1課程現(xiàn)狀

電磁場與電磁波課程是安徽三聯(lián)學(xué)院通信工程和電子信息工程2個專業(yè)的一門公共專業(yè)核心課，還是多個學(xué)科的交叉融合點(diǎn)．前修課程有高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等（見圖1），這些課程對本課程的學(xué)習(xí)起著基礎(chǔ)鋪墊作用[3]．后續(xù)課程有射頻通信技術(shù)、移動通信技術(shù)、光纖通信技術(shù)和無線通信技術(shù)等，這些課程內(nèi)都有本課程基礎(chǔ)知識的具體應(yīng)用，為后續(xù)課程提供了理論和實(shí)踐的支撐．1.1課程內(nèi)容．該課程的理論學(xué)時為32學(xué)時，主要的教學(xué)內(nèi)容包括：（1）掌握靜電場和恒磁場的基本性質(zhì)和基本方程；（2）要求學(xué)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(zhì)及規(guī)律分析中的應(yīng)用；（3）掌握電磁波在空間中輻射的基本規(guī)律；（4）學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)的知識對電磁場與電磁波的一般應(yīng)用問題進(jìn)行綜合分析和簡單計算[4]．1.2學(xué)情分析．（1）已掌握的基礎(chǔ)知識：已經(jīng)掌握高等數(shù)學(xué)的基本方法，具備矢量微分運(yùn)算能力；已經(jīng)學(xué)習(xí)了大學(xué)物理中電磁學(xué)部分，知道電生磁和磁生電的基本知識．（2）學(xué)生的特點(diǎn)：對移動教學(xué)的學(xué)習(xí)充滿興趣，易于接受視頻、圖像信息；自學(xué)為主、點(diǎn)串為輔的大學(xué)學(xué)習(xí)模式還沒有深入人心．（3）認(rèn)知結(jié)構(gòu)：對如何解釋宏觀的電磁現(xiàn)象，也就是產(chǎn)生電場和磁場的源到底有哪些，學(xué)生的認(rèn)識還很模糊，同時對理論的應(yīng)用還存有疑問．

2混合式教學(xué)模式改革思路

2.1結(jié)合物理模型的教學(xué)．關(guān)于梯度和方向?qū)?shù)的關(guān)系問題可以引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自身爬山的經(jīng)歷進(jìn)行理解，所謂梯度的方向是在給定點(diǎn)處令方向?qū)?shù)的值增加最快的方向[5]；或者說在給定點(diǎn)處朝梯度方向運(yùn)動，方向?qū)?shù)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?qū)?shù)看作爬山，方向?qū)?shù)上的給定點(diǎn)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(diǎn)的等高線．在等高線上，梯度總是指向值最大的方向．課上結(jié)合攀巖運(yùn)動的視頻進(jìn)一步講解梯度和方向?qū)?shù)的概念．課后針對這一問題可以組織討論和知識拓展：請學(xué)生們搜集資料自學(xué)關(guān)于爬山算法的基本思路和步驟，并用計算機(jī)進(jìn)行仿真．爬山的目的就是要逐步登上山頂，想要到達(dá)山頂，每一步應(yīng)該是向著山頂邁進(jìn)的，經(jīng)過一步一個腳印終于到達(dá)了山頂，就能真正體會到什么是“會當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小”的豪邁姿態(tài)．當(dāng)然了也別忘了“山外有山”，也許所登山峰在當(dāng)?shù)厥亲罡叻?，但再高也沒有珠穆朗瑪峰高．說明了爬山算法的優(yōu)缺點(diǎn)，爬山算法可以很好地求解局域（當(dāng)?shù)兀O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(diǎn)燈背后的實(shí)驗(yàn)裝置：特斯拉線圈，以美籍塞爾維亞裔發(fā)明家尼古拉•特斯拉的名字命名的．課堂上請學(xué)生以講座的形式介紹他的生平事跡，主要體現(xiàn)在11次讓賢諾貝爾物理學(xué)獎的提名，可以看出比科學(xué)成就和社會貢獻(xiàn)更重要的是應(yīng)該具備優(yōu)良的思想品德，“德才兼?zhèn)?、以德為先”．同時特斯拉短短幾十年就有700多項(xiàng)發(fā)明專利問世，鼓勵學(xué)生特斯拉為榜樣，積極開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，以自身行動響應(yīng)和投身到新時代中國特色社會主義的偉大實(shí)踐中來．GPS系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)時主動權(quán)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(fā)圖強(qiáng)，目前已完成北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航基本系統(tǒng)．結(jié)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(fā)學(xué)生的使命感和愛國熱情．2.3案例式教學(xué)與科研成果進(jìn)課堂．雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)例引入本課內(nèi)容：二戰(zhàn)前夕，飛機(jī)成為戰(zhàn)場進(jìn)攻的主角，各國競相研制一種地面防空預(yù)警系統(tǒng)，所以雷達(dá)成為整個二戰(zhàn)期間電磁場理論應(yīng)用最活躍的部分．以參與完成的科研項(xiàng)目成果（通信頻率監(jiān)測與指配系統(tǒng)，見圖2）分析出發(fā)[7]，大規(guī)模小范圍的通信電臺使用需要預(yù)先指配信道，否則會造成無線電信號的擁塞，使學(xué)生深入理解頻率指配的意義，并從系統(tǒng)應(yīng)用的功能需求，到系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，再到分系統(tǒng)設(shè)計強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計的基本思路，灌輸工程理念．其中結(jié)合雷達(dá)波段的劃分方法及命名規(guī)則（L，S，X，C，K，Ku，Ka等）課前可布置學(xué)生進(jìn)行線上討論[8]，課上選取幾位學(xué)生的回答進(jìn)行解釋（見圖3）．2.4學(xué)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(yù)習(xí)任務(wù)分析其特點(diǎn)：并用口訣“三三、六六”進(jìn)行歸納總結(jié)．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(fā)電場．隨后引導(dǎo)學(xué)生從2個不同的角度理解麥克斯韋方程組中背后的哲學(xué)思想（橫看成嶺側(cè)成峰、遠(yuǎn)近高低各不同），能夠透過現(xiàn)象看本質(zhì)：（1）時變電磁場的電和磁構(gòu)成一個整體即電磁場，同時又可以相互激發(fā)在空間中傳播即電磁波，它們之間是對立統(tǒng)一的關(guān)系．（2）電（或磁）場的時間變化會轉(zhuǎn)化成磁（或電）場地點(diǎn)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(diǎn)燈．由2個問題引入：隔空點(diǎn)燈是真的嗎？隔空點(diǎn)壞燈還是真的嗎？教學(xué)中引入了中國大學(xué)MOOC：華中科技大學(xué)黃佳慶副教授主講的通信電子線路片段——隔空點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)[10]，并引出隔空點(diǎn)燈背后的實(shí)驗(yàn)裝置——特斯拉線圈（見圖4）．由這一案例布置課后作業(yè)（分組任務(wù)見圖5）——隔空點(diǎn)燈的工作原理和運(yùn)用高頻電子技術(shù)課程中的方法分析特斯拉線圈的等效電路（體現(xiàn)了課程之間的交叉融合）．2.5PBL教學(xué)．根據(jù)課程的知識點(diǎn)和相關(guān)應(yīng)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(wù)，2人一組進(jìn)行資料準(zhǔn)備，課上合作進(jìn)行講座實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂．2.6移動智慧教學(xué)．依托超星泛雅網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺推廣應(yīng)用多項(xiàng)教學(xué)方法，以培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提高能力素質(zhì)、擴(kuò)大信息量、拓寬知識面為教學(xué)目的，綜合運(yùn)用啟發(fā)式、互動式、探究式、討論式等多種教學(xué)方法．根據(jù)課程內(nèi)容體系重點(diǎn)講授基本概念、基本原理和方法（技術(shù)），采用多種教學(xué)形式，提出“自主、互動、探究式”移動智慧教學(xué)新模式．該模式緊密結(jié)合一平三端資源[12]，打破原有的教學(xué)模式，合理運(yùn)用信息技術(shù)、數(shù)字資源、教學(xué)平臺和信息化教學(xué)環(huán)境．通過充分使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺調(diào)用資源，教學(xué)符號、多媒體、文字、批注等制作教學(xué)課件并對課件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)存儲．學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)隨時調(diào)用課件，課件資源也可在一定范圍內(nèi)共建共享，教學(xué)效果突出，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率．其主要特點(diǎn)是：多種現(xiàn)代化教學(xué)方法綜合，學(xué)生素質(zhì)得到全面提高；實(shí)現(xiàn)了被動學(xué)習(xí)方式向主動學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變；培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力；突出教學(xué)過程中學(xué)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(xué)模式改革從2016級相關(guān)專業(yè)開始試點(diǎn)，以近3期學(xué)生（分別為2015級、2016級和2017級電子信息工程專業(yè)1班、2班和通信工程專業(yè)學(xué)生，其中2015級為對照）的卷面成績和綜合成績進(jìn)行對比，結(jié)果見表2．堂筆記和作業(yè)（30%，學(xué)生通過拍照的方式上傳至線上作業(yè)中）和學(xué)生講座（20%）．從結(jié)果對比來看，近3年各教學(xué)班的成績穩(wěn)中有升．3.2學(xué)生評價分?jǐn)?shù)．以近3期學(xué)生（分別為2015級、2016級和2017級電子信息工程專業(yè)1班、2班和通信工程專業(yè)學(xué)生，其中2015級為對照）的評教得分再次進(jìn)行對比，結(jié)果見表3．評教得分為各年級2個專業(yè)的參評學(xué)生的總平均分．從結(jié)果對比來看，混合式教學(xué)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(xué)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(xué)，取得了一些成績．本課程的線上資源包括任務(wù)點(diǎn)152個、PPT480份、教學(xué)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(xué)包，目前引用量為60人次．2019年6月以團(tuán)隊形式參加了校第一屆“超星杯”移動教學(xué)大賽暨智慧課堂教學(xué)創(chuàng)新大賽獲一等獎，12月代表學(xué)校參加了安徽省應(yīng)用型高校聯(lián)盟第三屆“超星杯”智慧教學(xué)創(chuàng)新大賽獲得二等獎．綜上所述，經(jīng)過2年的教學(xué)模式改革，雖然已取得初步成效，但還存在線上教學(xué)資源和學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)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(xué)質(zhì)量更有效等相關(guān)問題．

一軟件設(shè)計工具與相關(guān)技術(shù)

本套教學(xué)演示軟件采用面向?qū)ο笳Z言Python進(jìn)行編寫與開發(fā)，調(diào)用了Python自帶的軟件庫及Numpy、WxPython、Matplotlib等對其進(jìn)行設(shè)計，并使用wxFormBuilder、FlashCS6、pyinstaller、enigmavirtualbox等應(yīng)用軟件對程序進(jìn)行輔助設(shè)計[8]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，使用輔助工具wxFormBuilder和手動編寫WxPython代碼對整體GUI進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的布局，使用Numpy和Matplotlib對仿真過程中的無耗傳輸線方程進(jìn)行計算求解，以及傳輸線上電壓和電流波形的動態(tài)演示，使用FlashCS6對素材進(jìn)行整合和裁剪，利用pyinstaller和enigmavirtualbox對源代碼文件和素材進(jìn)行打包，并封裝成單獨(dú)可執(zhí)行文件，以達(dá)到易用性的目的[10]。

二軟件需求分析與設(shè)計流程

在電子信息類課程的教學(xué)中，電磁場與微波技術(shù)的教學(xué)是其中一個重點(diǎn)也是難點(diǎn)。目前的微波技術(shù)教學(xué)主要采用文字、靜態(tài)圖像資料或PPT來進(jìn)行教學(xué)，從而導(dǎo)致教學(xué)過程中存在以下難點(diǎn)：（1）教學(xué)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(tǒng)書本教材所提供的圖例都為靜態(tài)圖片，如果沒有對電磁學(xué)有一定深入的理解，很難從靜態(tài)圖片中體會到電磁學(xué)中物理量的動態(tài)變化，而這一缺點(diǎn)是采用書本教學(xué)無法避免的。（3）電磁學(xué)的理論較為抽象，并且復(fù)雜，單純的使用圖像和文本板書的形式不僅加大了學(xué)生對這些理論的認(rèn)知難度，同時也難以提高學(xué)生的興趣。采用多媒體技術(shù)輔助教學(xué)是有效提高教學(xué)效果的重要途徑，通過播放電磁場與微波技術(shù)課程中的演示動畫，理論與實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生自發(fā)地理解和掌握課本知識。同時，有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，深入理解課程內(nèi)容?；谝陨峡紤]，對電磁場與微波技術(shù)多媒體動畫演示軟件的開發(fā)需求就顯得十分重要，通過整理微波技術(shù)的教學(xué)資源，并利用動態(tài)圖像，動畫，視頻等多媒體資源來對枯燥的電磁學(xué)公式進(jìn)行解釋，把課本上一些復(fù)雜的理論知識，通過多媒體的形式表現(xiàn)出來，從而有利于加深學(xué)生對相關(guān)理論的直觀感受，從而幫助學(xué)生對微波技術(shù)專業(yè)知識的理解，取得更好的教學(xué)效果。因此，基于多媒體技術(shù)的電磁場與微波技術(shù)教學(xué)軟件的開發(fā)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。（一）演示界面切換需求。在電磁場與微波技術(shù)多媒體教學(xué)演示軟件系統(tǒng)中，主界面為微波技術(shù)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(zhuǎn)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(jù)用戶點(diǎn)擊的轉(zhuǎn)換按鍵分別展示不同的傳輸線電路圖和不同的參數(shù)輸入框；根據(jù)用戶點(diǎn)擊的顯示和隱藏按鍵，分別展示所要求展示的波形；根據(jù)用戶點(diǎn)擊的啟動和暫停按鍵，決定動態(tài)波形的演示和暫停。（二）參數(shù)輸入輸出控制需求。參數(shù)輸入控制是結(jié)合按鍵控制功能中“傳輸線類型轉(zhuǎn)換按鍵”來設(shè)計的。根據(jù)設(shè)定不同的傳輸線類型更換不同的參數(shù)輸入控制，默認(rèn)只允許用戶自定義輸入輸出阻抗，并且選擇性地根據(jù)傳輸線類型開放和鎖定輸出阻抗的不同輸入框。默認(rèn)鎖定禁止用戶定義傳輸線的特征參數(shù)的輸出結(jié)果，并且初值為空。當(dāng)輸入?yún)?shù)完畢后，按下開始按鍵，軟件會根據(jù)給定的輸入?yún)?shù)計算得到輸出結(jié)果，并將計算結(jié)果反饋到輸出框上。（三）菜單控制需求。在該軟件系統(tǒng)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(zhǔn)備。菜單內(nèi)容主要分為五個部分：波導(dǎo)、波投射、極化波、其他應(yīng)用及版權(quán)信息等。波導(dǎo)菜單用來演示不同波導(dǎo)形式內(nèi)部電磁場分布的動態(tài)效果；波投射用來演示均勻平面波在不同介質(zhì)中的反射、透射情況，以及平面電磁波在介質(zhì)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(tài)傳播過程動畫；其他菜單用來演示電磁場與微波技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中的應(yīng)用領(lǐng)域，以及展示軟件的作者和版權(quán)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(dá)出有用信息，具有能夠反應(yīng)客觀世界的屬性，并且能夠承載更多的信息量。本文的目標(biāo)是通過所設(shè)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(yùn)動過程，從而突出變化的事物在運(yùn)動過程中的本質(zhì)規(guī)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(xué)生的興趣，獲得較好的教學(xué)效果。本設(shè)計中，F(xiàn)lash動畫素材占據(jù)大多數(shù)的多媒體演示，包括波導(dǎo)的場分布，均勻平面波的投射，極化波的動態(tài)展示，以及微波技術(shù)在實(shí)際生活當(dāng)中的應(yīng)用等?；谝陨闲枨蠓治觯疚乃捎玫能浖O(shè)計流程及思路如圖2所示。

三軟件設(shè)計的功能實(shí)現(xiàn)與效果展示

電磁場與微波技術(shù)多媒體教學(xué)軟件的開發(fā)目的是為了在教學(xué)過程中，充分發(fā)揮多媒體素材的直觀性與交互性，動態(tài)畫面的展示效果并且易于使用。因此，軟件系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容主要包括系統(tǒng)的界面設(shè)計、交互設(shè)計以及設(shè)計等三個方面[11]。（一）界面設(shè)計。本文所設(shè)計的電磁場與微波技術(shù)多媒體教學(xué)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(tǒng)組件的布置、擺放以及對不同的控件素材進(jìn)行整合與設(shè)計，從而使得多媒體教學(xué)軟件能夠以合適、科學(xué)的運(yùn)行狀態(tài)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(shè)計遵循簡單、實(shí)用、風(fēng)格統(tǒng)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(tài)分析仿真界面，副界面為Flash動畫的展示。在主界面中，將內(nèi)容展示放在界面的正中心，以達(dá)到用戶的視覺中心及主體突出的效果。內(nèi)容展示分為兩部分，上半部分為波形的動態(tài)仿真區(qū)域，用于顯示傳輸線上電壓和電流的波形仿真結(jié)果，即動態(tài)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(yīng)關(guān)系。在內(nèi)容展示下方設(shè)置主要交互界面，用于對展示的內(nèi)容進(jìn)行操作，包括切換傳輸線的負(fù)載類型，輸入負(fù)載參數(shù)，打開或關(guān)閉電壓電流顯示選項(xiàng)，啟動和暫停波形仿真，滿足用戶的操作習(xí)慣[13]。（二）交互設(shè)計。電磁場與微波技術(shù)多媒體教學(xué)軟件的交互設(shè)計主要體現(xiàn)在用戶與仿真界面的交互，用戶與參數(shù)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(jìn)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(guān)，用戶可通過這四個按鈕進(jìn)行與仿真界面的交互。在用戶選擇傳輸線類型之后，參數(shù)的輸入輸出框會隨之改變以適應(yīng)模型，用戶可通過輸入框輸入合法參數(shù)，在點(diǎn)擊啟動按鈕后程序會自動計算得出模型參數(shù)的計算結(jié)果并顯示在輸出框，從而達(dá)到用戶與參數(shù)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(nèi)嵌必要的交互按鈕，根據(jù)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(shù)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(shí)現(xiàn)與Flash演示動畫的交互。（三）設(shè)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(jìn)行打包，生成單文件可執(zhí)行程序。再將該可執(zhí)行程序利用文件虛擬化技術(shù)，同所使用的資源文件一起再進(jìn)行打包，最終形成一個可直接解壓，無須依賴其他文件運(yùn)行的可執(zhí)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(yùn)行依賴于python的環(huán)境，在其他的操作系統(tǒng)上可能未擁有相應(yīng)的環(huán)境，再者本程序所使用的第三方工具包可能在不同環(huán)境下也有所不同，加之python系統(tǒng)版本差異等原因，所以要使python程序能在其他機(jī)器上運(yùn)行，將其打包是必要的。（四）flash播放功能實(shí)現(xiàn)。在菜單欄中點(diǎn)擊相應(yīng)的菜單項(xiàng)目，軟件能夠從本地中獲取同名flash資源對其進(jìn)行播放。flash播放功能的實(shí)現(xiàn)，其過程為，按下按鍵后彈出一個wxpython新彈窗，加載系統(tǒng)的ActiveX控件播放相應(yīng)的flash視頻。窗口大小等依照傳入?yún)?shù)即文件名進(jìn)行讀取并啟用ActiveX進(jìn)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(zhì)分界面上的flash動畫演示。五結(jié)論本文設(shè)計和開發(fā)了一款電磁場與微波技術(shù)多媒體動畫教學(xué)演示軟件。首先，介紹了多媒體動畫教學(xué)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，同時根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，分析軟件的需求及重點(diǎn)與難點(diǎn)。其次，通過設(shè)計和實(shí)現(xiàn)該教學(xué)演示軟件，比較直觀地展現(xiàn)了如何將多媒體教學(xué)素材和相關(guān)專業(yè)知識點(diǎn)相結(jié)合，為其它的基于PC端的多媒體教學(xué)演示軟件的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)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(huán)境和素材資源的程序工程文件夾轉(zhuǎn)換成一個單文件的可執(zhí)行程序，為今后將桌面多文件程序封裝成單文件應(yīng)用程序提供借鑒。最后，通過本次設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，展現(xiàn)了采用Python語言開發(fā)的簡便性；通過把電磁場與微波技術(shù)的抽象知識轉(zhuǎn)化為具體動畫演示的過程也顯示了多媒體動畫教學(xué)的優(yōu)越性。

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

關(guān)鍵詞:磁懸浮列車;直線同步電機(jī);電磁場分析;有限元法;模擬計算

常導(dǎo)高速吸浮型磁懸浮列車是一個典型的直線同步電機(jī)對象,而且又有別于一般的直線同步電機(jī)。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(shè)置發(fā)電繞組,因此其磁場分布極為復(fù)雜。其懸浮力和推力不僅受到轉(zhuǎn)子電流、定子電流和氣隙寬度的影響,而且受到定子齒槽、發(fā)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(guān)系對于保證懸浮和推進(jìn)的可靠性有著十分重要的意義。盡管國內(nèi)外學(xué)者圖1常導(dǎo)高速磁懸浮列車中直線同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖對于直線同步電機(jī)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(tǒng)研究尚未見到詳細(xì)的報道。為此我們應(yīng)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(dǎo)高速磁懸浮列車的電磁場進(jìn)行了比較全面的分析和計算,獲得了一些與文獻(xiàn)報道和以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符的結(jié)果[1]。

1常導(dǎo)吸浮型高速磁懸浮列車中直線同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

常導(dǎo)磁懸浮列車所用的直線同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1,它屬于單邊長定子直線同步凸極電動機(jī)。長定子由地面上的軌道構(gòu)成,轉(zhuǎn)子由車載電磁鐵構(gòu)成。轉(zhuǎn)子繞組中加有直流電流,形成懸浮磁場,與定子作用產(chǎn)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(chǎn)生推力[1]。

2有限元模型的建立

麥克斯韋用場的觀點(diǎn)分析了電磁現(xiàn)象，認(rèn)為變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場．這是電磁場理論的第二個要點(diǎn)．一個靜止的電荷，它產(chǎn)生的是靜電場，即空間各點(diǎn)的電場強(qiáng)度不隨時間而改變．這個電荷一旦運(yùn)動起來，電場就發(fā)生變化．另一方面，運(yùn)動電荷要產(chǎn)生磁場，用場的觀點(diǎn)來分析這個問題，就可以說：這個磁場是由變化的電場產(chǎn)生的．”筆者認(rèn)為，這里用運(yùn)動電荷產(chǎn)生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點(diǎn)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(xiàn)行課本（必修）中沒有這個例子，但是這個例子在現(xiàn)在的高中物理教學(xué)中仍然存在著不良的影響．最近，筆者帶學(xué)生在中學(xué)教育實(shí)習(xí)時發(fā)現(xiàn)了甲種本的這個例子，接著對廣州市的中學(xué)物理教學(xué)做了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前仍有一些中學(xué)在教學(xué)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(jìn)一步的分析．

變化的電場能夠在周圍的空間產(chǎn)生磁場是麥克斯韋電磁場理論的第二個要點(diǎn)，也是麥克斯韋對電磁場理論的最主要的貢獻(xiàn)．這樣，不但傳導(dǎo)電流（由電荷運(yùn)動引起）能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場，而且變化的電場（或“位移電流”）也能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場．也就是說，產(chǎn)生磁場的途徑有兩種：電流（傳導(dǎo)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(yùn)動電荷要產(chǎn)生磁潮，可以從兩個層次來理解．

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

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

綜上分析，甲種本用一個運(yùn)動電荷產(chǎn)生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點(diǎn)是欠妥的，其結(jié)論“這個磁場是由變化的電場產(chǎn)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(diǎn)包含著深刻而新穎的思想，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)難以為物理學(xué)家們所接受，直到25年之后，赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(rèn)．可見，“變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)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(diǎn)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?qū)W生強(qiáng)調(diào)：電流和變化的電場是產(chǎn)生磁場的兩種途徑．最近筆者帶學(xué)生到中學(xué)教育實(shí)習(xí)時，就有一些中學(xué)生問實(shí)習(xí)老師（筆者帶的實(shí)習(xí)生）：“當(dāng)穩(wěn)恒電流通過直導(dǎo)線時，周圍空間的磁場是穩(wěn)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(diǎn)相矛盾嗎？”這說明學(xué)生誤以為要產(chǎn)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(chǎn)生磁場．或者說，學(xué)生學(xué)習(xí)了變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場，卻忘記了電流是產(chǎn)生磁場的基本途徑．

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(jìn)行理論教學(xué)［4］;2)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式，將部分學(xué)時分配到課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個環(huán)節(jié)進(jìn)行理論和實(shí)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(dāng)對具體的問題進(jìn)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(bǔ)充教材進(jìn)行印證補(bǔ)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(jìn)行進(jìn)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(jìn)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(diǎn)以后對每一個知識點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)和課后枯燥機(jī)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(diǎn)和不同的公式之間疲于奔命，難以進(jìn)行清晰有效地理解和探討。模式2)將實(shí)驗(yàn)教學(xué)加入到理論教學(xué)中，部分解決了理論和實(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)還是實(shí)驗(yàn)室學(xué)生自己動手的實(shí)驗(yàn)，都需要相對比較多的時間進(jìn)行鋪墊準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容;2)由于實(shí)驗(yàn)室相對較少，設(shè)備以及維護(hù)費(fèi)用相對昂貴，通常無法滿足每個學(xué)生的教學(xué)需求;3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常只針對可以用簡單的實(shí)驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)的知識點(diǎn)，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)計的前提是這些知識點(diǎn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)必須是可以直觀地進(jìn)行現(xiàn)象觀察的。這些限制條件決定了符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的知識點(diǎn)缺乏全面性?？梢哉f，投入的時間和財力都不少，但是涉及的知識點(diǎn)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(shí)踐性補(bǔ)充，并未提到特別重視的位置。目前，計算機(jī)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(jī)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(jìn)行學(xué)習(xí)，因?yàn)檫@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(fù)擔(dān)，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(jìn)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(diǎn)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(jìn)行觀察和規(guī)律分析。

2課程設(shè)計實(shí)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(jìn)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(diǎn)進(jìn)行綜合討論的內(nèi)容來進(jìn)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(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且在觀察物理現(xiàn)象時也不必拘泥于實(shí)驗(yàn)裝置和物理實(shí)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(diǎn)的題目進(jìn)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(jìn)行直觀化理解的物理現(xiàn)象進(jìn)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(jìn)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(rèn)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(jī)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(jī)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(shí)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(dá)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(biāo)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(shí)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(rèn)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(jī)械波完全一樣，學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁波時通常以機(jī)械波為原型來進(jìn)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(shí)現(xiàn)對下述物理現(xiàn)象的建模，并實(shí)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(jìn)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(biāo)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(jìn)行編程設(shè)計有一定的了解，能夠用Matlab進(jìn)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(jìn)行知識探索。最后，學(xué)生在進(jìn)行編程建模仿真的過程中強(qiáng)化了知識點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容?！拔⒉夹g(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(diǎn)進(jìn)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(jìn)行了模式分析編程設(shè)計;2)針對諧振腔和微擾理論，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(rèn)識。

3結(jié)束語

綜上所述，在計算機(jī)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(diǎn)進(jìn)行模型化仿真和現(xiàn)象分析，有助于進(jìn)一步加深學(xué)生對知識點(diǎn)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。

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(diǎn)分析了電磁現(xiàn)象，認(rèn)為變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場．這是電磁場理論的第二個要點(diǎn)．一個靜止的電荷，它產(chǎn)生的是靜電場，即空間各點(diǎn)的電場強(qiáng)度不隨時間而改變．這個電荷一旦運(yùn)動起來，電場就發(fā)生變化．另一方面，運(yùn)動電荷要產(chǎn)生磁場，用場的觀點(diǎn)來分析這個問題，就可以說：這個磁場是由變化的電場產(chǎn)生的．”筆者認(rèn)為，這里用運(yùn)動電荷產(chǎn)生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點(diǎn)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(xiàn)行課本（必修）中沒有這個例子，但是這個例子在現(xiàn)在的高中物理教學(xué)中仍然存在著不良的影響．最近，筆者帶學(xué)生在中學(xué)教育實(shí)習(xí)時發(fā)現(xiàn)了甲種本的這個例子，接著對廣州市的中學(xué)物理教學(xué)做了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前仍有一些中學(xué)在教學(xué)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(jìn)一步的分析．

變化的電場能夠在周圍的空間產(chǎn)生磁場是麥克斯韋電磁場理論的第二個要點(diǎn)，也是麥克斯韋對電磁場理論的最主要的貢獻(xiàn)．這樣，不但傳導(dǎo)電流（由電荷運(yùn)動引起）能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場，而且變化的電場（或“位移電流”）也能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場．也就是說，產(chǎn)生磁場的途徑有兩種：電流（傳導(dǎo)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(yùn)動電荷要產(chǎn)生磁潮，可以從兩個層次來理解．

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

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

綜上分析，甲種本用一個運(yùn)動電荷產(chǎn)生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點(diǎn)是欠妥的，其結(jié)論“這個磁場是由變化的電場產(chǎn)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(diǎn)包含著深刻而新穎的思想，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)難以為物理學(xué)家們所接受，直到25年之后，赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(rèn)．可見，“變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)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(diǎn)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?qū)W生強(qiáng)調(diào)：電流和變化的電場是產(chǎn)生磁場的兩種途徑．最近筆者帶學(xué)生到中學(xué)教育實(shí)習(xí)時，就有一些中學(xué)生問實(shí)習(xí)老師（筆者帶的實(shí)習(xí)生）：“當(dāng)穩(wěn)恒電流通過直導(dǎo)線時，周圍空間的磁場是穩(wěn)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(diǎn)相矛盾嗎？”這說明學(xué)生誤以為要產(chǎn)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(chǎn)生磁場．或者說，學(xué)生學(xué)習(xí)了變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場，卻忘記了電流是產(chǎn)生磁場的基本途徑．

一、電場、磁場和電磁場會產(chǎn)生哪些生物影響

WHO將這種磁場、電磁場和電場所產(chǎn)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(dāng)暴露在外而引起的生物系統(tǒng)內(nèi)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(fā)生了。而當(dāng)“生物影響”超過了身體補(bǔ)償?shù)恼７秶鷷r，“有害影響”就開始發(fā)生，這是導(dǎo)致生物發(fā)生某種有害健康的特征。輸變電設(shè)施對生物的影響主要表現(xiàn)為，其能激發(fā)生物體內(nèi)產(chǎn)生微量的感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓，這些感應(yīng)電流和電壓比生物體自身所產(chǎn)生的電流和電壓要小得多，這對生物體內(nèi)是沒有任何影響的。據(jù)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(shí)驗(yàn)室能準(zhǔn)確的證明，在環(huán)境中或在家里所碰到的磁場強(qiáng)度下，其極低的頻率會對人的行為和生理產(chǎn)生影響；有志愿者將自己暴露在磁場強(qiáng)度為5毫特斯拉的超低頻磁場達(dá)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(jù)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(fā)致癌的；根據(jù)最近的把動物放進(jìn)最低頻電磁場會誘導(dǎo)其致癌的研究，其結(jié)果是否定的。由于個別低頻暴露電磁場和兒童患白血病關(guān)聯(lián)的的研究表明，其缺乏科學(xué)研究依據(jù)。

二、電場、磁場和電磁場不會危及人體

輸變電設(shè)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(yīng)的是磁場和電場。其實(shí)在我們生活中，微電場和磁場隨處可見，當(dāng)在家中接通家用電器，其導(dǎo)線周圍就產(chǎn)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(yè)頻率”，這屬于極低頻率電場。電力博士陸家榆介紹，帶電導(dǎo)體所產(chǎn)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(shè)施周圍隨著其和外界生物體的距離增加，強(qiáng)度也隨著減弱。在電力設(shè)施周圍中，磁場和電場是互為獨(dú)立存在的，它們并不形成高頻波那樣向外界空間轉(zhuǎn)播和輻射能量并以波的形式傷害生物體。所以在世界各權(quán)威組織中所對極低頻對環(huán)境的影響研究中，他們都只提及電場和磁場對環(huán)境的影響，而從未提及電磁場對環(huán)境的影響。實(shí)際上，對輸變電工程設(shè)施的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限定比國際標(biāo)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)還要嚴(yán)格。WTO所推薦的國際權(quán)威組織所頒布的旨在保護(hù)公眾健康工頻電磁場強(qiáng)度在6千伏/米范圍內(nèi)，其工頻強(qiáng)度暴露值為0.1毫特斯拉，其實(shí)在實(shí)際施工中還低于這個標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，在我們生活領(lǐng)域中，電磁場隨處可見。據(jù)測算，當(dāng)我們在家中打開電腦或電視機(jī)時，當(dāng)我們欣賞美麗的月光時，其實(shí)身邊的電磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸變電設(shè)施的電磁場強(qiáng)度。其實(shí)我們生活的周圍隨處都能看到產(chǎn)生磁場的物體，比如我們生活的地球，其產(chǎn)生的磁場比我們普通輸變電設(shè)施產(chǎn)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(dāng)在磁場轉(zhuǎn)動來測時，其磁場強(qiáng)度為100微特斯拉，其強(qiáng)度相當(dāng)于輸變電設(shè)施產(chǎn)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(shí)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(jù)美國環(huán)境衛(wèi)生院的研究表明，其實(shí)傷害人體的最尅禍?zhǔn)撞⒎鞘禽斪冸娫O(shè)施，而是來這哪些冶煉設(shè)備、各種電器化交通、各種機(jī)動電器等。當(dāng)這些電器工作是所產(chǎn)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(jīng)常用的手機(jī)，接電話時，會產(chǎn)生1.8吉赫茲，就相當(dāng)15厘米的的波，這對經(jīng)常接聽電話的人來說傷害極大。其次還有微波爐等。

三、總結(jié)

經(jīng)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(huán)境的是良性的。

【摘要】《電磁場》課程與當(dāng)前的科研熱點(diǎn)密切相關(guān)，卻為廣大教師所忽視；重視《電磁場》課程與科研的關(guān)系研究，對于促進(jìn)《電磁場》這樣一門教學(xué)與學(xué)習(xí)難度很大的電子信息專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)作用很大。本文從當(dāng)前電磁場領(lǐng)域的天線的四分之一波長反射板應(yīng)用、人工磁導(dǎo)體（ArtificialMagneticConductor,AMC）和“隱身衣”等研究熱點(diǎn)淺談科研對電磁場課程教學(xué)的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】電磁場；課程教學(xué)；科研

0引言

探討《電磁場》課程教學(xué)方法的論文已經(jīng)不少[1-4]，但是科研對《電磁場》課程的促進(jìn)作用的論文卻很少見。實(shí)際上，有些教師對于科研對電磁場教學(xué)（其他課程亦然）具有重大促進(jìn)作用并不太認(rèn)同；或者一些老師雖口頭上認(rèn)同科研對電磁場教學(xué)有促進(jìn)作用，但卻體會不深，思想上也不重視。筆者認(rèn)為科研對電磁場課程的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1）科研可以使教師透徹理解知識點(diǎn)，授課更加準(zhǔn)確、自信；2）教學(xué)中增加科研前沿可以促進(jìn)學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，在愉快地學(xué)習(xí)；4）科研前沿在課堂的滲透可以培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣，潛移默化中鼓勵學(xué)生進(jìn)入科學(xué)研究的殿堂。

1科研與電磁場教學(xué)

從教學(xué)來說，將課本枯燥的理論知識與實(shí)際應(yīng)用和國際前沿科學(xué)研究聯(lián)系起來，以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。電磁場課程不但學(xué)習(xí)困難，而且很多學(xué)生反映不知道學(xué)習(xí)這門課有何用處，這些問題嚴(yán)重打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，我們在授課時要注意穿插電磁場知識在我們實(shí)際中的應(yīng)用，讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)并不單單是枯燥的理論知識，這些知識都是指導(dǎo)實(shí)際的基礎(chǔ)，解決學(xué)生為什么要學(xué)的問題。除可適當(dāng)介紹電磁場在通信（手機(jī)、基站、衛(wèi)星等）、探測（探地雷達(dá)，石油探測等）、定位（各種雷達(dá)）和微波醫(yī)療等的應(yīng)用外，還可介紹具體知識的應(yīng)用。如當(dāng)講授電磁波對理想導(dǎo)體平面的垂直入射這一章節(jié)時，將會講到電磁波全部被理想導(dǎo)體（PEC）反射回來且反相（反射系數(shù)為Γ＝－1），此時可以引申這一特性在天線上的應(yīng)用。如圖1所示，在很多定向天線應(yīng)用中，經(jīng)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(dá)到提高天線增益3dB及屏蔽背面物體的目的。因?yàn)槔硐雽?dǎo)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(nèi)容的拓展，可以使得學(xué)生明白所學(xué)知識并非無用處，而是在實(shí)際中大有用處的，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。圖1理想導(dǎo)體在天線上的應(yīng)用同時可適當(dāng)介紹本課程理論知識與國際前沿科學(xué)研究的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生探索知識的熱情。介紹當(dāng)前國際前沿科學(xué)研究時，可將其嵌入到具體的關(guān)聯(lián)章節(jié)知識講授中，使學(xué)生明白課堂所學(xué)知識與當(dāng)前研究熱點(diǎn)的聯(lián)系。如在圖1講到的理想導(dǎo)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(diǎn)就是體積太大。但現(xiàn)代微波系統(tǒng)不斷小型化的背景下，PEC作為反射板越來越不適用。當(dāng)前國際前沿研究的一個熱點(diǎn)人工磁導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長，整個天線系統(tǒng)的尺寸大大減小了。從而讓學(xué)生了解科學(xué)研究的前沿，提高學(xué)習(xí)的興趣。圖2人工磁導(dǎo)體在天線上的應(yīng)用如當(dāng)講授電磁波對介質(zhì)分界面的斜入射知識時，可列舉2013年浙江大學(xué)陳紅勝團(tuán)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(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波入射到結(jié)構(gòu)上時發(fā)生全透射現(xiàn)象（折射），經(jīng)過數(shù)次折射當(dāng)電磁波出射該結(jié)構(gòu)時，波的傳播路徑不變，就好像從來沒存在該結(jié)構(gòu)一樣，而放置于結(jié)構(gòu)中心的物體就被隱身了。這種學(xué)科前沿知識的介紹，讓學(xué)生明白了所學(xué)課本知識與科學(xué)研究的關(guān)系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。圖3應(yīng)用電磁波對介質(zhì)分界面的斜入射知識的“隱身衣”俗話說興趣是學(xué)習(xí)的最好老師，適當(dāng)介紹電磁場理論知識在實(shí)際工程中的應(yīng)用和在國際科學(xué)研究前沿的應(yīng)用，可以活潑課堂教學(xué)，讓學(xué)生明白電磁場知識是怎樣在實(shí)際工程中應(yīng)用的，讓學(xué)生了解當(dāng)前科學(xué)研究前沿，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，大大提高課堂教學(xué)的效果。

摘要：本文加強(qiáng)了對電磁場技術(shù)體積電磁波技術(shù)的深入研究，并對其具體應(yīng)用情況展開了分析討論。

關(guān)鍵詞：電磁場；電磁波；電子通信技術(shù)

在當(dāng)前信息時代，伴隨信息技術(shù)的飛速發(fā)展，社會生活也發(fā)生了很大的改變。在通信領(lǐng)域電磁場與電磁波的應(yīng)用越來越發(fā)揮重要作用，從而體現(xiàn)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(yīng)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(dǎo)航、雷達(dá)、廣播等多種電子設(shè)備產(chǎn)品在通信中的應(yīng)用都需要應(yīng)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(xué)家首先提出來的，由于當(dāng)時具有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不是很發(fā)達(dá)，因此也就沒有辦法對這一結(jié)論做進(jìn)一步的說明。從18世紀(jì)以后，英國和法國科學(xué)家才通過多種不同的儀器設(shè)備對之前英國科學(xué)家提出的電磁現(xiàn)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(xué)家提出，電和磁間有很大的關(guān)聯(lián)性，在通過多次科學(xué)實(shí)驗(yàn)之后，人們發(fā)現(xiàn)將磁棒導(dǎo)入到導(dǎo)體圈，那么就會有較強(qiáng)的電流產(chǎn)生，這也就說明電與磁間兩者所具有的關(guān)聯(lián)性。由帶電物體所產(chǎn)生的一種物理場被稱為電磁場，它本身是屬于電磁學(xué)范疇。電磁場中所有帶電物體都可以感受到電磁場的強(qiáng)大力量，其應(yīng)用特點(diǎn)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(lián)系、相互依存的電場、磁場的有機(jī)統(tǒng)一。伴隨時間的推移，電場在一定條件下會產(chǎn)生磁場，同樣，磁場一定條件下也會產(chǎn)生電場，兩者之間互為因果關(guān)系。

[摘要]物理教學(xué)既要發(fā)展學(xué)生的智力，又要培養(yǎng)學(xué)生的能力。只要運(yùn)用科學(xué)的方法將知識傳授給學(xué)生，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰妥詫W(xué)能力的培養(yǎng)，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，就能提高教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]物理教學(xué)電磁學(xué)電磁場電路

物理教材中所闡述的內(nèi)容主要是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)知識，這些理論是建立在牛頓時空觀的基礎(chǔ)上，以力學(xué)、電磁學(xué)為重點(diǎn)。本文就電磁學(xué)部分的教學(xué)談?wù)勛约旱挠^點(diǎn)。

一、電磁學(xué)的知識體系

電磁運(yùn)動是物質(zhì)的一種基本運(yùn)動形式。電磁學(xué)的研究范圍是電磁現(xiàn)象的規(guī)律及其應(yīng)用，其具體內(nèi)容包括靜電現(xiàn)象、電流現(xiàn)象、磁現(xiàn)象、電磁輻射和電磁場等。為了便于研究，把電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象分開處理，實(shí)際上，這兩種現(xiàn)象總是緊密聯(lián)系而不可分割的。透徹分析電磁學(xué)的基本概念、原理和規(guī)律以及它們的相互聯(lián)系，才能使孤立的、分散的教學(xué)變成系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的教學(xué)。對此，應(yīng)從以下三個方面來認(rèn)真分析教材。

1.電磁學(xué)的兩種研究方式