電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

1、<p>　　電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究</p><p>　　摘要：本文針對(duì)“電磁場(chǎng)域電磁波”課程特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，引入了軟件仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，并給出了實(shí)驗(yàn)課程的開展過程。實(shí)踐證明該舉措激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果。 </p><p>　　Abstract： This article explores the characteristics and actuality o

2、f experiment teaching of "Electromagnetic Fields and Waves"， introduces the simulation experimental teaching method， and introduces the experimental curriculum development process. The practice proves that the

3、measures can stimulate the students′ interest in learning and improve the teaching quality. </p><p>　　關(guān)鍵詞：電磁場(chǎng)與電磁波；仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革 </p><p>　　Key words： Electromagnetic Fields and Waves；simulation exp

4、erimental teaching；education reform </p><p>　　中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2015）35-0133-02 </p><p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　電磁場(chǎng)與電磁波是電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，要求

5、從事電子信息技術(shù)的人員必須通曉和掌握電磁場(chǎng)與電磁波的基本特性、分析方法及其應(yīng)用。學(xué)習(xí)本課程目的是使學(xué)生通過學(xué)習(xí)，能熟練地較系統(tǒng)、深入地掌握電磁場(chǎng)與電磁波方面的基本理論及其應(yīng)用，為學(xué)生將來從事這方面的工作以及進(jìn)一步深造打好理論基礎(chǔ)。 </p><p>　　由于該課程理論性強(qiáng)，概念抽象，具有“看不見、摸不著”的特點(diǎn)，導(dǎo)致該課程一直處于教師難教，學(xué)生難學(xué)的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程的重要組成部分，可以使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)將課程

6、中所學(xué)習(xí)到的理論加以理解和應(yīng)用[1-3]。 </p><p><b>　　1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀 </b></p><p>　　由于硬件實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)儀器昂貴，利用率低，而且很多對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于陳舊，主要局限于微波的干涉和衍射等，同時(shí)這些實(shí)驗(yàn)仍然不能改變電磁場(chǎng)與電磁波“看不見摸不著”的問題，因此青島農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院一直未開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。 </p>&l

7、t;p>　　基于以上原因，該院從2014級(jí)開始，在教學(xué)過程中，引入軟件仿真實(shí)驗(yàn)。 </p><p><b>　　2 軟件仿真實(shí)驗(yàn) </b></p><p>　　利用MATLAB軟件仿真電磁場(chǎng)的分布，模擬電磁波的傳播，有效解決電磁場(chǎng)與電磁波“看不見摸不著”的問題，將理論問題具體化，抽象問題可視化[4]。 </p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)

8、目設(shè)定 </p><p>　　根據(jù)教學(xué)重點(diǎn)和專業(yè)發(fā)展，針對(duì)電磁場(chǎng)理論和電磁波傳播，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。 </p><p>　　結(jié)合教學(xué)實(shí)際，該院從2014級(jí)開始，對(duì)電子信息類相關(guān)專業(yè)的《電磁場(chǎng)與電磁波》課程增加8個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，并全部設(shè)為仿真實(shí)驗(yàn)，主要針對(duì)靜電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)、邊值問題、均勻平面波的傳播等內(nèi)容設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)。 </p><p>　　2.2 實(shí)驗(yàn)課程的開展 <

9、/p><p>　?、倮碚撝R(shí)講解。首先對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)重點(diǎn)講解，并要求學(xué)生對(duì)Matlab軟件的使用有一定的基礎(chǔ)，并在課堂上教師首先演示如何使用Matlab進(jìn)行仿真模擬。 </p><p>　?、诿鞔_實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康慕Y(jié)合理論知識(shí)進(jìn)行程序編寫。此項(xiàng)主要鍛煉學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解掌握水平，以及如何將數(shù)學(xué)公式用程序描述出來，并進(jìn)行畫圖演示。 </p><p>　

10、　③分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)合理論知識(shí)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。要求學(xué)生能夠根據(jù)理論知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并能根據(jù)仿真結(jié)果修改完善仿真程序。 </p><p>　　④能力提高。對(duì)實(shí)驗(yàn)做出改進(jìn)，比如二維顯示變?nèi)S顯示，能夠模擬更復(fù)雜的電磁場(chǎng)與電磁波分布。 </p><p>　　在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，一定要充分發(fā)揮學(xué)生的自主性和能動(dòng)性，重點(diǎn)在于鍛煉學(xué)生的編程能力和對(duì)理論知識(shí)的理解。 </p><p&

11、gt;　　2.3 仿真實(shí)驗(yàn)舉例 </p><p>　　下面以一個(gè)正方形截面的無限長金屬盒為例，利用有限差分法模擬靜電場(chǎng)電位分布，說明整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。盒子的兩側(cè)及底部的電位為零，頂部電位為100V，求盒內(nèi)電位分布[5]。 </p><p>　　2.3.1 實(shí)驗(yàn)原理 </p><p>　　有限差分法是數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用得最早而又相當(dāng)簡(jiǎn)單、直觀的一種方法。其基本思想是將場(chǎng)域劃分

12、為網(wǎng)格，把求解場(chǎng)域內(nèi)連續(xù)的場(chǎng)分布用求解網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的離散的數(shù)值解來代替，即用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的查分方程近似代替場(chǎng)域內(nèi)的偏微分方程來求解。 </p><p>　　2.3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?</p><p>　?、僬莆沼邢薏罘址ǖ脑砼c計(jì)算步驟； </p><p>　?、诶斫獠⒄莆涨蠼獠罘址匠探M的超松弛迭代法，分析加速收斂因子的作用； </p><p>　?、?/p>

13、學(xué)會(huì)用有限差分法解簡(jiǎn)單的二維靜電場(chǎng)邊值問題，并編制計(jì)算程序。 </p><p>　　2.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟 </p><p>　　通常將場(chǎng)域劃分成足夠小的正方形網(wǎng)格，則將電位函數(shù)滿足的拉普拉斯方程寫成差分形式為： </p><p>　　同時(shí)將邊界條件進(jìn)行離散化，整理成邊界節(jié)點(diǎn)上的已知數(shù)值，然后求解各節(jié)點(diǎn)電位。如果節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)過多，計(jì)算量將會(huì)很大，因此通常使用迭代法。而為

14、了提高收斂速度，實(shí)際中常采用超松弛迭代法。查分方程為： </p><p>　　其中α稱為加速收斂因子，其取值范圍是1≤α<2，當(dāng)α≥2時(shí)，迭代過程將不收斂。加速收斂因子α有一個(gè)最佳取值問題，但隨具體問題而異。對(duì)于第一類邊值問題，若一正方形場(chǎng)域由正方形網(wǎng)格分割（每邊結(jié)點(diǎn)數(shù)分別為m和n），則最佳收斂因子α可按下式計(jì)算： </p><p>　　利用超松弛迭代法編寫MATLAB程序流程圖如圖

15、1所示。 </p><p>　　2.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 </p><p>　　根據(jù)各節(jié)點(diǎn)電位畫出電位分布曲線圖如圖2所示。 </p><p>　　由分布圖可知金屬盒內(nèi)點(diǎn)電位的分布越靠近中間越高，越靠近金屬盒頂部電位越高。 </p><p>　　收斂因子與迭代次數(shù)的關(guān)系，如表1所示。 </p><p>　　從結(jié)果可知

16、，收斂因子選擇1.56迭代次數(shù)最少。 </p><p>　　2.3.5 能力提高 </p><p>　　以上實(shí)驗(yàn)過程只仿真了電位的二維分布，如果有能力和時(shí)間，建議學(xué)生可進(jìn)行電位分布的三維仿真，結(jié)果將更加形象直觀。 </p><p><b>　　3 結(jié)束語 </b></p><p>　　在電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，引入

17、MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，將抽象的電磁場(chǎng)形象化、可視化，不但可以幫助學(xué)生加深理解“場(chǎng)”與“波”的基本概念和理論，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，更能促進(jìn)他們不斷深入學(xué)習(xí)和研究。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]代秋芳，王衛(wèi)星，等.“電磁場(chǎng)與電磁波”實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（2）：94-95. </p

18、><p>　　[2]劉亮元，賀達(dá)江.電磁場(chǎng)與電磁波仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（5）：30-32. </p><p>　　[3]羅霞，羅闊，李震，等.電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)與探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2015（9）：87-89. </p><p>　　[4]呂秀麗，牟海維，李賢麗，等.Matlab在電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)教學(xué)中之應(yīng)用[J].實(shí)