原创《生课程《高等电磁场理论》教学方法》
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罗伟 王斌 黄文 阮巍
重庆邮电大学光电工程学院,重庆400065
摘 要《高等电磁场理论》是高校电子科学与技术研究生专业开设的一门重要基础理论课程,其特点为采用数学物理方法对各类电磁现象进行分析研究,并且建立系统的电磁场理论体系,同时也是天线和射频电路技术课程的基础,因此在教学过程中存在一些问题值得探讨.文章针对教学内容的衔接、应用技术的结合以及数值方法教学三个方面,从教学内容和教学方法角度进行探讨,并且给出了一些建议和解决方法,对提高教学效率和保证教学质量具有一定的参考价值.
关键词 高等电磁场数值计算教学方法
中图分类号：G642. 41 文献标识码：A 文章编号：1002-7661( 2017 )15-0001-02
一、引言
当前我国通信产业蓬勃发展,呈现出与电子产业融合的趋势.各大通信运营商和设备商对电子科学与技术专业研究生的人才需求量迅速增加,同时也对该专业研究生理论素养和实践能力的要求越来越高.《高等电磁场理论》作为一门重要的理论基础课程,是相关专业研究生高阶课程学习的基础,也是研究生创新研究的理论思想源泉.该课程内容涵盖场论、电磁波传播特性和原理、辐射与散射、谐振以及数值算法等研究方向,其特点是对数学物理方法中偏微分方程求解能力具有较高要求.鉴于该课程强烈的数学物理背景,在教学实践中如何把握理论知识和工程技术的结合与平衡,是一个值得长期研究探讨的问题.
二、教学实践中存在的问题
《高等电磁场理论》这门课程涵盖知识点非常广泛,而且需要学生具备较强的数学物理方法分析能力,在有限的课时内,采用有效的教学方法,才能使学生将各个知识点融会贯通,充分理解,并转化为创新能力.
1．教学内容的衔接
电子科学与技术专业硕士研究生一般都在本科阶段完成了《电磁场与电磁波》和《微波技术基础》两门课程的学习.在进入《高等电磁场理论》课程时,可能会存在学习目标不明确,学习兴趣不足的问题.同时来自非电磁场相关专业的研究生,可能在场论和偏微分方程求解能力方面存在一定欠缺.这些问题都给学生的学习带来困难,影响教学效果.我们需要认真考虑教学内容的衔接,激发学生的学习兴趣,帮助学生完成该课程学习.
《电磁场与电磁波》和《微波技术基础》是工科类高校电子工程、信息工程、通信工程等本科专业学生的必修课程,是电子信息大类专业学生的基础知识部分.在课程定位上,其作为专业基础课,将为后续应用技术课程奠定基础.这两门课程内容主要包含对各类电磁现象和微波技术的初步规律性描述,用到的数学方法主要涉及微积分等基础工具.《高等电磁场理论》作为研究生理论课程,需要引导学生对场论进行详细回顾,建立数学方法解决物理问题的指导思想.对于非电磁场背景的研究生,需要指导学生自主高效完成相关电磁场和数学基础的知识储备学习.教学内容上,不能停留在孤立物理现象的数学描述和解释,需要帮助学生建立完备的知识体系,具备采用数理方法总结普遍性宏观电磁场理论的能力.
2．应用技术的结合
《高等电磁场理论》课程包含唯一性定理、镜像原理和惠更斯原理等重要电磁原理的数学推导学习.不同于本科学习,该课程要求学生不仅能够理解原理内容,而且能够借助数学工具进行相应的理论梳理推导,并分析研究电磁散射和辐射等现象,同时具备转化为实际问题解决能力.为了使学生建立扎实完备的数学体系,同时不陷入纯粹的数学推导,需要结合一定的工程应用技术知识,引导学生利用课程中的研究方法和原理,开展自身研究课题的创新分析.
电子科学与技术专业研究生的研究内容主要包括天线和射频技术研究、高频电路设计研究、微电子技术和计算电磁学算法研究等方向.在掌握基本原理知识的基础上,需要鼓励学生在各自的研究领域基于电磁场原理进行实际问题的分析和解决.例如指导学生基于镜像原理进行定向天线设计,解决基站天线架设问题,以及完成简单边界条件下散射问题的简化,将理论研究与工程创新充分结合.
3．数值方法教学
高等电磁理论中数值方法知识是计算电磁学研究的重要内容.根据教学经验,大部分学生会对其中复杂繁琐的数学推导望而生畏,影响其对数值方法的学习信心建立.数值方法的特点是要将电磁问题数学模型化,然后结合计算机技术进行快速计算处理.各类算法纷繁复杂,特性各异,需要正确合理引导,才能达到预期教学效果.
为了帮助学生深入理解电磁学数值算法核心思想,需要在课堂讲解的基础上,指导学生针对具体的电磁问题进行编程计算,在实践过程中结合电磁场理论,分析各类电磁现象,摸索物理规律.例如针对理想线天线辐射问题,引导学生采用矩量法和有限元法分别进行编程计算,比较两种算法差异和特点,深刻理解算法内核.随着计算电磁学的快速发展,目前业内涌现出大量商业电磁仿真软件,如HFSS、FEKO和CST等.在讲解算法原理的同时,也需要向学生介绍多种商业软件,并培养学生进行工具软件的操作技能.
三、结语
本文针对“高等电磁场理论”课程教学过程中存在的一些问题展开讨论,分别对教学内容的衔接、应用技术的结合和数值方法教学相关内容进行分析,探索以上问题的解决方法,使学生建立充分的学习兴趣和学习信心,掌握理论结合实践的科学方法论,提高该课程的教学效率,保证课程的教学质量,具有一定的参考价值.
研究论文参考资料：
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