導(dǎo)語：電磁場(chǎng)理論課課程設(shè)計(jì)論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，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(jì)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(dòng)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(shí)分配到課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)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(shí)數(shù)有限，在顧及了教學(xué)廣度的同時(shí)，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(shí)看各種物理現(xiàn)象覺得好玩，下課后卻對(duì)課堂上學(xué)習(xí)的具體知識(shí)茫然無解，當(dāng)對(duì)具體的問題進(jìn)行討論分析時(shí)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(dòng)性，在課后深入地學(xué)習(xí)課本上的知識(shí)，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(duì)課本上的知識(shí)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(duì)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(duì)比較寬泛的知識(shí)點(diǎn)以后對(duì)每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固學(xué)習(xí);但是，對(duì)于缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性的學(xué)生來說，課堂上種類繁多的知識(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)手的實(shí)驗(yàn)，都需要相對(duì)比較多的時(shí)間進(jìn)行鋪墊準(zhǔn)備，在有限的教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)無法針對(duì)每一個(gè)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(duì)較少，設(shè)備以及維護(hù)費(fèi)用相對(duì)昂貴，通常無法滿足每個(gè)學(xué)生的教學(xué)需求;3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常只針對(duì)可以用簡單的實(shí)驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)的知識(shí)點(diǎn)，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前提是這些知識(shí)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(shí)點(diǎn)缺乏全面性?？梢哉f，投入的時(shí)間和財(cái)力都不少，但是涉及的知識(shí)點(diǎn)卻不夠全面。課程設(shè)計(jì)這個(gè)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(gè)實(shí)踐性補(bǔ)充，并未提到特別重視的位置。目前，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的普及情況為課程設(shè)計(jì)提供了另外一種思路，即數(shù)字化的課程設(shè)計(jì)方法。隨著計(jì)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(shí)的前提下學(xué)會(huì)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(huì)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(huì)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(shì)和提升專業(yè)技能而需要學(xué)會(huì)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(huì)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(shí)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(jì)的思路，即針對(duì)教學(xué)中需要掌握并深入剖析的知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，讓學(xué)生在商業(yè)軟件平臺(tái)上建立并仿真電磁學(xué)的模型，利用學(xué)到的知識(shí)對(duì)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(jì)實(shí)例

課程設(shè)計(jì)是教學(xué)設(shè)計(jì)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，針對(duì)一個(gè)目的或者一個(gè)內(nèi)容進(jìn)行有計(jì)劃、有結(jié)構(gòu)的系列活動(dòng)。對(duì)電磁場(chǎng)理論相關(guān)的課程教學(xué)而言，課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容需要針對(duì)教學(xué)中比較難理解的、比較抽象的，或是需要對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合討論的內(nèi)容來進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)在“電子工程數(shù)學(xué)方法”“電磁場(chǎng)與波”以及“微波技術(shù)基礎(chǔ)”課程的課堂教學(xué)中，對(duì)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(jì)和討論。由于商業(yè)軟件平臺(tái)可以模擬相對(duì)理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且在觀察物理現(xiàn)象時(shí)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(jì)題目的設(shè)計(jì)上，可以選擇盡量涵蓋本課程大部分知識(shí)點(diǎn)的題目進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，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(duì)電磁波/場(chǎng)的概念還處于力線的范疇，對(duì)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(duì)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(gè)具象化的認(rèn)識(shí)。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(gè)說法而已。在這個(gè)前提下再提出如何求解波動(dòng)方程和泊松方程等方法，學(xué)生也只是迷茫地在幾個(gè)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(gè)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(gè)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(jì)題目是用軟件HFSS實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)、磁場(chǎng)以及壁電流分布。整個(gè)課程設(shè)計(jì)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(gè)有關(guān)波導(dǎo)管的工程問題，這個(gè)工程問題相關(guān)的物理現(xiàn)象是什么，描述這個(gè)物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)公式是哪一個(gè)，為了能表達(dá)出波導(dǎo)管內(nèi)部的場(chǎng)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(gè)課程設(shè)計(jì)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(dòng)方程的定解問題的求解，計(jì)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(duì)照的一個(gè)過程。同時(shí)，通過這次課程設(shè)計(jì)，學(xué)生普遍反映他們對(duì)HFSS這個(gè)商業(yè)軟件的建模方法和仿真手段有了相對(duì)深入的了解，對(duì)波動(dòng)方程和亥姆霍茲方程的推導(dǎo)和求解認(rèn)識(shí)深刻?！半姶艌?chǎng)與波”是針對(duì)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(chǎng)和時(shí)變電磁場(chǎng)的基礎(chǔ)理論知識(shí)［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(chǎng)的知識(shí)，空間中電磁波的傳播行為和狀態(tài)是一個(gè)全新的內(nèi)容，需要學(xué)生花更多的時(shí)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(shí)一般用正弦波來描述(動(dòng)態(tài)多媒體描述的時(shí)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(shí)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?cè)趯W(xué)習(xí)駐波、行駐波時(shí)出現(xiàn)困難。因此對(duì)這門課的課程設(shè)計(jì)題目做了如下設(shè)計(jì):利用編程軟件Matlab實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)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(jì)后，首先會(huì)對(duì)使用Matlab進(jìn)行編程設(shè)計(jì)有一定的了解，能夠用Matlab進(jìn)行電磁波的動(dòng)態(tài)顯示。其次會(huì)學(xué)會(huì)利用其他工具主動(dòng)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(dòng)利用現(xiàn)有的編程軟件或者商業(yè)軟件平臺(tái)進(jìn)行知識(shí)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(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。課程設(shè)計(jì)包含了電磁場(chǎng)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(shí)和入射角之間的關(guān)系等等問題，知識(shí)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(jì)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(jì)一個(gè)相對(duì)全面的課程設(shè)計(jì)比較困難。針對(duì)不同的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了不同的課程設(shè)計(jì)題目的設(shè)計(jì)，例如:1)針對(duì)波導(dǎo)腔體中的模式問題，進(jìn)行了模式分析編程設(shè)計(jì);2)針對(duì)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(duì)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(jì)，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(duì)磁材料的特性，進(jìn)行了極化扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)仿真設(shè)計(jì)。通過這些課程設(shè)計(jì)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)不同的微波器件性能的同時(shí)，對(duì)微波器件的設(shè)計(jì)方法、性能和其中的電磁場(chǎng)分布有了更加深刻直觀的了解和認(rèn)識(shí)。

3結(jié)束語

綜上所述，在計(jì)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(jì)敦促學(xué)生利用編程軟件和商業(yè)仿真軟件對(duì)相關(guān)知識(shí)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(duì)知識(shí)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(duì)理論的理解更加清晰，對(duì)理論對(duì)應(yīng)的工程應(yīng)用了解更加明確。這對(duì)于目前的大學(xué)本科學(xué)習(xí)來說，是一個(gè)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(xiàn)

［1］彭麟，姜興，仇玉杰.舉例淺談在電磁場(chǎng)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(chǎng)理論”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐［J］．石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2008，2(2):105－108.