仿真项目引入电磁场与电磁波课程的探讨

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1、仿真项目引入电磁场与电磁波课程的探讨　　[摘要]针对电磁场与电磁波课程知识点多、概念抽象、公式繁杂，知识更新快，学生需求量不同等特点，作者探索将不同深度和广度的仿真项目适时、适度的引入课程教学中。通过层次化仿真项目的练习，使学生加强对基础知识点的理解，培养学生的创新能力和可持续发展能力。以课程中一个非常重要的知识点――垂直极化波在分层介质中的传输来阐述层次化仿真项目的设计和教学。　　[关键词]电磁场与电磁波教学方法教学改革仿真项目　　[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2

2、013）18-0049-03　　[收稿时间]2013-06-26　　[基金项目]福建省本科院校基础课实验教学平台项目、福建江夏学院“专业综合改革试点”项目、福建江夏学院教学改革项目（J2012B041）。　　[作者简介]柯友刚（1984-），男，湖北黄冈人，硕士研究生，助教，研究方向：特异介质调控电磁波。　　引言7　　根据2010年高等教育出版社出版的《高等学校电子信息科学与工程类本科指导性专业规范（试行）》的要求，电磁场与电磁波课程被规定为电子信息类和电气类相关专业的学科基础知识体系之一，是通信工程、电

3、子信息工程和电子信息科学与技术等相关专业的一门重要的专业基础核心课程。电磁场与电磁波课程所涉及的基本理论又是一些交叉学科（如：生物电磁学、微波化学）的生长点和新兴边缘学科（如：计算电磁学、特异介质、变换光学）发展的基础。然而该门课程知识点多、概念抽象，理论性很强，数学基础及其应用能力、空间想象能力要求高，造成学生畏难和极强的厌学情绪。这与社会对掌握扎实的电磁场与电磁波知识的人才的巨大需求产生了矛盾。　　因此探索如何提高学生的学习兴趣，培养学生的动手能力、创新精神和可持续发展能力，是每位担任电磁场与电磁波课

4、程老师的使命。购买硬件开设电磁场与电磁波实验，可以将抽象的问题具体化，增加学生动手的机会，培养学生的兴趣。然而，“场”类实验配套设备昂贵，仪器操作复杂，使用不当可能造成较大的经济损失并且实验容易受到环境的影响，要获得准确的测量结果需要专门的测试场地。仿真软件可以弥补硬件实验的这些缺点，但它也具有将抽象场类问题具体化，增加学生动手机会，培养学生可持续发展能力的优点。作者探索将不同广度和不同难度层次的仿真项目引入课程教学。通过层次化仿真项目的练习，使学生加强对基础知识点的理解，培养学生的创新能力和可持续发展能

5、力。以课程中一个非常重要的知识点――垂直极化波在分层介质中的传输来阐述层次化仿真项目的设计和教学。　　一、理论模型　　以谢处方等人编写的电磁场与电磁波教材介绍垂直极化波对理想介质分界面斜入射的理论模型。如图1所示，垂直极化波从左侧以入射角为θi，斜入射到由介质1（介电常数和磁导率分别为ω1和μ71）和介质2（介电常数和磁导率分别为ω2和μ2）组成的分界面上。电磁波在分界面处发生反射和折射。由于垂直极化波的电场在x和z方向的分量均为零，所以入射电磁波的电场可表示为　　则对应的磁场为　　图1垂直极化波对理想介

6、质分界面的斜入射　　由于反射波和入射波在法向方向的波矢分量符号相反，在切向方向的波矢分量相等，因此反射波的电场可表示为　　其中Γ⊥为反射系数。对应的磁场为　　介质1中总的电场和磁场分别为　　出射波的电场和磁场可表示为　　其中τ⊥为透射系数，θt为折射角，k2为折射波矢的大小。　　根据边界条件，在z=0的分界面上，电场的切向分量和磁场的切向分量连续，即E1y（x，0）=E2y（x，0），H1x（x，0）=H2x（x，0），并利用k1sinθt=k2sinθt，可以得到　　联立上式，可求出反射系数Γ⊥和透射系

7、数τ⊥分别为　　以上两式又称为垂直极化波的菲涅公式。　　二、仿真项目　　与电磁场与电磁波课程密切相关的仿真软件很多，如COMSOLMultiphysics、Ansoft7HFSS、CST、EastFDTD、Rsoft、OptiFDTD、XFDTD、Origin、MATLAB、Mathematica、Tecplot等。这些软件一般均操作简单、易学，界面友好且具有开放性。根据电磁场与电磁波课程教学大纲和学生对该门课程知识的需求量不同，可以将仿真项目设置为课堂初级演示项目，课后中级练习项目，创新训练、毕业设计高

8、级创新项目。　　（一）课堂初级演示项目　　在讲解垂直极化波对理想介质分界面的斜入射时，公式推导是必要的。从上面的理论模型中可以看到，公式推导繁杂，涉及的概念抽象，推导结束学生不仅可能还没有建立对电磁波传输模型的认识，而且还会产生一种难学的感觉，如果不及时提高学生的兴趣，最终可能演变成厌学。公式推导虽然没有让学生在脑海里面建立电磁波的传输模型，但此时学生的认识已经不再是零了。此时我们可以选择上面提到的电磁仿真软件演示垂直极化波对