電磁場范文10篇

1課程現狀

電磁場與電磁波課程是安徽三聯學院通信工程和電子信息工程2個專業的一門公共專業核心課，還是多個學科的交叉融合點．前修課程有高等數學、大學物理等（見圖1），這些課程對本課程的學習起著基礎鋪墊作用[3]．后續課程有射頻通信技術、移動通信技術、光纖通信技術和無線通信技術等，這些課程內都有本課程基礎知識的具體應用，為后續課程提供了理論和實踐的支撐．1.1課程內容．該課程的理論學時為32學時，主要的教學內容包括：（1）掌握靜電場和恒磁場的基本性質和基本方程；（2）要求學生正確理解和掌握麥克斯韋方程在時變場和電磁波基本性質及規律分析中的應用；（3）掌握電磁波在空間中輻射的基本規律；（4）學生能夠運用所學的知識對電磁場與電磁波的一般應用問題進行綜合分析和簡單計算[4]．1.2學情分析．（1）已掌握的基礎知識：已經掌握高等數學的基本方法，具備矢量微分運算能力；已經學習了大學物理中電磁學部分，知道電生磁和磁生電的基本知識．（2）學生的特點：對移動教學的學習充滿興趣，易于接受視頻、圖像信息；自學為主、點串為輔的大學學習模式還沒有深入人心．（3）認知結構：對如何解釋宏觀的電磁現象，也就是產生電場和磁場的源到底有哪些，學生的認識還很模糊，同時對理論的應用還存有疑問．

2混合式教學模式改革思路

2.1結合物理模型的教學．關于梯度和方向導數的關系問題可以引導學生結合自身爬山的經歷進行理解，所謂梯度的方向是在給定點處令方向導數的值增加最快的方向[5]；或者說在給定點處朝梯度方向運動，方向導數的值將變化的最劇烈．最大的變化率，也就是斜率等于梯度的模長．如果把方向導數看作爬山，方向導數上的給定點是你站立的位置，那么梯度方向就是向上爬山時最陡峭的地方，梯度垂直方向就是站立點的等高線．在等高線上，梯度總是指向值最大的方向．課上結合攀巖運動的視頻進一步講解梯度和方向導數的概念．課后針對這一問題可以組織討論和知識拓展：請學生們搜集資料自學關于爬山算法的基本思路和步驟，并用計算機進行仿真．爬山的目的就是要逐步登上山頂，想要到達山頂，每一步應該是向著山頂邁進的，經過一步一個腳印終于到達了山頂，就能真正體會到什么是“會當凌絕頂，一覽眾山小”的豪邁姿態．當然了也別忘了“山外有山”，也許所登山峰在當地是最高峰，但再高也沒有珠穆朗瑪峰高．說明了爬山算法的優缺點，爬山算法可以很好地求解局域（當地）極大或極小值，但并不能求解全局（全世界）最大或最小值[6]．2.2課程思政．隔空點燈背后的實驗裝置：特斯拉線圈，以美籍塞爾維亞裔發明家尼古拉•特斯拉的名字命名的．課堂上請學生以講座的形式介紹他的生平事跡，主要體現在11次讓賢諾貝爾物理學獎的提名，可以看出比科學成就和社會貢獻更重要的是應該具備優良的思想品德，“德才兼備、以德為先”．同時特斯拉短短幾十年就有700多項發明專利問世，鼓勵學生特斯拉為榜樣，積極開展大學生創新創業活動，以自身行動響應和投身到新時代中國特色社會主義的偉大實踐中來．GPS系統也是一個很好的課程思政案例：通過26年前的銀河號事件，我國航天人發現，當時主動權在美國人手中，他們可以決定誰在何時可以使用GPS．為了改變這個局面，我國航天人奮發圖強，目前已完成北斗二代衛星導航基本系統．結合這個案例和正在開展的“不忘初心、牢記使命”主題教育活動，激發學生的使命感和愛國熱情．2.3案例式教學與科研成果進課堂．雷達系統的實例引入本課內容：二戰前夕，飛機成為戰場進攻的主角，各國競相研制一種地面防空預警系統，所以雷達成為整個二戰期間電磁場理論應用最活躍的部分．以參與完成的科研項目成果（通信頻率監測與指配系統，見圖2）分析出發[7]，大規模小范圍的通信電臺使用需要預先指配信道，否則會造成無線電信號的擁塞，使學生深入理解頻率指配的意義，并從系統應用的功能需求，到系統的總體方案設計，再到分系統設計強調工程設計的基本思路，灌輸工程理念．其中結合雷達波段的劃分方法及命名規則（L，S，X，C，K，Ku，Ka等）課前可布置學生進行線上討論[8]，課上選取幾位學生的回答進行解釋（見圖3）．2.4學科間的交叉融合．在講解麥克斯韋方程組的物理意義[9]時，教師課前可安排預習任務分析其特點：并用口訣“三三、六六”進行歸納總結．其中“三三”是指電生磁和磁生電，“六六”是指磁場是無源場和電荷激發電場．隨后引導學生從2個不同的角度理解麥克斯韋方程組中背后的哲學思想（橫看成嶺側成峰、遠近高低各不同），能夠透過現象看本質：（1）時變電磁場的電和磁構成一個整體即電磁場，同時又可以相互激發在空間中傳播即電磁波，它們之間是對立統一的關系．（2）電（或磁）場的時間變化會轉化成磁（或電）場地點的變化，從通信的角度來看，就是用時間換空間，反之亦然．另外一個案例是隔空點燈．由2個問題引入：隔空點燈是真的嗎？隔空點壞燈還是真的嗎？教學中引入了中國大學MOOC：華中科技大學黃佳慶副教授主講的通信電子線路片段——隔空點燈實驗[10]，并引出隔空點燈背后的實驗裝置——特斯拉線圈（見圖4）．由這一案例布置課后作業（分組任務見圖5）——隔空點燈的工作原理和運用高頻電子技術課程中的方法分析特斯拉線圈的等效電路（體現了課程之間的交叉融合）．2.5PBL教學．根據課程的知識點和相關應用中的問題，提前公布講座選題[11]，部分選題見表1．安排分組任務，2人一組進行資料準備，課上合作進行講座實施翻轉課堂．2.6移動智慧教學．依托超星泛雅網絡教學平臺推廣應用多項教學方法，以培養創新思維、提高能力素質、擴大信息量、拓寬知識面為教學目的，綜合運用啟發式、互動式、探究式、討論式等多種教學方法．根據課程內容體系重點講授基本概念、基本原理和方法（技術），采用多種教學形式，提出“自主、互動、探究式”移動智慧教學新模式．該模式緊密結合一平三端資源[12]，打破原有的教學模式，合理運用信息技術、數字資源、教學平臺和信息化教學環境．通過充分使用網絡教學平臺調用資源，教學符號、多媒體、文字、批注等制作教學課件并對課件進行網絡存儲．學生可通過網絡隨時調用課件，課件資源也可在一定范圍內共建共享，教學效果突出，極大地激發學生的學習興趣，提高學生的學習效率．其主要特點是：多種現代化教學方法綜合，學生素質得到全面提高；實現了被動學習方式向主動學習方式的轉變；培養了學生的創新思維能力；突出教學過程中學生的主體意識．

3課程效果綜合評價

3.1成績分析．采用的混合式教學模式改革從2016級相關專業開始試點，以近3期學生（分別為2015級、2016級和2017級電子信息工程專業1班、2班和通信工程專業學生，其中2015級為對照）的卷面成績和綜合成績進行對比，結果見表2．堂筆記和作業（30%，學生通過拍照的方式上傳至線上作業中）和學生講座（20%）．從結果對比來看，近3年各教學班的成績穩中有升．3.2學生評價分數．以近3期學生（分別為2015級、2016級和2017級電子信息工程專業1班、2班和通信工程專業學生，其中2015級為對照）的評教得分再次進行對比，結果見表3．評教得分為各年級2個專業的參評學生的總平均分．從結果對比來看，混合式教學的新模式越來越深得人心．3.3階段性成果．目前混合式教學改革已取得階段性成果，任課教師依托線上工具開展線上線下混合式教學，取得了一些成績．本課程的線上資源包括任務點152個、PPT480份、教學短視頻871段、文檔1200個、試題237道、試卷4套，也已成功申報超星示范教學包，目前引用量為60人次．2019年6月以團隊形式參加了校第一屆“超星杯”移動教學大賽暨智慧課堂教學創新大賽獲一等獎，12月代表學校參加了安徽省應用型高校聯盟第三屆“超星杯”智慧教學創新大賽獲得二等獎．綜上所述，經過2年的教學模式改革，雖然已取得初步成效，但還存在線上教學資源和學生實際學習需求如何智能匹配，資源的推送如何智能化，線上線下時間比例如何分配對于提升教學質量更有效等相關問題．

摘要:采用有限元法研究了高速磁懸浮列車的懸浮和推進電磁場,重點研究了車輛在不同運行條件下懸浮力和推力的變化規律,并得出了經驗公式。分析和計算結果表明,懸浮力和推力的大小與功角有關,并且由于定子齒槽和材料不連續的影響,懸浮力和推力都存在六倍頻的波動。

關鍵詞:磁懸浮列車;直線同步電機;電磁場分析;有限元法;模擬計算

常導高速吸浮型磁懸浮列車是一個典型的直線同步電機對象,而且又有別于一般的直線同步電機。其長定子軌道上的初級線圈采用三相交流激磁,懸浮電磁鐵上的次級線圈采用直流激磁,而且次級磁極上也有齒槽,用于設置發電繞組,因此其磁場分布極為復雜。其懸浮力和推力不僅受到轉子電流、定子電流和氣隙寬度的影響,而且受到定子齒槽、發電齒槽、功角等因素的影響,因此深入分析懸浮力和推力與這些因素的關系對于保證懸浮和推進的可靠性有著十分重要的意義。盡管國內外學者圖1常導高速磁懸浮列車中直線同步電機的結構示意圖對于直線同步電機的磁場分布已作了許多Fig.1Thestructurediagramoflinearsynchronousmotorin研究[5],但是對于高速磁懸浮列車電磁場normalconductedhighspeedmagneticlevitationvehicle分布的系統研究尚未見到詳細的報道。為此我們應用大型有限元分析軟件ANSYS,從分析氣隙磁場的分布入手,采用空間離散手段,對常導高速磁懸浮列車的電磁場進行了比較全面的分析和計算,獲得了一些與文獻報道和以往試驗數據相符的結果[1]。

1常導吸浮型高速磁懸浮列車中直線同步電機的結構

常導磁懸浮列車所用的直線同步電機的結構如圖1,它屬于單邊長定子直線同步凸極電動機。長定子由地面上的軌道構成,轉子由車載電磁鐵構成。轉子繞組中加有直流電流,形成懸浮磁場,與定子作用產生懸浮力。而長定子繞組中通有三相交流電,形成行波磁場與車載電磁鐵的磁極相互作用,從而產生推力[1]。

2有限元模型的建立

麥克斯韋用場的觀點分析了電磁現象，認為變化的電場能夠在周圍空間產生磁場．這是電磁場理論的第二個要點．一個靜止的電荷，它產生的是靜電場，即空間各點的電場強度不隨時間而改變．這個電荷一旦運動起來，電場就發生變化．另一方面，運動電荷要產生磁場，用場的觀點來分析這個問題，就可以說：這個磁場是由變化的電場產生的．”筆者認為，這里用運動電荷產生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點是欠妥的．比甲種本早一年出版的乙種本（1984年第1版）以及主要由它修訂而成的現行課本（必修）中沒有這個例子，但是這個例子在現在的高中物理教學中仍然存在著不良的影響．最近，筆者帶學生在中學教育實習時發現了甲種本的這個例子，接著對廣州市的中學物理教學做了調查，發現目前仍有一些中學在教學中喜歡使用甲種本的這個例子．所以，有必要對這個例子做進一步的分析．

變化的電場能夠在周圍的空間產生磁場是麥克斯韋電磁場理論的第二個要點，也是麥克斯韋對電磁場理論的最主要的貢獻．這樣，不但傳導電流（由電荷運動引起）能夠在周圍空間產生磁場，而且變化的電場（或“位移電流”）也能夠在周圍空間產生磁場．也就是說，產生磁場的途徑有兩種：電流（傳導電流）或者變化的電場（或叫做“位移電流”）．甲種本的這個例子所講的“運動電荷要產生磁潮，可以從兩個層次來理解．

一、把“運動電荷要產生磁潮理解為電荷運動形成電流（傳導電流），這個電流要產生磁場，這是中學生所能理解的層次．按照這種理解，這個電場是由傳導電流產生的，而不是由“位移電流”產生的，即不是由變化的電場產生的．甲種本的論斷是錯誤的．

二、從較高的層次來理解“運動電荷要產生磁潮這句話．電荷的運動是任意的，由于既有速度v，又有加速度a，這個電荷產生的電場和磁場是非常復雜的，要用電動力學的方法才能處理，一般中學生不可能理解到這一層次，而且這時在運動電荷產生的磁場中，既有由變化的電場產生的，也有由傳導電流產生的，到底哪一部分主要，要視電荷的運動情況及觀測點的位置而定．在電荷附近（近場區）磁場主要由傳導電流產生，所以不能簡單地認為“這個磁場是由變化的電場產生的”．

綜上分析，甲種本用一個運動電荷產生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點是欠妥的，其結論“這個磁場是由變化的電場產生的”是不對的．

值得指出的是，麥克斯韋電磁場理論的第二個要點包含著深刻而新穎的思想，在相當長的一段時間內難以為物理學家們所接受，直到25年之后，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，從而證明麥克斯韋電磁場理論的正確性，這個理論才得到人們的普遍承認．可見，“變化的電場能夠在周圍空間產生磁場”這一假說并非能用一個例子來加以形象說明的．在高中階段講麥克斯韋電磁場理論的第二個要點時，可以像必修本或乙種本那樣，簡要地給出麥克斯韋的假說，而不要企圖找什么形象的例子來說明．倒是有必要向學生強調：電流和變化的電場是產生磁場的兩種途徑．最近筆者帶學生到中學教育實習時，就有一些中學生問實習老師（筆者帶的實習生）：“當穩恒電流通過直導線時，周圍空間的磁場是穩定的，而電場卻不隨時間做均勻變化，這不是與老師講的電磁場理論的第二個要點相矛盾嗎？”這說明學生誤以為要產生磁場就必須有變化的電場，并不明白電流和變化的電場均可以產生磁場．或者說，學生學習了變化的電場能夠在周圍空間產生磁場，卻忘記了電流是產生磁場的基本途徑．

一軟件設計工具與相關技術

本套教學演示軟件采用面向對象語言Python進行編寫與開發，調用了Python自帶的軟件庫及Numpy、WxPython、Matplotlib等對其進行設計，并使用wxFormBuilder、FlashCS6、pyinstaller、enigmavirtualbox等應用軟件對程序進行輔助設計[8]。系統實現功能的重點包括：GUI布局、仿真程序的代碼編寫、素材的制作以及程序的易用性[9]。針對以上的功能實現，使用輔助工具wxFormBuilder和手動編寫WxPython代碼對整體GUI進行結構上的布局，使用Numpy和Matplotlib對仿真過程中的無耗傳輸線方程進行計算求解，以及傳輸線上電壓和電流波形的動態演示，使用FlashCS6對素材進行整合和裁剪，利用pyinstaller和enigmavirtualbox對源代碼文件和素材進行打包，并封裝成單獨可執行文件，以達到易用性的目的[10]。

二軟件需求分析與設計流程

在電子信息類課程的教學中，電磁場與微波技術的教學是其中一個重點也是難點。目前的微波技術教學主要采用文字、靜態圖像資料或PPT來進行教學，從而導致教學過程中存在以下難點：（1）教學資源稀少，目前書本中提供的電磁場與微波圖例較少且抽象；（2）圖案不夠形象，傳統書本教材所提供的圖例都為靜態圖片，如果沒有對電磁學有一定深入的理解，很難從靜態圖片中體會到電磁學中物理量的動態變化，而這一缺點是采用書本教學無法避免的。（3）電磁學的理論較為抽象，并且復雜，單純的使用圖像和文本板書的形式不僅加大了學生對這些理論的認知難度，同時也難以提高學生的興趣。采用多媒體技術輔助教學是有效提高教學效果的重要途徑，通過播放電磁場與微波技術課程中的演示動畫，理論與實踐相結合，使學生自發地理解和掌握課本知識。同時，有利于提升學生的學習效率，深入理解課程內容。基于以上考慮，對電磁場與微波技術多媒體動畫演示軟件的開發需求就顯得十分重要，通過整理微波技術的教學資源，并利用動態圖像，動畫，視頻等多媒體資源來對枯燥的電磁學公式進行解釋，把課本上一些復雜的理論知識，通過多媒體的形式表現出來，從而有利于加深學生對相關理論的直觀感受，從而幫助學生對微波技術專業知識的理解，取得更好的教學效果。因此，基于多媒體技術的電磁場與微波技術教學軟件的開發，具有十分重要的現實意義。（一）演示界面切換需求。在電磁場與微波技術多媒體教學演示軟件系統中，主界面為微波技術理論中的傳輸線仿真界面。界面的按鍵主要分成三種：一種是轉換傳輸線類型的按鍵，一種是顯示和隱藏電壓、電流波形的按鍵，另一種則是控制仿真程序啟動和暫停的按鍵。軟件具備的按鍵控制功能為：根據用戶點擊的轉換按鍵分別展示不同的傳輸線電路圖和不同的參數輸入框；根據用戶點擊的顯示和隱藏按鍵，分別展示所要求展示的波形；根據用戶點擊的啟動和暫停按鍵，決定動態波形的演示和暫停。（二）參數輸入輸出控制需求。參數輸入控制是結合按鍵控制功能中“傳輸線類型轉換按鍵”來設計的。根據設定不同的傳輸線類型更換不同的參數輸入控制，默認只允許用戶自定義輸入輸出阻抗，并且選擇性地根據傳輸線類型開放和鎖定輸出阻抗的不同輸入框。默認鎖定禁止用戶定義傳輸線的特征參數的輸出結果，并且初值為空。當輸入參數完畢后，按下開始按鍵，軟件會根據給定的輸入參數計算得到輸出結果，并將計算結果反饋到輸出框上。（三）菜單控制需求。在該軟件系統中，菜單的主要作用是控制Flash動畫的窗口彈出，為下一步播放作準備。菜單內容主要分為五個部分：波導、波投射、極化波、其他應用及版權信息等。波導菜單用來演示不同波導形式內部電磁場分布的動態效果；波投射用來演示均勻平面波在不同介質中的反射、透射情況，以及平面電磁波在介質中的傳播和衰減情況；極化波用來演示不同極化波的合成過程，及其在空間的動態傳播過程動畫；其他菜單用來演示電磁場與微波技術在現實生活當中的應用領域，以及展示軟件的作者和版權信息。（四）圖形圖像需求及Flash動畫需求。圖形和圖像抽象化程度相比于文字較低，它能通過豐富的圖案和層次感表達出有用信息，具有能夠反應客觀世界的屬性，并且能夠承載更多的信息量。本文的目標是通過所設計軟件的主界面電路示意圖，能夠清晰地確定正在仿真的傳輸線類型。Flash動畫能夠模擬客觀事件的變化及運動過程，從而突出變化的事物在運動過程中的本質規律，更加生動形象地展示和傳遞信息。同時，使用Flash動畫能夠提高學生的興趣，獲得較好的教學效果。本設計中，Flash動畫素材占據大多數的多媒體演示，包括波導的場分布，均勻平面波的投射，極化波的動態展示，以及微波技術在實際生活當中的應用等。基于以上需求分析，本文所采用的軟件設計流程及思路如圖2所示。

三軟件設計的功能實現與效果展示

電磁場與微波技術多媒體教學軟件的開發目的是為了在教學過程中，充分發揮多媒體素材的直觀性與交互性，動態畫面的展示效果并且易于使用。因此，軟件系統的設計內容主要包括系統的界面設計、交互設計以及設計等三個方面[11]。（一）界面設計。本文所設計的電磁場與微波技術多媒體教學演示軟件的主界面如圖3所示，主要由窗口、菜單、按鈕、文本框等元素組成。界面的布局就是對系統組件的布置、擺放以及對不同的控件素材進行整合與設計，從而使得多媒體教學軟件能夠以合適、科學的運行狀態被用戶打開，并且展示整個軟件的友好的交互界面[12]。界面的設計遵循簡單、實用、風格統一的原則，程序的最頂部為功能菜單欄，用于完成主界面與副界面的交換。主界面為微波傳輸線的狀態分析仿真界面，副界面為Flash動畫的展示。在主界面中，將內容展示放在界面的正中心，以達到用戶的視覺中心及主體突出的效果。內容展示分為兩部分，上半部分為波形的動態仿真區域，用于顯示傳輸線上電壓和電流的波形仿真結果，即動態展示行波、駐波、行駐波的效果。下半部分為傳輸線電路示意圖，可以通過該部分確定傳輸線的仿真類型以及波形與傳輸線位置的對應關系。在內容展示下方設置主要交互界面，用于對展示的內容進行操作，包括切換傳輸線的負載類型，輸入負載參數，打開或關閉電壓電流顯示選項，啟動和暫停波形仿真，滿足用戶的操作習慣[13]。（二）交互設計。電磁場與微波技術多媒體教學軟件的交互設計主要體現在用戶與仿真界面的交互，用戶與參數輸入輸出框的交互，及用戶與Flash動畫的交互三個方面。用戶可通過仿真界面上的按鈕切換不同的傳輸線模型，從而進行不同類型的傳輸線仿真。仿真界面擁有四個控制按鈕，分別用于仿真波形的啟動、暫停，電壓電流的顯示開關，用戶可通過這四個按鈕進行與仿真界面的交互。在用戶選擇傳輸線類型之后，參數的輸入輸出框會隨之改變以適應模型，用戶可通過輸入框輸入合法參數，在點擊啟動按鈕后程序會自動計算得出模型參數的計算結果并顯示在輸出框，從而達到用戶與參數輸入輸出框的交互。另外，通過菜單欄可啟用Flash動畫演示功能，在彈出窗口中的Flash有內嵌必要的交互按鈕，根據不同的Flash類型，交互按鈕有所不同。其主要功能有開始和暫停動畫演示，必要的參數輸入輸出，及控制動畫的播放速度等，用戶可通過這些按鈕實現與Flash演示動畫的交互。（三）設計。為了方便使用，本軟件采用了打包單文件形式。將編寫的程序源代碼利用pyinstaller進行打包，生成單文件可執行程序。再將該可執行程序利用文件虛擬化技術，同所使用的資源文件一起再進行打包，最終形成一個可直接解壓，無須依賴其他文件運行的可執行文件。Pyinstaller是一個用python編寫的打包文件工具，它具有將python工程封裝成單個文件的功能。由于python程序的運行依賴于python的環境，在其他的操作系統上可能未擁有相應的環境，再者本程序所使用的第三方工具包可能在不同環境下也有所不同，加之python系統版本差異等原因，所以要使python程序能在其他機器上運行，將其打包是必要的。（四）flash播放功能實現。在菜單欄中點擊相應的菜單項目，軟件能夠從本地中獲取同名flash資源對其進行播放。flash播放功能的實現，其過程為，按下按鍵后彈出一個wxpython新彈窗，加載系統的ActiveX控件播放相應的flash視頻。窗口大小等依照傳入參數即文件名進行讀取并啟用ActiveX進行播放。圖4所示為橢圓極化波的flash動畫演示，圖5所示為平面電磁波投射到兩層介質分界面上的flash動畫演示。五結論本文設計和開發了一款電磁場與微波技術多媒體動畫教學演示軟件。首先，介紹了多媒體動畫教學的發展歷史與現狀，同時根據所要實現的功能，分析軟件的需求及重點與難點。其次，通過設計和實現該教學演示軟件，比較直觀地展現了如何將多媒體教學素材和相關專業知識點相結合，為其它的基于PC端的多媒體教學演示軟件的設計和實現提供參考。再次，將源程序文件與多媒體素材二次打包封裝，將原本依賴于編譯環境和素材資源的程序工程文件夾轉換成一個單文件的可執行程序，為今后將桌面多文件程序封裝成單文件應用程序提供借鑒。最后，通過本次設計和實現，展現了采用Python語言開發的簡便性；通過把電磁場與微波技術的抽象知識轉化為具體動畫演示的過程也顯示了多媒體動畫教學的優越性。

1課程設計中使用商業軟件

目前工程類的專業基礎教學主要有兩大模式:1)以課堂教育為主，結合多媒體教學模式，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［4］;2)理論和實驗教學相結合的方式，將部分學時分配到課堂實驗教學以及學生動手實驗教學兩個環節進行理論和實踐相結合的教學［5－9］。模式1)使得課堂教學的理論內容更加豐富多彩，涵蓋的內容更加廣泛，但是由于課時數有限，在顧及了教學廣度的同時，教學深度不能得到有效的保證。在某些極端的情況下，學生上課時看各種物理現象覺得好玩，下課后卻對課堂上學習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，如果學生能夠發揮主觀能動性，在課后深入地學習課本上的知識，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的手段來督促學生進行自主學習。這種以課后習題敦促自學的方法對部分愿意自主學習的學生具有非常好的效果，能夠在經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習;但是，對于缺乏學習主動性的學生來說，課堂上種類繁多的知識點和課后枯燥機械的習題形成的反差使得他們不知從何下手去完成課后作業，學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)將實驗教學加入到理論教學中，部分解決了理論和實踐問題之間的差距，使得學生可以更加直觀地理解課堂上某些知識點相關的物理現象，但是這種教學方法有以下3個不可避免的問題:1)不論是課堂教學實驗還是實驗室學生自己動手的實驗，都需要相對比較多的時間進行鋪墊準備，在有限的教學學時內無法針對每一個重要的電磁學現象都安排相應的實驗內容;2)由于實驗室相對較少，設備以及維護費用相對昂貴，通常無法滿足每個學生的教學需求;3)實驗教學通常只針對可以用簡單的實驗手段實現的知識點，而且實驗設計的前提是這些知識點相關的實驗必須是可以直觀地進行現象觀察的。這些限制條件決定了符合實驗教學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。課程設計這個教學形式早已存在，但是一般情況下僅僅作為課堂教學的一個實踐性補充，并未提到特別重視的位置。目前，計算機和網絡的普及情況為課程設計提供了另外一種思路，即數字化的課程設計方法。隨著計算機和網絡技術的飛速發展，高校大學生需要在具備一定專業知識的前提下學會使用與本專業相關的商業軟件，如電子信息專業的學生需要了解并學會使用的商業軟件有編程軟件Matlab和VC++等，仿真軟件HFSS和ADS等。而這些相關軟件的學習和使用，通常不會專門開課來進行學習，因為這本來就是學生為了提高自身就業優勢和提升專業技能而需要學會的自學課程。因此，在課堂上引入一部分和本課程本專業密切相關的商業軟件的使用技能，不但不會成為學生學習過程中的負擔，反而是他們樂意學習并且去掌握的技能。綜上所述，為解決前文中提到的在教學過程中的問題，同時結合目前的教學環境和學生的自身專業素養，本文提出了應用商業軟件進行課程設計的思路，即針對教學中需要掌握并深入剖析的知識點設計課程設計的內容，讓學生在商業軟件平臺上建立并仿真電磁學的模型，利用學到的知識對相應的物理現象進行觀察和規律分析。

2課程設計實例

課程設計是教學設計中的一個環節，針對一個目的或者一個內容進行有計劃、有結構的系列活動。對電磁場理論相關的課程教學而言，課程設計的內容需要針對教學中比較難理解的、比較抽象的，或是需要對知識點進行綜合討論的內容來進行設計。因此，課程設計環節在“電子工程數學方法”“電磁場與波”以及“微波技術基礎”課程的課堂教學中，對理論教學和實踐教學相結合的重點環節進行了設計和討論。由于商業軟件平臺可以模擬相對理想的實驗環境，并且在觀察物理現象時也不必拘泥于實驗裝置和物理實現方法困難的問題，在課程設計題目的設計上，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計，或者根據學生在學習過程中需要進行直觀化理解的物理現象進行設定。如在本科第3學期，在學生對電磁波/場的概念還處于力線的范疇，對電磁波在導波系統中的傳播規律還沒有進行具體學習的前提下［10］開設“電子工程數學方法”課程，學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合，學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。課后常有學生反映:“為什么就學這幾個方程”“這些方程求解方法到底學了有什么用”等等問題。這些問題給一個答案并不難，難的是學生就算聽懂了答案，還是不知道其真正應用在何處。因此，在這門課的課程設計題目是用軟件HFSS實現對矩形波導管的仿真，在求解矩形波導管主要模式的基礎上設定波導管的尺寸，并觀察其主模的電場、磁場以及壁電流分布。整個課程設計內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。學生拿到題目以后需要自己去思索:這是一個有關波導管的工程問題，這個工程問題相關的物理現象是什么，描述這個物理現象的數學公式是哪一個，為了能表達出波導管內部的場分布，必須要求解定解問題，那么與之相關的邊界條件又是什么。這個課程設計的內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，計算上并不復雜，難的是理論上的理解。學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的教科書，還在網上尋找資料，最后發現其實求解的就是他們學過的東西。這就是理論和工程應用相對照的一個過程。同時，通過這次課程設計，學生普遍反映他們對HFSS這個商業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和求解認識深刻。“電磁場與波”是針對本科第4學期的學生開設的課程，其主要內容涉及靜態電磁場和時變電磁場的基礎理論知識［11］。學生在前修課程大學物理中學習了很多關于靜態場的知識，空間中電磁波的傳播行為和狀態是一個全新的內容，需要學生花更多的時間來學習波在空間中的傳播情況。而課堂教學中，描述波的情況時一般用正弦波來描述(動態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，學生在學習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習駐波、行駐波時出現困難。因此對這門課的課程設計題目做了如下設計:利用編程軟件Matlab實現對下述物理現象的建模，并實現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的區域)入射到一介質分界面(介質存在于z＞0的半空間)，介質的電參數為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。學生經過這次課程設計后，首先會對使用Matlab進行編程設計有一定的了解，能夠用Matlab進行電磁波的動態顯示。其次會學會利用其他工具主動學習在課堂上難以理解的物理現象，這有助于學生在以后的學習中能夠主動利用現有的編程軟件或者商業軟件平臺進行知識探索。最后，學生在進行編程建模仿真的過程中強化了知識點的學習。課程設計包含了電磁場與波這門課程中關于平面波的傳播、平面波在介質分界面上的變化、不同的極化方式在通過介質分界面時和入射角之間的關系等等問題，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電磁波問題的重點學習內容。“微波技術基礎”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設計方法，不同的傳輸模式在同一器件中也表現出不同的特性［12］，因此要設計一個相對全面的課程設計比較困難。針對不同的知識點進行了不同的課程設計題目的設計，例如:1)針對波導腔體中的模式問題，進行了模式分析編程設計;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)針對左手結構材料的概念，進行了左手/右手結構的功分器設計，以此討論兩種不同結構下電磁波的傳播和器件表現在外的性能;4)針對磁材料的特性，進行了極化扭轉波導仿真設計。通過這些課程設計，使得學生在學習不同的微波器件性能的同時，對微波器件的設計方法、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結束語

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

高中物理課本甲種本（1985年第1版）第三冊第153頁在介紹麥克斯韋電磁場理論時敘述道：“麥克斯韋用場的觀點分析了電磁現象，認為變化的電場能夠在周圍空間產生磁場．這是電磁場理論的第二個要點．一個靜止的電荷，它產生的是靜電場，即空間各點的電場強度不隨時間而改變．這個電荷一旦運動起來，電場就發生變化．另一方面，運動電荷要產生磁場，用場的觀點來分析這個問題，就可以說：這個磁場是由變化的電場產生的．”筆者認為，這里用運動電荷產生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點是欠妥的．比甲種本早一年出版的乙種本（1984年第1版）以及主要由它修訂而成的現行課本（必修）中沒有這個例子，但是這個例子在現在的高中物理教學中仍然存在著不良的影響．最近，筆者帶學生在中學教育實習時發現了甲種本的這個例子，接著對廣州市的中學物理教學做了調查，發現目前仍有一些中學在教學中喜歡使用甲種本的這個例子．所以，有必要對這個例子做進一步的分析．

變化的電場能夠在周圍的空間產生磁場是麥克斯韋電磁場理論的第二個要點，也是麥克斯韋對電磁場理論的最主要的貢獻．這樣，不但傳導電流（由電荷運動引起）能夠在周圍空間產生磁場，而且變化的電場（或“位移電流”）也能夠在周圍空間產生磁場．也就是說，產生磁場的途徑有兩種：電流（傳導電流）或者變化的電場（或叫做“位移電流”）．甲種本的這個例子所講的“運動電荷要產生磁潮，可以從兩個層次來理解．

一、把“運動電荷要產生磁潮理解為電荷運動形成電流（傳導電流），這個電流要產生磁場，這是中學生所能理解的層次．按照這種理解，這個電場是由傳導電流產生的，而不是由“位移電流”產生的，即不是由變化的電場產生的．甲種本的論斷是錯誤的．

二、從較高的層次來理解“運動電荷要產生磁潮這句話．電荷的運動是任意的，由于既有速度v，又有加速度a，這個電荷產生的電場和磁場是非常復雜的，要用電動力學的方法才能處理，一般中學生不可能理解到這一層次，而且這時在運動電荷產生的磁場中，既有由變化的電場產生的，也有由傳導電流產生的，到底哪一部分主要，要視電荷的運動情況及觀測點的位置而定．在電荷附近（近場區）磁場主要由傳導電流產生，所以不能簡單地認為“這個磁場是由變化的電場產生的”．

綜上分析，甲種本用一個運動電荷產生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點是欠妥的，其結論“這個磁場是由變化的電場產生的”是不對的．

值得指出的是，麥克斯韋電磁場理論的第二個要點包含著深刻而新穎的思想，在相當長的一段時間內難以為物理學家們所接受，直到25年之后，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，從而證明麥克斯韋電磁場理論的正確性，這個理論才得到人們的普遍承認．可見，“變化的電場能夠在周圍空間產生磁場”這一假說并非能用一個例子來加以形象說明的．在高中階段講麥克斯韋電磁場理論的第二個要點時，可以像必修本或乙種本那樣，簡要地給出麥克斯韋的假說，而不要企圖找什么形象的例子來說明．倒是有必要向學生強調：電流和變化的電場是產生磁場的兩種途徑．最近筆者帶學生到中學教育實習時，就有一些中學生問實習老師（筆者帶的實習生）：“當穩恒電流通過直導線時，周圍空間的磁場是穩定的，而電場卻不隨時間做均勻變化，這不是與老師講的電磁場理論的第二個要點相矛盾嗎？”這說明學生誤以為要產生磁場就必須有變化的電場，并不明白電流和變化的電場均可以產生磁場．或者說，學生學習了變化的電場能夠在周圍空間產生磁場，卻忘記了電流是產生磁場的基本途徑．

一、電場、磁場和電磁場會產生哪些生物影響

WHO將這種磁場、電磁場和電場所產生的生物影響定義為“生物影響”，并給出“有害影響”和“生物影響”是兩個完全不同的概念。當暴露在外而引起的生物系統內部可檢測到的生理變化或可注意到的生理變化，那“生物影響”就發生了。而當“生物影響”超過了身體補償的正常范圍時，“有害影響”就開始發生，這是導致生物發生某種有害健康的特征。輸變電設施對生物的影響主要表現為，其能激發生物體內產生微量的感應電流和感應電壓，這些感應電流和電壓比生物體自身所產生的電流和電壓要小得多，這對生物體內是沒有任何影響的。據研究即使把一個生物體放到高壓30千伏每米下，它的生理特征還是正常的。對于磁場的影響，WTO給出：目前沒有哪一家實驗室能準確的證明，在環境中或在家里所碰到的磁場強度下，其極低的頻率會對人的行為和生理產生影響；有志愿者將自己暴露在磁場強度為5毫特斯拉的超低頻磁場達幾小時后，再對自己做臨床和生理測試，其中包括血液變化、心率、心電圖、體溫和血壓，而其一切都正常。而最對人類恐慌的傳言便是致癌，WTO對此也給出了明確的回答：沒有任何證據能證明身體暴露到極低頻的電磁場會引起DNA的突變，因此極低頻電磁場是不會誘發致癌的；根據最近的把動物放進最低頻電磁場會誘導其致癌的研究，其結果是否定的。由于個別低頻暴露電磁場和兒童患白血病關聯的的研究表明，其缺乏科學研究依據。

二、電場、磁場和電磁場不會危及人體

輸變電設施中的電場、磁場、工頻磁場、噪音、高頻信號、低頻信號，其中能引起生物體微反應的是磁場和電場。其實在我們生活中，微電場和磁場隨處可見，當在家中接通家用電器，其導線周圍就產生微電場和磁場，并和地表形成微電場。在電力頻率定義中通常稱50赫茲頻率為“工業頻率”，這屬于極低頻率電場。電力博士陸家榆介紹，帶電導體所產生的極低頻磁場會隨著距離的增加而消弱，因此在變電站設施周圍隨著其和外界生物體的距離增加，強度也隨著減弱。在電力設施周圍中，磁場和電場是互為獨立存在的，它們并不形成高頻波那樣向外界空間轉播和輻射能量并以波的形式傷害生物體。所以在世界各權威組織中所對極低頻對環境的影響研究中，他們都只提及電場和磁場對環境的影響，而從未提及電磁場對環境的影響。實際上，對輸變電工程設施的環境標準限定比國際標環境標準還要嚴格。WTO所推薦的國際權威組織所頒布的旨在保護公眾健康工頻電磁場強度在6千伏/米范圍內，其工頻強度暴露值為0.1毫特斯拉，其實在實際施工中還低于這個標準。事實上，在我們生活領域中，電磁場隨處可見。據測算，當我們在家中打開電腦或電視機時，當我們欣賞美麗的月光時，其實身邊的電磁場強度遠遠高于輸變電設施的電磁場強度。其實我們生活的周圍隨處都能看到產生磁場的物體，比如我們生活的地球，其產生的磁場比我們普通輸變電設施產生的磁場還要高，例如在北京測得的地球磁場為54微特斯拉，當在磁場轉動來測時，其磁場強度為100微特斯拉，其強度相當于輸變電設施產生的60~100倍。這就說明了，人類生活在幾十位特斯拉是沒有任何感覺的，即使在變電站值班24小時的工人也一樣，其健康也不會受影響。其實真正的電磁波殺手往往就潛伏在我們的身邊，其不那么引起人們的注意。據美國環境衛生院的研究表明，其實傷害人體的最尅禍首并非是輸變電設施，而是來這哪些冶煉設備、各種電器化交通、各種機動電器等。當這些電器工作是所產生的不同相位高頻波時，其不同相位高頻波穿過人體時，會造成人體的傷害。我們經常用的手機，接電話時，會產生1.8吉赫茲，就相當15厘米的的波，這對經常接聽電話的人來說傷害極大。其次還有微波爐等。

三、總結

經過上面的分析，極低頻電場、磁場和電磁場不會危及人體，因此電場、磁場和電磁場對環境的是良性的。

【摘要】《電磁場》課程與當前的科研熱點密切相關，卻為廣大教師所忽視；重視《電磁場》課程與科研的關系研究，對于促進《電磁場》這樣一門教學與學習難度很大的電子信息專業基礎課的教學作用很大。本文從當前電磁場領域的天線的四分之一波長反射板應用、人工磁導體（ArtificialMagneticConductor,AMC）和“隱身衣”等研究熱點淺談科研對電磁場課程教學的促進作用。

【關鍵詞】電磁場；課程教學；科研

0引言

探討《電磁場》課程教學方法的論文已經不少[1-4]，但是科研對《電磁場》課程的促進作用的論文卻很少見。實際上，有些教師對于科研對電磁場教學（其他課程亦然）具有重大促進作用并不太認同；或者一些老師雖口頭上認同科研對電磁場教學有促進作用，但卻體會不深，思想上也不重視。筆者認為科研對電磁場課程的促進作用主要體現在以下幾點：1）科研可以使教師透徹理解知識點，授課更加準確、自信；2）教學中增加科研前沿可以促進學生對知識理解的融會貫通；3）科研前沿在課堂的滲透可以激勵學生學習的興趣，在愉快地學習；4）科研前沿在課堂的滲透可以培養學生的研究興趣，潛移默化中鼓勵學生進入科學研究的殿堂。

1科研與電磁場教學

從教學來說，將課本枯燥的理論知識與實際應用和國際前沿科學研究聯系起來，以激起學生的學習熱情。電磁場課程不但學習困難，而且很多學生反映不知道學習這門課有何用處，這些問題嚴重打擊了學生的學習興趣。因此，我們在授課時要注意穿插電磁場知識在我們實際中的應用，讓學生明白學習并不單單是枯燥的理論知識，這些知識都是指導實際的基礎，解決學生為什么要學的問題。除可適當介紹電磁場在通信（手機、基站、衛星等）、探測（探地雷達，石油探測等）、定位（各種雷達）和微波醫療等的應用外，還可介紹具體知識的應用。如當講授電磁波對理想導體平面的垂直入射這一章節時，將會講到電磁波全部被理想導體（PEC）反射回來且反相（反射系數為Γ＝－1），此時可以引申這一特性在天線上的應用。如圖1所示，在很多定向天線應用中，經常使用一塊金屬板作為反射板/地板，以將一半的能量反射回另一面，使波1和波2同相疊加，達到提高天線增益3dB及屏蔽背面物體的目的。因為理想導體（PEC）的反相特性，需要把天線安放到距離地板1/4波長，以得到波1和波2同相疊加。通過對授課內容的拓展，可以使得學生明白所學知識并非無用處，而是在實際中大有用處的，從而激發學生的學習熱情。圖1理想導體在天線上的應用同時可適當介紹本課程理論知識與國際前沿科學研究的關系，激發學生探索知識的熱情。介紹當前國際前沿科學研究時，可將其嵌入到具體的關聯章節知識講授中，使學生明白課堂所學知識與當前研究熱點的聯系。如在圖1講到的理想導體（PEC）作為天線的反射板/地板時，其需距離天線為1/4波長，因此，其一個缺點就是體積太大。但現代微波系統不斷小型化的背景下，PEC作為反射板越來越不適用。當前國際前沿研究的一個熱點人工磁導體（ArtificialMagneticConductor,AMC）可以解決這個問題[5]。如圖2所示，與PEC不同，AMC可以同相反射電磁波，因而天線與反射板之間的距離可以遠遠小于波長，整個天線系統的尺寸大大減小了。從而讓學生了解科學研究的前沿，提高學習的興趣。圖2人工磁導體在天線上的應用如當講授電磁波對介質分界面的斜入射知識時，可列舉2013年浙江大學陳紅勝團隊的最新研究成果：“隱身衣”[6]。如圖3所示，該前沿研究成果是一精致的六角形結構，當電磁波入射到結構上時發生全透射現象（折射），經過數次折射當電磁波出射該結構時，波的傳播路徑不變，就好像從來沒存在該結構一樣，而放置于結構中心的物體就被隱身了。這種學科前沿知識的介紹，讓學生明白了所學課本知識與科學研究的關系，提高學生學習的興趣。圖3應用電磁波對介質分界面的斜入射知識的“隱身衣”俗話說興趣是學習的最好老師，適當介紹電磁場理論知識在實際工程中的應用和在國際科學研究前沿的應用，可以活潑課堂教學，讓學生明白電磁場知識是怎樣在實際工程中應用的，讓學生了解當前科學研究前沿，可以激發學生學習的熱情，大大提高課堂教學的效果。

摘要：本文加強了對電磁場技術體積電磁波技術的深入研究，并對其具體應用情況展開了分析討論。

關鍵詞：電磁場；電磁波；電子通信技術

在當前信息時代，伴隨信息技術的飛速發展，社會生活也發生了很大的改變。在通信領域電磁場與電磁波的應用越來越發揮重要作用，從而體現出信息傳遞的高效性。雖然電磁場與電磁波表面看似無形，但是卻通過信息傳遞的載體作用，不斷滲透應用到人們的社會生活中。由于電磁場與電磁波在社會中具有廣泛的需求，所以導航、雷達、廣播等多種電子設備產品在通信中的應用都需要應用到電磁波與電磁場[1]。

1電磁場與電磁波的概念

1.1電磁場

早期階段，電磁場這一說法是英國科學家首先提出來的，由于當時具有的實驗設備不是很發達，因此也就沒有辦法對這一結論做進一步的說明。從18世紀以后，英國和法國科學家才通過多種不同的儀器設備對之前英國科學家提出的電磁現象做深入的研究，后來研究人員對電磁場有了更深的了解。英國物理學家提出，電和磁間有很大的關聯性，在通過多次科學實驗之后，人們發現將磁棒導入到導體圈，那么就會有較強的電流產生，這也就說明電與磁間兩者所具有的關聯性。由帶電物體所產生的一種物理場被稱為電磁場，它本身是屬于電磁學范疇。電磁場中所有帶電物體都可以感受到電磁場的強大力量，其應用特點可用洛倫茲力定律來表述，從更具體角度來說，電磁場是相互聯系、相互依存的電場、磁場的有機統一。伴隨時間的推移，電場在一定條件下會產生磁場，同樣，磁場一定條件下也會產生電場，兩者之間互為因果關系。

[摘要]物理教學既要發展學生的智力，又要培養學生的能力。只要運用科學的方法將知識傳授給學生，加強學生的實驗能力和自學能力的培養，調動學生的學習積極性，就能提高教學質量。

[關鍵詞]物理教學電磁學電磁場電路

物理教材中所闡述的內容主要是經典物理學的基礎知識，這些理論是建立在牛頓時空觀的基礎上，以力學、電磁學為重點。本文就電磁學部分的教學談談自己的觀點。

一、電磁學的知識體系

電磁運動是物質的一種基本運動形式。電磁學的研究范圍是電磁現象的規律及其應用，其具體內容包括靜電現象、電流現象、磁現象、電磁輻射和電磁場等。為了便于研究，把電現象和磁現象分開處理，實際上，這兩種現象總是緊密聯系而不可分割的。透徹分析電磁學的基本概念、原理和規律以及它們的相互聯系，才能使孤立的、分散的教學變成系統化、結構化的教學。對此，應從以下三個方面來認真分析教材。

1.電磁學的兩種研究方式