想。在各类实验班教学模式改革的基础上，我校尝试着在小班教学中对《电磁场与电磁波》课程的教学模式和方法进行新的探索，对改善本课程的教与学效果具有重要意义。
2.《电磁场与电磁波》小班教学的探索
2.1 调整教学内容安排，灵活安排授课学期
由于《电磁场与电磁波》课程内容对《大学物理》、《高等数学》等课程的依赖性较大，课程的学习需要大学物理知识和数学知识的支撑[1]。因此，很多高校该课程的授课学期安排在第4或第5学期（大二下或大三上）。但是，一般说来，在整个大学四年的学习中，第4、5学期是学业任务最重的2个学期，难教难学的课程很多，客观造成了学生投入到《电磁场与电磁波》课程上的精力相对减少，学习效果不好。为了改变这一现状，在简单介绍矢量基本运算的基础上，重新整合教学内容，构建从现象到理论再到应用的层次显明的教学内容，形成以电磁现象及规律、电磁理论构架和电磁工程应用三大模块构成的课程体系，降低课程学习对《大学物理》、《高等数学》等课程的依赖，将《电磁场与电磁波》课程安排学期提前在第2学期（大一下学期），将极大的保证学生学习该课程的时间，为该课程学习效果的提高奠定基础。
2.2 小班教学，活跃课堂学习气氛
由于招生规模的扩大，目前高校课程的教学班规模也随之逐渐扩大。在我校《电磁场与电磁波》课程的教学班多是2到3个自然班构成，人数多时可达到100名以上。由于学生水平基础不同，在数学基础、学习能力和自觉性方面有较大的差异，因材施教十分困难。教师与学生互动较少，课堂气氛沉闷，难免造成教与学的乏味。可以预见，各类实验班小班教学的模式，将有力的改善《电磁场与电磁波》课程的教与学效果。目前我校各类实验班均采用小班教学的模式，人数为25人左右。小班的规模有利于老师熟悉每个学生的情况，便于因材施教，同时，有利于教师与学生的课堂互动，活跃课堂气氛，提升学生学习的兴趣，提高课程学习的效果。
2.3 分组教学，提升学习动力
由于课程内容的抽象性和理论性，学生对此课程的学习一般兴趣不够浓厚，该课程的挂科率、重修率一直较高。另外，多数教师采用的仍然是“填鸭式”、“灌输式”等传统教学方式[2，3]，限于教学内容与学生互动较少，课堂气氛沉闷，造成教与学的乏味，不易唤起学生的学习兴趣。在小班教学中根据人数，可将学生分成几个小组，每个小组4-5名学生。小组式的教学便于授课老师根据教学内容分配教学任务，便于学生通过搜集、分析资料和课堂分享的方式参与课堂教学，便于缓解理论课堂教学的乏味，提升课堂教与学的效果。
2.4 “问题式”与“探究式”教学相结合，提高学习效果
由于是小班安排教学，教师可以采用“问题式”与“探究式”教学相结合的教学方法，引导学生积极参与课堂活动。知识点的讲授分成3个阶段，第一阶段提出问题。教师根据内容，提出3-5个与知识相关的问题，引导学生去思考，调动学生的学习热情；第二阶段学生自学课程内容。学生根据教师提出的问题，短时间内自我学习教材内容，可在小组内讨论，初步理解、掌握知识点；第三阶段教师讲解知识点。教师根据学生对知识点理解和掌握的情况，有针对性的做出讲解，并辅以习题讲解、实例分析等，全面分析知识点。通过该过程，学生可以积极参与到课堂教学中，在“问题式”和“探究式”教学方式的引导下，充分调动自己的学习动力，变被动为主动，有利于课堂教与学效果的提升。
3.结束语
面对大班《电磁场与电磁波》课程教与学的困境，施行小班组织教学的模式将成为该课程教学发展的方向。在小班教学的基础上，通过教学内容的调整、分组教学和“问题式”与“探究式”等教学方法的综合应用，必将充分调动学生的学习热情，极大的改善课程教学的效果。
参考文献：
[1]潘长宁，何军，周昕，“电磁场与电磁波”与“大学物理・电磁学”教学衔接问题的探讨[J]，教育教学论坛，2015，3：159-160.
关键词：电磁场；电磁波；教学改革；仿真教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）15-0167-02
“电磁场与电磁波”课程是电子信息科学与技术专业和通信工程专业本科生必修的一门重要的专业核心基础课。该门课程的理论性很强，概念抽象，特别是电磁波部分的对学生的数学知识及其应用能力要求很高，所以“教”与“学”的难度很大，借助软件编程是行之有效的方法。
MATLAB科学计算软件因其编程高效、可视化好、交互性强、仿真逼真等优点，在大学教育和科学研究中的应用也日益广泛。我们在“电磁场与电磁波”课程建设中，在教学方法和手段上借助MATLAB软件进行了一些的改革与建设，取得了良好的效果。本文通过电磁波极化特性的实例介绍了MATLAB在电磁场与电磁波教学中的应用。
一、电磁波的极化特性
电场强度方向随时间变化的规律称为电磁波的极化特性。平面电磁波极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。两个相互正交的、频率相同、振幅不同、相位相同的线极化平面波，可以合成线极化平面波。
三、仿真结果
运行以上代码，可以得到在不同时间点上，电场矢量的端点合成运动轨迹，线极化、圆极化和椭圆极化分别如图1、图2和图3所示。图4为传播方向为x轴的左旋圆极化波，表示空间各点电场在不同时刻时的运动轨迹。
四、结论
通过以上电磁波极化特性实例的仿真，展示了MALTAB科学计算软件在电磁场与电磁波课程仿真教学中的应用，仿真效果表明MATLAB可以展现数学公式的物理图像，对复杂物理过程进行生动的仿真，并以图形和动画方式呈现，使物理过程变得直观、形象、更容易理解，也激发了学生的学习兴趣，提高课堂教学质量，取得了良好的教学效果。值得推广。
参考文献：
[1]杨儒贵.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2007.
[2]王家礼，朱满座，路宏敏.电磁场与电磁波[M].西安电子科技大学出版社，2003.
[3]肖汉光.《电磁场与电磁波》的课程教学研究与探索[J].教育教学论坛，2013，27（2）：49-50.
【关键词】电磁场与电磁波; 教学方法;教学改革
0 引言
“电磁场与电磁波”是普通高等院校本科通信工程专业的专业基础课程，一般是安排在大三上学期。通过学习，可以使学生应用电磁场的基本理论去分析工程电磁场以及相关领域的电磁场问题，为后续课程“微波技术”以及“天线工程”的学习奠定基础。然而“电磁场与电磁波”由于涉及到大量的物理以及数学知识，一直被认为是难学、难教的专业基础理论课。学生在学习的过程中对于大量的公式推导，显得十分枯燥，所以学生学习积极性不高，纯粹是为了考试而学习[1]。因此如何改变这种让人困惑的教学现状已经成为各个高校教学改革的重中之重。经过几年的教学和实践，本人在“电磁场与电磁波”教学方面取得了一定的经验，现从教学内容、教学方法和实验内容建设三个方面进行研究并给出一些改革的方案。
1 教学内容
我校通信工程专业开设了“微波技术”、“天线工程”以及“光纤通信”等专业课程，这些专业课程与“电磁场与电磁波”紧密相连，像“电磁场与电磁波”里面的时变电磁场、电磁波传播、导行电磁波、电磁波的辐射等内容都会对后期的专业课有着极其重要的作用，这时我们就应该要适当的调整授课重点，在这些内容上可以适当的增加内容;而对于静态场边值问题的求解不必要对每个公式进行详细的推导和说明，可以结合一些商业软件建模通过商业软件来计算和分析电磁场求解问题，这样既可以增加学生的兴趣也可以避免繁琐的公式推导[2]。对于后面章节像均匀平面电磁波的传播是电磁波传播部分的基础，可以重点介绍一下，可以结合生活中的例子来介绍电磁波的传播特性以及应用，比如天线的设计等。
2 教学方法
传统的黑白两书的板书式教学方式已近不适合当今多元化教学的需求，对于“电磁场与电磁波”这门比较抽象、复杂的课程，我们需要借助多媒体，通过形象的图片、动画来帮助学生来理解电磁场的概念性问题以及电磁波传播的特性，这些内容是板书无法带给学生的。但是单一的多媒体教学，如果老师只是对着多媒体读，那也同样失去了多媒体教学的优势，最好的办法是将板书式和多媒体式教学两者结合起来，在传统的板书教学基础上适当的增加一些关于电磁场与电磁波的形象动画，可能会达到更好的效果[3]。另外，可以在课堂上穿插一些商业软件的应用教学，如HFSS、ADS、FEKO等，让学生更加直观的了解工程电磁场的分析与应用，可以为学生在后期的课程设计以及毕业设计指定导向，也可以为将来从事电磁场微波技术以及天线设计掌握必备的技术手段。图1、2分别给出了采用HFSS以及ADS设计阵列天线以及Wilkinson功分器的界面。
3 实验内容
我校目前“电磁场与电磁波”实验教学在硬件和软件教学方面还有待提高，为了更好的使学生将课本知识与实践结合，不能只停留在MATLAB以及其它软件上进行仿真实验，还需要增加学生的动手能力，比如开展天线的实际研发、滤波器的设计等，通过设计制作这些器件，让学生在制作的过程中发现问题，并且了解一些常用器件的使用方法，如矢量网络分析仪的使用[4]。因此我们将在课程设计中设计一些题目，在学生完成建模仿真后，联系一些厂家或则研究所，由学生自己去制作实物天线并独立完成天线的测试，最终完成天线的设计与制作，如图3所示。
图1 HFSS商业软件设计界面
图2 ADS商业软件设计界面
4 结束语
“电磁场与电磁波”是通信工程专业非常重要的一门理论基础课，本文针对我校目前该理论课教学存在的问题，在教（下转第209页）图3 4G通信频段的笔记本天线
学内容、教学方法和实验内容三个方面做了研究，提出结合多媒体教学、商业软件教学以及实践操作等方法，不仅可以激发学生的学习兴趣，提高教学效果，而且还可以为学生下面的课程设计和毕业设计提供导向，为下一步深入学习“微波技术”以及“天线工程”等课程打下坚实的基础。
【参考文献】
[1]叶宇煌.“电磁场与微波技术”课程设置初探[J].高等理科教育，2003（1）：124-125.
[2]边莉，张起晶，刘鑫，等.电磁场与微波技术系列课程教学内容重构[J].电气电子教学学报，2013，35（4）：48-50.
关键词：电磁场与电磁波；电子信息工程；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）14-0227-02
一、引言
《电磁场与电磁波》这门课程是电类专业学生必修的技术基础课，是电气工程师必备的基础知识，而且《电磁场与电磁波》这门课程知识非常系统，学好这门课程对学生分析问题解决问题的能力有很好的训练作用，培养学生用数学方法解决实际问题的能力。电磁理论在我们生活中各个方面有广泛的应用，电磁场作为能量的一种形式，是当今世界最重要的能源，电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类社会和获取信息、探测未知世界的重要手段。但是要学好这门课程要求学生的数学基础要好，由于很多同学高等数学和数学物理方程的基础太差，导致他们在学习这门课程时难度很大，以至于大多数同学感觉这门课程太难，被同学们称为理工科学生的“四大名补”之一。实际上这门课程知识非常系统，掌握住课程的主线，掌握住解决问题的固定步骤，学习起来并不难。
二、《电磁场与电磁波》教学存在问题
目前我校电子信息工程和电子科学与技术两个专业开设《电磁场与电磁波》这门课程，安排的大三上学期，学生大一、大二两年学完了高等数学、大学物理、复变函数与积分变换、数学物理方程等课程，为学习《电磁场与电磁波》这门课程储备了一定的数学和物理知识。但是由于部分学生数学基础打得不牢固，而且又间隔了一年左右的时间，造成再用这些知识的时候不能得心应手。《电磁场与电磁波》这门课程理论性强、概念抽象、公式繁多，需要掌握的定理和定律20个以上，重要公式40个以上，这些公式和定理如果不掌握，《电磁场与电磁波》的题目就无从下手，而且教材上电磁场的基本规律都是严格意义上的数学推导而得到的物理场的数学规律，继而对数学物理模型的解析解和数值解进行定性、定量分析，最终得出电磁场的物理性质。在推导过程中，不仅要求具有基本的物理知识，还要能灵活地运用高等数学、复变函数和数学物理方程中的一些经典性的解法。此外，由于传统教学手段的限制，电磁场的三维特性和电磁波的波动性等抽象内容无法生动、形象地展示给学生，使得许多学生无法理解从这些模型中建立起来的许多概念，从而影响整个课程的学习。总体说来，这门课程对学生来说难度很大，造成学生缺乏学习兴趣，考试不及格率较高。
三、课堂教学改革探索
1.联系实际生活激发学习兴趣。这门课程的第一节课我都要先讲一个绪论，讲这门课程的用处，讲电磁场理论的发展历史，讲电磁场电磁波在生活中的应用。讲电磁场理论的发展历史的时候，讲到学生曾经在中学物理和大学物理中见过的很熟悉的名字，他们会觉得很有意思，名人重大发现的经历同时也是对学生的很大的激励。讲电磁场理论的应用时，讲到电话、电报、电视、广播、卫星通信、GPS定位、3D电影等技术，更是和我们的生活息息相关，同学们很容易产生浓厚的兴趣。讲到第二章中一节媒质的电磁特性时，我们生活中的电器微波炉就是利用电介质的极化特性实现食物的加热，理论联系实际一方面激发了学生的学习兴趣，另一方面加深了其对内容的理解。
2.及时总结发现规律。《电磁场与电磁波》里有太多的定理和公式需要记忆，这也是同学们学不好这门课程的重要原因，如果这些定理和公式根本都记不住就更不要提应用，大学生们到了大三，都对自己的将来有了规划――考研或者工作，考研的学生对考研的课程学习非常认真深入，其他课程过关就好，找工作的学生更多关注学什么能对找到好工作有帮助，考研的课程里面考《电磁场与电磁波》这门课程的专业很少，所以大部分同学学习这门课程的目的都是为了学分，不愿意下很大的功夫深入学习。所以要求老师对基础知识及时总结，通过不断地总结发现里面的规律。比如真空中电磁场的基本规律和媒质中电磁场的基本规律，方程的形式类似，有了这些基本规律得出麦克斯韦方程顺理成章。
《电磁场与电磁波》中的习题都有一定的难度，但里面都有规律可循，比如已知电荷分布求电场，经常要用到高斯定理，找到电场分布的对称性，找到高斯面，问题的求解迎刃而解。第五章均匀平面波在无界空间中的传播中，解决问题的时候也是，首先写出波函数的一般表达式，然后根据条件分别求出电场的振幅、初位相和传播因子，根据电场和磁场的关系求出相伴的磁场。
3.多媒体授课结合板书。电磁场的量大部分都是矢量，有大小又有方向，大小和方向随空间和时间变化，对矢量的数学处理复杂度远远超过标量，遇到矢量的面积分、线积分学生无从下手。教材中关于均匀平面波在无界空间中的传播、波的极化和驻波、行波等，对于学生来讲是很抽象和难想象的。利用多媒体课件具有生动、直观、形象的优点，以动画、图形的形式将抽象枯燥的内容变得形象生动，使复杂的物理过程变得更加简单直观，这样大大提高了学生的学习兴趣。多媒体授课作为一种新技术有很多的优势，每堂课的知识量大，授课方式较为单调。不知不觉老师就讲了太多的知识，学生长时间连续听讲，易形成枯燥的情绪和疲劳的心态，为缓解学生听课的紧张度和疲劳度，不仅要求教师授课运用丰富的教学技能和教学语言，同时也要求教师用课堂教学常用的示范法、教练法等各种教学技能去配合多媒体课件的使用。做好多媒体授课和黑板板书的合理结合。采用黑板板书的形式，板书课堂教学内容的框架及重点，同时为学生做好课堂笔记赢取时间。并通过生动、富有感染力的教学语言去激发、引导和配合学生的思维活动，既锻炼学生的基础思维，又注意培养学生的创造性思维和批判性思维。所以教师平时要注意加强形象化知识的积累，比如收集图表、动画，制作Flas，不断丰富完善多媒体课件。
4.多讲例题加深理解。电磁场与电磁波的基本规律、公式非常多，为了加深对公式的理解，应该多做题加深理解，每个知识点都选择典型的例题进行详细的讲解，并归纳出解题思路规律。例如为了加深学生对高斯定理的理解，这方面的例题一定要精讲，让学生通过电荷的分布形式找到电场分布的某种对称性，找到容易进行积分的高斯面，这类题目的关键是找到高斯面，通过解这类题目，学生更好地理解了电位移矢量对封闭面的通量仅仅和该封闭面所包含的电荷量有关。恒定磁场中的安培环路定理也是描述磁场的一个非常重要的规律，由电流的分布分析磁场分布的某种对称性，找到所要积分的环路，这一步是确定磁场的关键，通过积分确定磁场。通过解这类题目，学生更深刻地理解到磁场强度对闭合曲线的环流仅仅由该闭合曲线所铰链的电流决定。
另外，利用课外时间定期对学生进行答疑，电磁场电磁波教材的内容非常多，在课堂上能够讲的例题非常有限，基本上每个知识点最多1～2道，仅仅利用上课的90分钟要让同学们都理解很难做到，如果学生在课下看书或者做题是经常会遇到不会或者不懂的地方，如果不及时地解决，学生慢慢地就会掉队，导致最后放弃这门课程的学习。所以老师应该多抽时间采取各种途径及时解决学生的疑问，比如电话交流、网上交流或者电子邮件交流等等，加强师生之间的沟通，老师可以及时发现同学们的问题，了解他们的学习状态，鼓励他们好好学习，通过这样的沟通相信同学们学习这门课程的兴趣会更浓厚，老师也能在和同学们的交流中改进自己的教学方法，丰富自己的教学经验，更好地服务于学生。
5.尝试开设新实验。受实验条件的限制，大部分高校都没有开设相关的实验内容，我校开设的《电磁场与电磁波》课程54个学时，全部为理论学时，目前很多高校尝试开设《电磁场与电磁波》的实验。但是硬件实验设备大都为单台套，仅适合实验演示，实验过程程序化呆板，学生动手机会少，缺乏手脑互动，因此虽然投资大，但收益少。利用软件仿真可以实现“少投入，高收效”的建设目标，并能够激发学生学习热情和兴趣，促进学生自主分析、解决问题能力的培养；比如利用Ansoft Maxwell软件进行静电力、静磁力、电容、电感等的计算，并与理论结果相比较。学生可以通过仿真实验，学习边值问题的求解，学会如何加载源和边界条件，从而加深对电磁场的理解。Maxwell软件提供了非常形象直观的电力线分布和磁力线分布矢量图，学生可以通过自己设计的仿真程序观察到电磁场分布的情况。所以我们《电磁场与电磁波》课程建设的下一步的目标是增加课内实验内容，通过实验验证并巩固所学理论知识，激发学生的学习兴趣，进一步增强学生的创新能力。
四、结论
通过分析电磁场电磁波这门课程目前存在的问题，提出了几个教学改革探索的方向，通过联系实际激发学生的学习兴趣、及时总结发现规律、把多媒体教学和板书有机结合、多讲例题加深理解和开设实验，最终让学生能够愿意学习这门课程，并且能够学好这门课程。面对《电磁场与电磁波》这门公认的难教又难学的课程，我们要发挥知难而进的精神，多下功夫，多探索，多创新，相信功到自然成，有付出也必然有收获，用自己对待工作的精神感悟学生，所谓教书育人的道理就在这里。
参考文献：
[1]谢处方.电磁场与电磁波[M].第4版.北京：高等教育出版社，2006.
[2]丁兰，陆建隆.电子信息专业《电磁场与电磁波》教学内容体系结构改革的探索[J].菏泽学院学报，2010，（9）.
[3]刘万强，孙贤明，王海华.电磁场与电磁波实验教学的探索与实践[J].大学物理，2012，（12）.
关键词 电磁场与电磁波 课程教学探究 现代信息技术 整合
中图分类号：G424 文献标识码：A
1 省内外相关研究现状分析
“卓越人才培养计划”要求学校培养出基础扎实、知识面宽、创新实践能力强、具有社会责任感、团队合作精神和卓越人才培养潜质的优秀学生。对于我校电信、电科专业学生而言，最好的平台之一就是利用好每一年一度的电子设计竞赛和物理创新大赛。而要想在各类大型竞赛中获得成绩，学生必需要有扎实的理论知识。其中电磁场与电磁波是高等院校通信工程、电子信息工程专业的一门重要的专业基础课。如何上好这门基础课，给同学们提供扎实的理论指导，是卓越人才培养计划必然要求。信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，当代教育技术的发展，给电磁场与电磁波课程的学习带来新的春天。在新的教育理念下，探索信息技术与学科课程整合成为当前教育研究的一个热点内容。研究信息技术与电磁场与电磁波课程整合，对于整体优化教学过程，深化高等教育改革，增进学生的专业知识学习效果，提高学生的信息技术能力，培养学生的合作意识和创新精神具有重大的现实意义。作为一门探究性课程。我们将如何信息技术与电磁场与电磁波课程整合方面进行了初步的探讨。将“知识、能力、人格”的培养理念落实到具体教学环节中。推行启发式、探究式、讨论式、小制作等授课方式，将创新实践能力训练贯穿于课程教学之中。
2 课程教学改革研究对促进教学工作、提高教学质量的作用和意义探究
（1）作为一门探究性课程，电磁场与电磁波课程是通信工程、电子信息工程专业的一门重要的专业基础课。它以麦克斯韦方程为根本基础构建电磁理论的知识体系，它研究自然界中电磁现象和电磁过程。近年来材料、光子晶体等领域的理论研究和材料研发的突破给经典电磁理论带来了勃勃生机。
（2）另一方面，电磁场与电磁波课程对于学生的动手创造能力的培养遗迹从事相关科学研究都具有基础性的重要意义，对于学习其它相关专业（如通信技术、电力系统、电子技术、激光技术、光学工程等）的课程也有重要影响。
（3）以多媒体技术和网络技术为核心的信息技术在教育领域中的应用是教育信息化的重要标志。通过电磁场与电磁波课程的探究教学与当代信息技术的整合与深化，使学生掌握电磁场与电磁波课程知识所涉及的相关科学方法，有效提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，提高学生知识拓展能力和自我学习能力。
3 课程教学探究的实施方案
3.1 具体研究对象和内容
（1）我们将采用传统板书、电子课件、网络和视频多种手段结合。课内讲授与课外讨论和制作相结合、基础理论教学与学科前沿讲座结合，基本理论训练与科研实践训练相结合。（2）针对电磁场与电磁波是理论基础课的特点，课堂教学主要采用探究式课堂教学法：即每节课突出一个主题，讲清论透；每个主题，通过多种形式的师生互动，及时了解学生的疑难问题和创造欲望。（3）鼓励和指导有能力的学生提早进入科研实践训练、参加各类科技竞赛。将学生撰写课程小论文融入教学全过程，从中选出有质量的项目进入科研实践训练。构建多样化应用型人才，培养应用型、复合型、技能型人才，增强毕业生就业能力；完成本课的预期目的。（4）电磁场与电磁波也是一门实践性很强的课程，其研究对象——场是区别于实物的物质形态，具有抽象的特征。为避免课程教学的数学化，我们将充分应用当代信息技术的优势，比如说应用视频教学资料增强学生的感性认识和动手能力，同时反过来应用于当代信息技术，充分发展学生的物理思维和物理探究能力。（5）我们将充分利用好点子竞赛等创新平台，促进电磁场与电磁波的教学。
3.2 课堂教学改革研究拟达到的目标
在课堂教学中，突出学生的参与性，使他们主动获取而不是被动接受科学结论，强调思维互动，使学生感觉电磁场与电磁波发人深思，不难入门。作为电磁理论基础的麦克斯韦方程是从大量个体电磁实验总结而得的“共性”规律。同时，电磁场与电磁波与其他物理学分支也具有“共性”和“个性”的关系。针对这一特点，教学中注意引导学生“相似性形象思维”，开展“抽象思维”，促成“顿悟思维”。学生感觉电磁场与电磁波思路清晰，容易理解。激发学生学习兴趣，经常采用课堂讨论，由学生提问，在教师引导下大家讨论，总结得出准确认识。由于分析“电磁场和电磁波”要在多维时空中抽象思维，课堂教学充分使用多媒体，尽力使用图像和色彩搭配，使学生建立正确的物理图像。
3.3 课堂教学改革研究拟解决的主要问题
（1）突出科学性和探究性。电磁场与电磁波探究式教学，强调学生能力的培养。教学中遵循“物理现象的发现—物理现象的描述—物理过程的分析—结果验证与实验测量”，再现科学研究过程，突出物理学实验性的特征。教学中注意知识拓展，充分联系实际应用和现代科技发展，提高了学生学习兴趣和毕业生就业的适应性。（2）重视物理思维和学生能力培养。课程教学中锻炼“相似性形象思维”，提高“抽象思维”，促成“顿悟思维”。采用多媒体手段、有效使用图示，帮助学生正确建立物理图像，认识物理过程。提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。培养他们的科学创新能力。（3）推进个性化教育。探究式教学可以使具有不同基础的学生各有所获。课程网站的建立和电磁场与电磁波论坛的开通，也将有效推动个性化教育的实施。
4 课堂教学改革研究的特色和应用价值及推广
4.1 特色
（1）通过网络解答学生的问题，及时了解学生的创造欲望。（2）通过课外阅读、讨论与讲座扩展学生视野，引导学生了解学科前沿发展动态，将有些问题安排给学生进行课外阅读和讨论，提高学生独立分析问题的能力。
4.2 创新点
（1）网络与视频教学可以扩展学生自主学习空间，有些问题通过播放视频，让学生可以直观地理解电磁现象基本规律的内涵。（2）多种形式的师生互动，可以了解学生的学习与创造欲望。（3）科研实践训练培养学生的探索精神和创新能力，从学生课程论文中，挑选有质量的项目进入科研实践训练。 鼓励和指导有能力的学生参加各级科研训练项目与科技竞赛。
4.3 应用价值及推广
（1）当代教育技术中网络视频教学提供了传统教学中所没有的优势。通过播放演示实验中的与电磁场与电磁波现象相关的视频资料，学生可以直观地理解这些现象及其物理内涵。（2）任课教师通过课后答疑和讨论、电子邮件、学生QQ群，解答学生的问题，了解学生的创造欲望，指导有能力的学生开展科研实践训练、参加各类科技竞赛。这种教学方式不仅对提高学生的理解能力、动手能力、创新能力都有相当好的效果，同时也可以促进本课程的教学改进也很有益。（3）同时这种教学模式还可以推广到其他物理类基础学科，对于改变传统的教学模式，增强教学效果以及学生的动手能力和知识理解都有很好的借鉴作用。
电磁场与电磁波是物理学发展比较成熟的一门学科，从电磁理论发展史看，章章节节中渗透着科学家的成功思想和方法，让学生了解并学习这一点，对于培养学生学习方法，培养学生的物理直觉和科学素质是十分有益的，这也是本课程教学的一个目的。本课程教学的基本要求是：使学生系统而深入地掌握静电场和静磁场理论，掌握电磁波的传播和电磁场辐射规律，并能够熟练运用知识分析和解决相关电磁问题。
参考文献
[1] 吴海江.科学原创与科学积累[J].自然辩证法研究，2002.18（5）：42-50.
[2] 孙秀英.全国科技创新大会在京举行[N].人民日报，2012-07-08.
[3] 姜宇.在“电磁场与电磁波”课程中建立创新理念[J].电气电子教学学报，2009（1）.
关键词：电磁场；实验改革；仿真教学；开放实验室
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0182-02
“电磁场与微波实验”课程是本科通信专业学生重要的基础实验课程之一，电磁场理论数学公式繁多，概念抽象，电磁波看不到、摸不着，学生难以理解。在过去的理论教学实践中，单靠课堂讲解，很容易使学生失去学习兴趣，而且，不利于培养学生的自主学习能力和动手能力，因此其实验课程显得尤为重要。为适应这一教学需要，我们开设了涉及电磁波空间波长测量、极化和二次辐射等内容的实验课程，以电磁学基本定律为切入点，用场方程来描述场分布，重点反映空间交变场的一些最基本特性，加深学生对理论知识的理解，以实验反哺理论教学，培养通信专业学生具备从事天线、微波电路的设计、开发、调试和工程应用基本能力，培养学生的创新思维和探究意识，实现“让学生用实验的手段和方法研究电磁规律”这个总体目标。
一、改进实验教学方式
由于电磁场与微波类课程理论性强，要求学生具有较强的抽象思维能力，学生反映学习枯燥，因此，实验课程的开设难度较大。如何将看不见、摸不着的电磁场用形象生动的方式展现在学生的面前，让学生更好地掌握微波的基本知识和测量方法，是本门实验课程面临的最大挑战。经过多年教学实践，我们总结出两种生动、直观的教学方法，能充分调动学生的实验学习热情。
1.多媒体动画演示
教师提前准备好关于电磁场与微波理论相关知识的一些多媒体动画（视频或FLASH等），在开始实验前，给学生播放诸如电磁波的传播、驻波的形成、极化特性等动画（视频），直观反映电磁波的特点，将枯燥的电磁波理论变得生动，既能吸引注意力，又有助于学生对抽象基本概念的理解。
2.借助Matlab、HFSS等仿真软件
Matlab具备强大的计算、图像处理功能，在电磁场与微波实验的教学过程中，能发挥重要辅助作用。在做每个实验项目验前，可布置学生提前查找（或由教师直接给出）Matlab的代码，将软件仿真和硬件设备测试结合起来，既能软、硬件互补，深入理解实验原理，又能解决微波设备价格昂贵，台套数不足的难题。Ansoft Designer，Microwave，HFSS等电磁仿真软件，能从不同的角度模拟天线等电磁元器件的特性参数、场分布，为教、学都提供了有力的软件支撑。在仿真实验中，借助软件可再现电磁波的动态特性，包括：行波、驻波的三维动态模拟，波导中电磁波的传播和分布特性，偶极子天线的方向图分布等，通过仿真实验，使学生形象逼真地了解电磁波的空间分布和传播特性，达到硬件实验装置无法实现的目的。
目前，我院将微波分光仪、电磁场参数测量系统、射频参数测量系统三套硬件分别结合不同的软件，进行教学，学生对于电磁基本概念、传播特性、场分布等内容，变得不再抽象，由畏难变得充满兴趣，积极性得到很大提高，能积极思考、提问，并能利用课后时间对思考题进行软件测试，学生对此类课程的学习态度发生了极大转变。
二、改革实验项目及内容
“电磁场与微波实验”课程是学生理解电磁场与微波天线技术理论的重要途径，能有效弥补理论课堂讲授的不足，有助于澄清理论课程学习中的模糊认识认识，能形象、生动的丰富场类课程的内容。实验项目的改革将实现由单纯验证型向设计研究型转变，建立较完善的场类实验教学新体系，逐步增加综合型和创新型实验的比例，增设一些学生感兴趣并富有挑战性的实验内容。将电磁仿真技术应用于场类实验的教学中，将抽象的场问题形象化，能激发学生的学习兴趣，使学生成为实验教学的主体，做到“实践检验理论，理论指导实践，实验课程与理论课程相辅相成”。
1.对于验证性实验，在完成硬件实验的同时，增加软件仿真手段。通过硬件基础实验，学生可观察测量到电磁波波长、频率、波腹、波节、反射、衍射、偏振、极化等电磁现象，深入体会迈克尔逊干涉、布拉格衍射等电磁特性，能加深对电磁波空间传播特性的认识和理解。与此同时，由于电磁波看不见，摸不着，传播过程只能靠想象，引入Matlab软件仿真手段，将使电磁现象鲜活的呈现出来，一目了然。学生可以从程序代码和仿真结果图两方面与硬件实验结果做对比，并对结果进行各种函数后处理，得到所需的结果。例如电磁波的极化实验，硬件设备只能靠微安表感知是椭圆极化还是圆极化，引入Matlab程序，可直观的看到电磁波传播的过程、椭圆极化和圆极化的方向图，与冷冰冰的仪器数据相比，Matlab的图形具有更大的亲和力。
2.对设计研究性实验，采取分小组、分功能模块和电磁仿真软件（Ansoft Designer、HFSS等）总体设计相结合的教学方法。结合学时，将每批同学分为若干课题小组，每个小组3-4人，由每位小组成员分工完成各个软、硬件模块设计，进而组合成整体，完成整个大综合实验。例如做射频图像传输实验时，1人做射频前端发射机软件部分，1人做后端接收机软件部分，另外2人合力完成硬件部分实验，最终4人共同提交完整的实验报告。实验过程中，学生通过搜集资料，小组成员讨论，与教师讨论完成课题期间，软件参数、硬件传输等诸多问题需要不断调试，才能得到预期的目的。无论实验结果如何，这都能极大的锻炼学生发现、分析、解决问题的能力和团队合作能力。
传统“电磁场与微波实验”所开设的实验项目为7个硬件单元验证性实验项目，1个设计研究性实验项目。我们改革的做法是每个验证性实验项目配以电磁仿真软件程序，并在有限学时下减少2-3个单元性实验项目，增加1-2个综合性实验，减少实验个数，增加实验难度、深度和实用性，例如减少电磁波反射衍射、定向耦合器、振荡器设计等实验项目，增加发射机、接收机和天线设计等软、硬件设计，合并两次课时为一次（4个学时），以课题小组的形式各自分别完成一个大综合实验，从硬件和软件角度设计、完成实验，加大了实验难度，提升实验教学质量。
三、实验成绩考核要全面
实验课成绩着重考核学生对实验原理、内容的理解程度，考查学生的动手能力和分析解决问题的能力。因此，成绩评定应看重学生的实验态度、软硬件能力、实验数据、误差等几个方面，总体上呈现出两头小、中间大的正态分布趋势。
1.预习情况
引入“仿真实验”的教学方式，有效弥补了课内学时不足，将学生预习情况按比例记入总成绩，提前给学生布置下一次实验的任务，鼓励学生利用课余时间钻研，预习实验原理，建立好仿真软件的模型，预料在实验室里可能会出现的问题，明确需要验证、观测的现象、参数，明确实验目的。
2.实验过程
教师指导实验教学按互动研讨的方式实施，鼓励学生勤思考，多提问，分析在软件设计和硬件调试测量过程中出现的问题，记录自己的心得体会，重点考察学生分析问题和解决问题的能力。教师根据学生的分析问题的能力和动手解决能力评定成绩，一是考核学生对一些常用仪器设备（示波器、选频放大器等）的熟练使用程度，二是实验数据的准确度，按一定比例记入总成绩。
3.实验报告
实验报告应占总评成绩的50%以上，是学生对实验过程的全面总结，尤其是实验数据的准确记录和思考题的认真程度，反映出了学生做该次实验的体会和质量，所以要求学生不只是完成作业，还需把实验报告当作一次科技论文写作训练，力求数据严谨，概念准确，分析合理，文字简明流畅，这对于培养学生具有严谨的科学作风，良好的职业习惯，扎实的科技论文写作技能方面，都有良好的效果。
4.教学相长
在实验过程前、后，鼓励学生勤思考，多提问，鼓励学生对课程内容和教师授课提出有创新性、建设性的意见，适当记入总评成绩。
四、建立开放实验室
实验课学时不足，这是各高校实验教学面临的一个共同的难题。由于微波设备台套数的限制，学生分组完成“电磁场与微波实验”课程中的综合性、设计性实验时，往往感觉“一次实验2个学时”时间不够，如发射机、接收机实验，需要首先完成HFSS软件设计，再进行硬件的测试。显然，2个学时的时间不够，因此实验室采取开放的方式，方便学生根据自己的时间自由进入实验室。教师在制定教学方案时，可设置2-3个综合性、设计性实验项目为学生自主实验，学生实验前先查阅资料，设计好方案， 按2-4人为一个课题组，经指导教师审查实验方案、可行性后，在实验室开放的数周时间内，自由安排时间进入到开放实验室进行硬件设计、软件编程、系统调试和撰写报告等。
开放实验室使“电磁场与微波实验”课程弹性空间增大，让学生由“被动学习”转向“主动学习”。由于学生可自主安排实验内容，自由选择实验时间，使学生有充分的时间和自由度安排实验内容，极大的调动了学生的学习热情。实践证明，推行实验室开放制度以来，综合性、设计性实验项目比在规定时间内完成的质量高、效果好，学生普遍感觉收获很大，甚至有许多同学将历年的电子设计大赛题目拿到开放实验室里来做，极大锻炼了学生的动手能力，取得很好的收效。
“电磁场与微波实验”课程教学改革旨在解决电磁场理论教学中抽象与具体的矛盾，在熟悉电磁仿真软件的基础上，锻炼学生工程应用中的硬件动手能力。实验课堂有效补充了理论课的动手环节，融知识学习与能力发挥为一体，充分激发了学生的学习热情和兴趣，促进了学生自主分析和解决问题的能力，培养出了大批既懂场理论，有熟悉现代电磁设备的高层次人才。目前正值4G通信大发展的契机，我们在实验教学过程中，应密切围绕课程知识重点，切实提升实验教学质量，为培养学生动手解决实际问题和独立工作能力奠定坚实的实践基础。
参考文献：
[1]杨军，等.面向创新实践的“计算机系统结构”教学改革探索[J].计算机教育，2009，（8）.
[2]凌丹，王蔷.电磁场与微波实验教学的改革[J].实验技术与管理，2010，（9）.
[3]黄冶，张建华，戴剑华.电磁仿真在场类实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2012，（4）.
电磁理论在广播、电视、无线通信、雷达、导航、无线网络及家用电器、自动控制、仪器仪表等领域得到了广泛应用。《电磁场与电磁波》是电子信息工程专业重要的基础课，其讲述电磁场与电磁波的基本原理和分析计算方法，为在通信技术的研究和应用中解决实际的工程问题打下牢固的基础。因此该门课程的基本概念和理论，是本专业人才培养所需知识结构的重要组成部分。
《电磁场与电磁波》课程主要涉及电磁场源与场的关系，电磁波在空间传播的基本规律，电磁波的产生、辐射、传播，电磁干扰，电磁兼容，以及电磁理论在各方面的应用，等等。
1.公式多，推导复杂。
如矩形波导中场矢量E和H的个分量的推导，是基于三维矢量偏微分方程组导出的，对于不同媒质和不同坐标系场量的描述方程也不相同，而且求解一个场量需要解一组方程。
2.概念多、抽象，难以掌握。
电磁场与电磁波是在大学物理电磁场基础上拓展出来的一门基础学科，包括很多新的概念、定律、公式，如静电场的电容系数、自分布电容、互分布电容、矢量磁位、标量磁位、镜像电荷、格林函数、有限差分法等，而且这些概念的出现还伴随着复杂的计算公式，不管是理解、记忆、掌握，还是具体运用，都有一定的难度。
3.涉及的知识点多。
该门课程所需的前导课程有：大学物理、高等数学、矢量分析与场论、数理方程与特殊函数、信号与系统［1］，甚至还有部分研究生课程内容，如数值分析等，这些复杂的数学推导和计算通篇贯穿了整个教材。
少数学生由于前导课程，特别是数学基础不牢固，造成学习困难，无法进行深入理解，课本上繁多的公式也给很多学生的学习带来较大的困难，使得学生产生畏难情绪，有些干脆直接放弃了对该门课程的学习。其结果导致考试及格率偏低，成为专业课程学习的一个“拦路虎”。
二、《电磁场与电磁波》课程教学改革探索
基于以上特点，我根据自己多年讲授该门课程积累的一些心得，对该门课程的教学作了一定的探索和改革，现阐述如下。
1.明确教学大纲，梳理教学内容主线，做到有的放矢。
《电磁场与电磁波》的教学大纲明确要求学生掌握宏观电磁场与电磁波的基本性质和规律、工程应用的基本分析和计算方法，能对工程中的电磁场与电磁波问题进行初步分析，能对一些基本的、简单的电磁场与电磁波物理问题建立数学模型进行计算，更深入地了解电磁信号传输的本质。根据教学大纲的要求，我将《电磁场与电磁波》课程划分为三方面的内容：电磁场、电磁波和电磁工程，围绕这三方面内容梳理了三条主线。
（1）电磁场
以麦克斯韦方程组为主线，将电场与磁场串并起来。如表1所示。
从上面的概要可见，麦克斯韦方程组高度地概况了电场、磁场的基本性质，以及电场和磁场之间相互激励的普遍规律，是电磁场的核心和灵魂。
（2）电磁波
以波动方程为主线，这样可承接前面的麦克斯韦方程组，通过麦克斯韦方程组变换出无源波动方程，求解波动方程在均匀平面波情况下的解，即可得到均匀平面波的场矢量表达式，进而建立起一系列关于电磁波的相关概念。
（3）电磁工程
以传输线为主线，用等效电路的分析方法可得出TEM波的传输线方程；用场的分析方法，将波导系统等效为传输线，可得出矩形波导的传输特性［2］。通过传输线这条主线，使场与路得到有效统一。
在全课程中通过这样几条主线的穿针引线，学生对这门课的学习具有了系统性和连贯性，而不是断断续续、似懂非懂的零散印象。
2.不断完善教学方法和手段，重视学生能力培养。
（1）植入职业教育“行动导向”教学法，加强师生互动，激励学生自主学习。
所谓“行动导向”的教学，其基本意义在于［3］：学生是学习过程的中心，教师是学习过程的组织者与协调人，遵循“咨询、计划、决策、实施、检查、评估”这一完整的“行动”过程序列，教师可根据实际教学情况，采用“行动导向”教学中的多种教学法，在教学中与学生积极互动，教学不再是教师一个人的独角戏。比如，围绕电磁波在不同媒质中的传播特性，给每组学生一个任务或专题，让学生通过“独立地获取信息、独立地制订计划、独立地实施计划、独立地评估计划”，在自己“动手”的实践中，深刻领会和掌握电磁波在不同媒质中的传播特性。教师只在旁边观测或答疑，并不主动参与，这样既能使学生积极开动脑筋，用已学的知识向纵向和横向进行探索，不断地对知识点进行综合归纳、联想类比、实现知识点和分析方法的触类旁通［4］，同时，教师又可以通过这样的互动，及时地与学生沟通、交流，并不断鼓励、赞扬学生，使学生获得尊重和理解，具有成就感，进而逐渐形成良好的互动，激发学生自主学习的动力。
（2）充分利用媒体技术，强化教学手段。
鉴于该课程的抽象性，如果没有运用类似Matlab这样的仿真软件来辅助教学，效果可能会有折扣。如波导中TE模、TM模的场结构和电流分布图等［5］，这些图形无法用语言来表达清楚它本身的含义，那么必须借助多媒体教学，通过诸如Matlab之类的仿真软件的演示，能获得直观的效果，那么一定会激发学生的学习兴趣，增强学生对这些概念的理解能力，加深学生对知识的印象，提高学生的学习效率。可设计一些基于Matlab或HFSS9．2的实验任务，如某一时刻天线右旋圆极化的场强在空间分布图等，针对基础较好的同学，让他们自己参与进来设计，不仅使学生对右极化波理解加深，而且将进一步提高学生的编程能力，提高学生学习的兴趣。
（3）采用板书辅助教学。
《电磁场与电磁波》课程有大量的公式推导，采用板书教学，可抓住学生的注意力，逐步深入理解，循序渐进，实现学生思路和教师思路同步，增强教学效果。
（4）开设网上答疑，加强课后辅导。
该课程的习题难度较大，如不及时进行课后辅导，学生有什么问题不能得到及时解决，无疑会降低学生的学习热情，丧失学好该门课程的信心，同时，也会养成消极、懈怠的学习习惯。可以QQ群的形式在群里答疑，将每章典型的难题和学生共同的问题在群里讲解，或以电子邮件的方式，对部分学生侧重辅导，针对个别程度较差的学生，课后及时询问，掌握其学习动态，及时弥补其薄弱环节。
3.结语
总之，在《电磁场与电磁波》课程教学中，教师一定要明确该课程的教学大纲，根据该课程的特点，紧抓住教学主线来组织教学，注重各部分的内在联系、区别、因果及内涵；注重教学方法及手段的完善，用心了解学生和课程，充分地利用现有的媒体技术条件，精心安排和组织，注重联系实际和创新，这些是提高《电磁场与电磁波》课程的教学质量，激励学生学好该门课程的有效手段。
参考文献：
［1］刘学观，郭辉萍.电磁场与电磁波课程体系规划研究［J］.电气电子教学学报，2006，（6）.
［2］郭辉萍，刘学观.电磁场与电磁波［M］.西安电子科技大学出版社，2003.
［3］姜大源.职业教育学新论［M］.教育科学出版社，2007.
［4］李文翔，熊庆国.“电磁场与电磁波”课程教学方法改革研究［J］.中国冶金教育，2007，（6）.
关键词：教学改革；电磁仿真；XFDTD；Matlab
DOIDOI：10.11907/rjdk.161934
中图分类号：G434
文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2016）011021204
0 引言
1873年麦克斯韦尔提出了著名的Maxwell方程组，并预示了电磁波的存在。1888年，赫兹通过实验测量证明了电磁波的存在。20世纪初，意大利发明家兼商人马尔可尼用简单的无线电收、发装置实现了跨大西洋的简单电报传输，开辟了无线通信广阔的应用前景。随着电磁场与波在雷达、通信、导航、遥感、医学、空间等领域应用的不断深入，电磁场与波技术在高等院校电子信息类学科发展和学生培养中的作用日趋重要[1]。《电磁场与波》课程是电子信息类专业必修的专业基础课，更是后续课程《微波技术》、《天线与电波传播》、《移动通信技术》的基础课 [2]。
《电磁场与波》的前修课程是《大学物理》和《高等数学》，其课程特点是概念抽象、理论深奥、计算复杂、公式繁多，具有“学生难学、教师难教”的特点[3]。由于电磁场与波看不见摸不着，传统的教学模式又是学生被动接受知识，从而使学生更加难以理解和掌握电磁场与波理论。为了使学生直观、生动理解电磁场模型，很多高校加入了实验教学环节。但就“场”类的硬件测量实验来说，实验配套设备昂贵、仪器操作复杂，使用不当可能造成较大的经济损失[4]，且“场”类实验需要专门的测试场地，如微波暗室。有些高校不具备这样的实验条件，即使有微波暗室，也很难在微波暗室中给本科生开设实验课。因而 ，“场”类硬件测量实验在很多高校中要么不开设，即使开设的也是一些非常简单的实验，很难满足学生对电磁场与波的深刻理解要求。为了解决这些难题，借助于目前先进的商业电磁仿真软件，设计出和课程相对应的仿真程序，使电磁场与波原理通过图形甚至动画形式呈现出来，学生目睹电磁场与波的传播过程，提高对电磁场与波的理解。另外，由于许多高校进行了教学改革，专业基础课课时不断压缩，《电磁场与波》的教学课时相应减少，这对教师和教学内容提出了更高要求。电磁仿真演示型实验信息量大、易被接受，能够在一定程度上解决课时不足的窘境[3]。不仅如此，目前利用电磁仿真软件对微波、毫米波工程的设计与仿真已成为潮流。在《电磁场与波》课程中引入电磁仿真软件，可以让学生感受电磁仿真软件的功能与效果，在以后的学习和应用中，有选择地使用其中一种作为解决电磁问题的手段。为了培养既懂“电磁场与波”，又熟悉电磁仿真软件的高层次人才，在教学中引入电磁仿真软件辅佐理论教学势在必行。事实证明，只有不断探索“场”类实验课程教学的新模式、新方法，以培养学生创新精神、团队意识和实践能力为重点，加强学生解决实际问题和独立工作能力的训练，才能为学生继续深造和未来任职奠定坚实的基础[3]。
1 仿真实验平台
1.1 XFDTD软件
XFDTD是基于时域有限差分（Finite-difference Time-domain，FDTD）方法的全波三维电磁仿真软件，是美国REMCOM公司开发的软件包核心产品之一。FDTD是直接对Maxwell方程的微分形式进行离散的时域方法，能解决复杂精细结构和电大尺寸天线及阵列设计、电中小尺寸的天线布局问题等。FDTD方法计算复杂度低，所需内存和计算时间与未知量成正比，仿真复杂结构效率高。相比于Ansoft公司推出的HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件，XFDTD在仿真电大尺寸、解决宽频瞬态问题等方面更胜一筹。在《电磁场与波》课程中，电偶极子及对称天线在远区场的辐射分布、均匀平面波在多层媒质中的传播过程等都无法在HFSS软件中仿真。但在XFDTD软件中，不仅能得到定量结果，还能看到电场、磁场或者电流等各个场量在空间的辐射过程。对于类似矩形波导这样的微波元器件，不仅能在HFSS软件中仿真，还能在XFDTD软件中仿真。因而，本文选用XFDTD作为电磁仿真软件进行仿真和分析。
1.2 Matlab软件
Matlab是Math Works公司研发的一款用于科学与工程计算的软件工具，具有强大的矩阵运算、数据处理和图形显示功能。Matlab拥有大量简单、灵活、易用的二维、三维图形函数以及丰富的图形表现能力，方便各种科技图形的绘制[5]。在很多论文中，直接利用Matlab进行编程，对电磁场与波中的一些电磁现象进行计算和绘图，得到形象、直观的电磁波传播过程[67]。本文先利用XFDTD软件仿真电磁模型得到仿真数据，然后利用Matlab对这些数据进行处理，得到想要的结果。这样处理的目的有三：①更易仿真复杂的电磁模型。Matlab毕竟是程序语言，面对复杂问题的处理能力和速度没有仿真软件强；②虽然电磁仿真软件也能得到图形，但形式单一。为了得到更多的图形，就必须把仿真数据输出，然后再利用绘图软件进行绘图，Matlab正好满足这种需求；③学习电磁仿真软件，可为今后的电磁工程设计和仿真打下基础。
2 仿真实验教学实例
以对称天线和矩形波导这两个典型案例作为仿真对象，演示第1节提到的实验方法，查看实验结果，判断本文方法的准确性和合理性。
XFDTD商用软件基于FDTD，在建模时要设置以下内容：①创建仿真模型，并指定媒质材质；②网格剖分，保证仿真稳定性；③激励源的设置，有电压源、波导界面、外部激励等；④边界条件设置，有PEC边界、PMC边界、PML边界、Liao边界等；⑤设置收集数据的Sensors，有近场Sensors、远场Sensors等，还可设置收集点数据、面数据、体数据；⑥全部设置完后保存，即可进行仿真；⑦仿真后查看结果，结果是数值、图形或者动态图形。有些结果可直接输出，有些是一些数据，可以保存下来再通过绘图程序显示。
2.1 对称天线方向图
对称天线是最常用的线天线类型之一，由一根中心馈电的直导线构成。假设对称天线的长度为L，和工作波长处于相同数量级，本文中假设L等于两倍的工作波长。馈电口间隙很小，可近似认为等于零。对称天线如图1所示。
以对称天线的中心即馈电点为原点，z轴与该天线的轴线重合。当在天线的馈电口输入电磁能量时，天线将产生感应电流，这个电流在天线的两个开路端上应为0，其分布规律可近似表示为：
在XFDTD软件中，先设定工作频率为2GHz，对应的工作波长为15 cm。创建Wire Body模型，即对称天线，天线的总长度为30 cm，即两倍工作波长，中间留一定间隙用于馈电。新建Materials-Perfect Conductor，即理想导体媒质。把设置好的材料拖到Wire Body上，即可设定对称天线的材质是理想导体。设置Waveforms的Type为Sinusoid，即正弦函数。设置Outer Boundary为PML Absorbing，设置边界条件为7层的PML。由于默认的网格设置能满足要求，所以不作任何修改。馈源设置最重要，选用Circuit Components，打开界面后，设置馈源的起始点和终止点，并设置Component Definition为50 ohm Voltage Source，即可完成馈源设置。因要收集对称天线远场特性，所以选择Sensors中的Far Zone Sensors，根据需要设置参数。所有的模型和参数设置完成后，保存工程，然后进行仿真Simulations。仿真完成后，可在Results中查看结果。结果中包括对称天线的远场特性Far Zone Sensor、馈源参数Feed、天线系统参数System等有关结果。所得结果不仅包括数值、二维图像、三维图像，还能动态演示场量的变化过程。因篇幅限制，下面只给出了E面、H面方向性图，如图2所示。其结果和教材[8]上通过解析计算得到的结果一致。
2.2 矩形波导场分布
矩形波导是截面形状为矩形的空芯金属管，其结构如图3所示。矩形波导是最常见的波导，a、b分别为内壁的宽边和窄边尺寸。矩形波导的管壁材料是金属，求解时可认为是理想导体，波导内填充的介质可认为是理想介质。电磁波只有在满足传播条件时才能在波导内传播，即和电磁波的工作频率、矩形波导尺寸以及模指数都有关。当这些参数发生变化时，传播的模式也会随之改变。大多情况下，不管波导内是单模传播还是多模传播，都想得到单个模式的传播特性和场结构。据此，通过XFDTD仿真得到国产BJ-100型号波导内TE10模的场结构。
对于BJ-100型号波导，宽边a=22.86 mm，窄边b=10.16mm，波导内媒质为空气。设置工作频率为15GHz，工作波长为2cm。根据工作波长
为验证XFDTD方法的准确性，根据教材[8]提供的解析法，利用Matlab编程，也得到了TE10模的场分布，如图5所示。
对比图4和图5，可以得知周期和变化规律是一样的，只是初始相位略有不同。解析法中设置初始相位为零，而在XFDTD中则不然。
3 结语
本文提出了利用电磁仿真软件设计《电磁场与波》课程中典型例子的方法，得到二维、三维及动态图形，形象、直观地演示了电磁波在媒质或传输线中的传播过程和分布情况，把深奥难懂的理论知识通过图像的形式表现出来，激发了学生的学习热情，促进充分了解课程内容精髓，深刻理解课程内容，从而为今后的学习打下坚实基础。学生对电磁仿真软件和Matlab语言有所了解和掌握，拓展了知识面，为培养宽口径、高素质人才打下基础。
参考文献：
[1] 凌丹，陈文华. 电磁场与微波实验教学的探索与实践[J]. 实验室研究与探索，2014（33）：210213.
[2] 黄麟舒，柳超，项顺祥. 《电磁场与电磁波》与《大学物理・电磁学》的教学比较研究[J]. 软件导刊：教育技术，2013（5）：1617.
[3] 黄冶，张建华，戴剑华. 电磁仿真在“场”类实验教学中的应用[J]. 实验室研究与探索，2012（4）：322326.
[4] 戴晴，黄纪军，莫锦军. 现代微波与天线测量技术[M]. 北京：电子工业出版社，2008.
[5] 张量，孔勐，陈明生，等. 《电磁场与电磁波》课程实验教学研究[J]. 合肥师范学院学报，2013（31）：7375.
[6] 梁振光. MATLAB在《电磁场》教学中的应用[J]. 电气电子教学学报，2004（26）：105106.
购物车(0)
