“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(jié)合尤為重要。針對“電磁場與電磁波”課程特點和實驗教學現(xiàn)狀，論述了電磁場與電磁波實驗教學原則，重塑人才培養(yǎng)方案，提出構(gòu)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(jié)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(shè)計思路及開展過程。教學實踐表明，該舉措大大激發(fā)了學生的學習興趣，加深了學生對相應(yīng)知識點的理解，提高了實驗教學效果。

［關(guān)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(zhì)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(zhì)量工程課程建設(shè)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(shù)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(shù)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(wǎng)電對抗指揮與工程、信息對抗技術(shù)和偵察情報等專業(yè)本科學員的一門重要的學科專業(yè)基礎(chǔ)必修課程。該課程是在大學物理電磁學的基礎(chǔ)上加上場論數(shù)學這個強有力的工具構(gòu)成的，系統(tǒng)闡述了宏觀電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律和基本分析方法，為后續(xù)“天線與電波傳播”“微波技術(shù)”“光電原理”等課程提供了必要的知識和能力儲備，在數(shù)理基礎(chǔ)和工程技術(shù)之間起到重要的橋梁作用。

信息時代，電磁場與電磁波的應(yīng)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(shù)的理論基礎(chǔ)，是發(fā)展電磁效應(yīng)相關(guān)領(lǐng)域高新技術(shù)不可或缺的本源知識。電磁場理論以優(yōu)美的數(shù)學形式反映了電磁場的統(tǒng)一本質(zhì)，是物理規(guī)律與數(shù)學語言的完美結(jié)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(tài)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(shù)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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)。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(guān)的特性表現(xiàn)出來，達到改善教學效果的目的，使學生理論與實踐結(jié)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(yīng)重視實驗教學與理論教學的有機結(jié)合。如何開設(shè)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(xiàn)狀

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

2018年8月，教育部發(fā)布的《關(guān)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(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質(zhì)量。要以學生發(fā)展為中心，以學生綜合能力和全面素質(zhì)發(fā)展為課程設(shè)計的出發(fā)點，通過教學模式的創(chuàng)新，使課程達到高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度（“兩性一度”）。顯然，現(xiàn)有的實驗教學全是驗證性的仿真實驗，實驗條件設(shè)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(yǎng)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(yīng)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(dǎo)致學生課堂參與度不夠，學習興趣不高。素質(zhì)教育理念下，提倡學生與教師是教學中的雙主體，教師應(yīng)尊重學生的主體性，立足于學生發(fā)展需要，根據(jù)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(diào)動學生學習積極性、發(fā)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(yīng)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(zhì)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(dǎo)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(dǎo)向，實現(xiàn)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(yīng)依托理論教學。作為完善理論教學的重要環(huán)節(jié)，實驗教學與理論教學應(yīng)實現(xiàn)深度融合，達成對學生綜合能力的培養(yǎng)。以往的實驗教學中，實驗教學內(nèi)容的設(shè)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(yǎng)和高級思維的訓(xùn)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(yīng)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(yǎng)質(zhì)量［3］。

三、具體改革措施

（一）重塑培養(yǎng)方案

2017年7月，習近平主席致訓(xùn)詞強調(diào)，國防科技大學是高素質(zhì)新型軍事人才培養(yǎng)和國防科技自主創(chuàng)新高地［4］?？梢?，培養(yǎng)一流專業(yè)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(wù)，而實現(xiàn)這一目標的重要途徑就是緊緊把握國際工程教育發(fā)展趨勢，不斷提高本科教育和人才培養(yǎng)質(zhì)量。為此，學校以對接國際一流為目標，以提升教學質(zhì)量為中心，以教學方法改革為突破，以教學基本單元建設(shè)為基礎(chǔ)，以能力培養(yǎng)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(yǎng)方案。我院在現(xiàn)有課程實驗的基礎(chǔ)上，對標新版人才培養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)內(nèi)化到課堂教學中［5］。

（二）構(gòu)建多元化實驗教學體系

驗證性實驗旨在培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)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(yǎng)都存在差距。

綜合性實驗旨在培養(yǎng)學生建立模型、對不確定性因素分析、查詢相關(guān)書刊或電子文獻、整體思維、解決問題時妥協(xié)、創(chuàng)造性思維、技術(shù)協(xié)作、系統(tǒng)建模并確保目標可實現(xiàn)、設(shè)計過程、知識在設(shè)計中的運用、軟件實現(xiàn)過程、運行的設(shè)計和優(yōu)化、系統(tǒng)改進和演變等方面的能力。綜合性實驗提高了實驗環(huán)節(jié)的挑戰(zhàn)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(xiàn)、實現(xiàn)結(jié)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(gòu)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(jīng)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(jié)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(shù)，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(nèi)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(fā)了他們的學習興趣。其次，引入現(xiàn)代計算工具Matlab設(shè)計一個綜合性實驗。Matlab是MathWorks公司研發(fā)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(shù)據(jù)處理和圖形顯示功能。讓學生編程實現(xiàn)動態(tài)電磁場的運動規(guī)律，將抽象的電磁場運動規(guī)律利用Matlab形象化、可視化，化抽象為具體、化枯燥為生動，激發(fā)學生學習興趣的同時，提高了學生對Matlab工程軟件的實際應(yīng)用能力［6］。由易到難，構(gòu)建符合學生認知規(guī)律的教學體系，循序漸進，徐徐展開。

（三）綜合性實驗設(shè)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(shè)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(tǒng)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(zhì)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(yù)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(shè)計了“基于FDTD算法的不同媒質(zhì)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(chuàng)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(zhì)中的傳播特性、平面波遇到不同媒質(zhì)分界面時的傳播規(guī)律。此外，還可以將理論知識與工程實際相結(jié)合，通過材料設(shè)計實現(xiàn)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(tǒng)領(lǐng)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(xiàn)得淋漓盡致。在實驗過程中探索不同傳播環(huán)境及不同媒質(zhì)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(yīng)用。

設(shè)計綜合性實驗代替驗證性實驗，不但豐富了實驗教學內(nèi)容，也提升了實驗環(huán)節(jié)質(zhì)量。提高實驗環(huán)節(jié)的挑戰(zhàn)度，要求學生必須通過查找資料、學習新知，主動發(fā)現(xiàn)問題、動手解決問題，真正做到了學以致用，為后續(xù)培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力奠定良好基礎(chǔ)。

（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(chǔ)，因此，實驗教學開展前，教師先給學生推送Matlab軟件的相關(guān)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(guān)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(chuàng)建電磁波傳播模型，邊講解邊演示。在此基礎(chǔ)上，以問題為導(dǎo)向，引發(fā)學生思考，教師發(fā)揮引領(lǐng)作用，學生可以采取小組合作的方式，根據(jù)實驗要求自己動手編程完成更具“高階性”和“挑戰(zhàn)度”的實驗任務(wù)，最后以小組為單位現(xiàn)場匯報實驗結(jié)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(xiàn)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(jié)講評。這可以作為評定學生實驗成績的重要依據(jù)之一。對于能力較強的優(yōu)秀學生，通過綜合性實驗的學習和思維訓(xùn)練，可以培養(yǎng)他們自行設(shè)計實驗并優(yōu)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(jié)語

針對“電磁場與電磁波”課程實驗設(shè)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(yǎng)均存在差距等現(xiàn)狀，構(gòu)建多元化實驗教學體系，優(yōu)化“電磁場與電磁波”實驗教學內(nèi)容，設(shè)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(zhì)培養(yǎng)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(nèi)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(fā)了學生的學習興趣。同時，提高了學生對工程軟件的實際應(yīng)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(yǎng)為核心。實踐表明，教學效果良好。

參考文獻

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［3］張鑫.電磁場與電磁波實踐教學研究［J］.中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)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.

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［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(yīng)用［J］.實驗室研究與探索，2010，29（2）：110-112+195.

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

［8］代秋芳，王衛(wèi)星，劉洪山，等.“電磁場與電磁波”實驗課程建設(shè)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