电磁

发布时间:2019-03-22  点击量:

作者:亓协兴 赵元元
  【摘要】“电磁场、微波技术与天线”是电子信息类和通信类专业的专业课,涉及大量的理论和公式,是一门公认的难教难学的课程。基于此,本文探讨了三种教学方法:重视绪论;联系现实生活;采用虚拟仿真工具。此三种方法在教学过程中的恰当运用不仅可以使抽象难懂的公式、现象变得容易理解,提高学生学习兴趣、降低学习难度,而且使教师本人的科研与教学融为一体,以教促研、教研结合。
  【关键词】电磁场 微波技术 天线 教学方法
  【课题项目】2017年度洛阳师范学院高等教育教改项目 《电磁场微波技术与天线》课程改革与建设(69)。
  【中图分类号】G424 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2018)49-0166-02
  工信部2017年发布的《信息通信行业发展规划(2016-2020年)》明确提出,2020年启动5G商用服务。这一消息表明作为信息主要载体的高频电磁波——微波,在无线通信领域得到了更广泛的应用。因此,对于电子信息类和通信类专业的学生来讲,电磁场、微波技术与天线课程的学习在当前与今后都占据着非常重要的地位。本文主要根据该课程的特点,从三方面探讨如何更有效的进行课堂教学,从而提高学生的学习兴趣,达到该课程的教学目的。
  一、绪论的重要性
  一堂精彩的绪论课能够激发学生的求知欲望,令学生在整个课程的学习中都保持良好的状态[1]。电磁场、微波技术与天线课程涵括了电磁场理论、微波技术基础与天线基础三方面内容。每一方面讲解前都可以安排相应的绪论课。如电磁场理论方面,从整个电磁波谱的划分引入,联系当前已广泛使用的WIFI通信及即将开始商用的5G通信,结合中学物理涉及到的电磁理论内容,充分激发学生的学习兴趣;再如微波技术方面,微波是频率300MHz~300GHz范围内的电磁波,符合电磁场理论方面的规律,以电磁场理论为基础引入其似光性、高频性、宽频性及穿透性等特性,并分别展开作简要描述,留下现实生活中与此有关的问题,使学生对微波技术有概括的了解并有主动学习的动机;又如天线基础方面,以家中电视机连接的外置八木天线为开端,从技术成熟的民用常见天线——收音机的拉伸式天线、路由器直立型鞭状天线、车载的鲨鱼鳍天线甚至手机中的微带天线,到高科技含量的军用天线——体阵列的SBX、面阵列的“铺路爪”及KLJ-7A,以此说明天线对日常生活、工作的重要性,无形之中将学生带入天线的世界。
  二、与现实生活相联系
  中学教育主要采用探究式方法,大学教育主要采用启发式方法,教育方法的不同导致教材内容差别较大。中学教材有非常多的与现实生活联系紧密的内容,相反,大学教材注重理论学习,概括性较强,实际生活的具体例子较少。但电磁场、微波技术与天线课程实践性与应用性非常强,理论学习联系实际应用对于该课程尤为重要。与其他课程相比,电磁场理论、微波技术和天线理论知识抽象、公式推导枯燥繁杂,学生反映晦涩难懂,学习兴趣不高,教师在授课过程中需克服以上缺点,将影响降到最低。虽然课程理论抽象,但是其在日常生活中的应用却是非常普遍。这就要求授课教师引导学生去发现,并将所学知识与实际应用相联系,加深对知识的理解。例如,洗衣机洗衣服时的水位中心低周边高就是因为存在漩涡源,是一个有旋场;用于传输有线电视信号的同轴电缆与机顶盒接口处,若接驳姿态不正确会产生“花屏”,这是行驻波在作祟;由于调幅电台发射的是垂直极化波,在室外收听调幅广播,收音机天线要垂直放置;家用的卫星电视接收器需对准某个方向方能使电视信号清晰,是因为接收天线存在方向性参数;晚上收听到的电台比白天多可以用天波传播知识来解释;趋肤效应的存在迫使与水下潜航器通信需要架设几十甚至上百公里的长波天线;手机通话过程中出现的“呲呲”噪音及无法通话状态多数情况是由于信号传输信道质量下降,导致实际损耗增加。在授课过程中,穿插诸如此类的生动形象的例子,能够引起学生的好奇心,激发学生学习的兴趣,同时能够培养学生自主观察、自主思考、自主解答的良好学习习惯。
  前文所述,大学课程比中学课程更有广度、更有深度,但并不意味着两者存在鸿沟,毫无联系。相反,中学知识是大学知识的基础,大学知识是中学知识的升华。因此,在讲授该课程时,可适时回顾中学相应的知识点,以学生已熟练掌握的知识为基础,逐步过渡到大学课程内容,使学生更容易理解掌握。例如,位移电流密度J=■,其量纲为(C /m2)/s,可化简为A/m2,量纲与中学传导电流密度一致,即可将位移电流密度与传导电流密度对比着记忆、理解;再如复杂的麦克斯韦方程组,其中的全电流定律与法拉第定律中学物理都有所讲解甚至进行过实验操作,以此为基础,结合高等数学微积分知识即可推导出麦克斯韦方程组;又如群速度色散,可从众所周知的三棱镜效应入手,太阳光经过三棱镜之后会产生彩虹色光,这是因为太阳光是由频率不同单色光组成的复色光,三棱镜的媒质参数与电磁波的频率有关,为色散媒质,再以中学的“速度”类比“群速度”之后就比较容易理解群速度色散。
  三、采用虚拟仿真工具
  建构主义学习理论认为:世界是客观存在的,但是对于世界的理解和赋予意义却是由每个人自己决定的。學习不是由教师把知识简单地传递给学生,而是在一定的情景下,由学生自己建构知识的过程。依据这一理论,将抽象性与直观性相统一,恰当地运用直观性教学可以更好地为学生创设学习情景,引导学生的抽象性思维,建立直观深刻的认知。
  对于本课程来讲,电磁场是抽象的,看不见摸不着,学生很难建立直观感受。这时,就可以通过虚拟仿真软件将抽象的电磁场直观的呈现出来[2]。目前,电磁场、微波技术与天线课程涉及到的虚拟仿真软件有HFSS、Microwave Office、ADS、CST、MATLAB和Smith圆图等。结合实际教学情况,我们选用了HFSS与MABLAB两款软件作为虚拟仿真工具。在使用仿真工具过程中,学生不仅掌握了软件的使用方法,还可以在教材中找到对应的理论依据,加深对理论知识的理解。
  例如,在使用HFSS设计一款微波波段的半波对称振子天线的课题中,需要设置激励的频率及天线尺寸,频率决定波长、波长决定天线尺寸,从理论知识可知它们是相互关联的;天线臂材料要根据决定材料属性的介电常数ε、磁导率μ和电导率σ等参数进行选择;设置辐射边界需考虑电磁波通过两种不同媒质时满足的边界条件;还需应用镜像原理来设置无限大地平面以确保符合现实情况。教材给出了半波对称振子天线的平面方向图(图1(a)),非常抽象,空间想象力不强的学生难以理解。使用HFSS软件可得到立体方向图(图1(b)),对比可发现,立体方向图含有的信息远远大于平面方向图,并且更加直观。
  又如,工程上常采用的两个特定正交平面方向图——E面与H面方向图。E面指电场强度矢量与最大传播方向构成的平面,H面指磁场强度矢量与最大传播方向构成的平面。仅仅根据文字描述来理解抽象定义,难度是比较大的。此时可根据电基本振子的归一化方向函数,通过MATLAB软件画出其形象的立体方向图,如图2所示。在此立体方向图的基础上,分析E面与H面就容易得多。E面即正视图,为“8”字型;H面即俯视图,为圆形。相对繁琐枯燥的公式,学生对图形的记忆要更深刻、理解会更透彻。
  四、结语
  虽然“电磁场、微波技术与天线”课程难教难学,但无线通信技术的发展使得该方向的人才严重短缺,因此如何使学生学懂该课程显得非常重要。本文介绍了三种教学方法,每一种方法都不单纯是老师的讲授,需要与学生互动,充分调动学生的积极性,如此才能达到教学的目的。
  参考文献:
  [1]蒋铁珍,廖同庆.“微波技术与天线”教学:与工程应用相结合[J].教育与教学研究, 2014(6):78-80.
  [2]宋铮,张建华,唐伟.电磁场微波技术与天线[M].西安电子科技大学出版社, 2017.
  作者简介:
  亓协兴(1989-),男,山东聊城人,讲师,电磁场与微波技术专业博士,主要研究方向为计算电磁学及天线应用。
  赵元元(1987-),女,山东聊城人,副科级教学秘书,主要研究方向为高等教育研究。

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