电磁场与电磁波实验教学建设与探讨

罗 霞罗 阔　李 震刘洪山代秋芳.华南农业大学电子工程学院　广东广州　5064.华南农业大学工程学院　广东广州　5064

电磁场与电磁波实验教学建设与探讨

罗 霞1罗 阔2李 震1刘洪山1代秋芳1
1.华南农业大学电子工程学院广东广州510642
2.华南农业大学工程学院广东广州510642

本文在电磁场与电磁波课程实验教学的建设中，通过实验平台的测量实验和仿真软件相结合的实验教学方式，对实验教学进行了一系列的改革，并在课程中实施。实验教学结果表明：学生对“看不到、摸不着”的电磁波，通过具体的实验，加深了对相应知识点的理解，由畏难到产生兴趣，积极性有了很大的提高，提高了实验教学效果。

电磁场与电磁波；实验教学；改革；教学效果

高校实验室是进行实验教学、科学研究的重要基地，也是不断培养具有创新思维和动手能力的人才基地。我校是一所百年老校，始终贯彻“大类培养、加强实践、因材施教、发展个性”的人才培养思路，对实验教学环节非常重视，并积极推进实验课程的改革。[1]近年来，我院大力加强电磁场与电磁波实验课程的建设，本文从实验教学建设出发，结合“电磁场与电磁波”课程特点，对该课程的实验教学环节进行了研究与探讨，并提出了具体实施方案。

1　电磁场与电磁波课程的特点

电磁场与电磁波是我校工程学院电子信息、电子科学与技术、通信工程、电气工程与自动化专业必修的一门重要的专业基础课程。该课程主要讲授电磁基本理论和电磁工程两个方面知识点，通过本课程的学习，为后续通信原理、移动通信技术、微波技术与天线、电磁兼容、光电子技术等专业课打下坚实的基础。因此电磁场与电磁波课程在专业建设中有着重要的意义。本课程理论性强，概念抽象，课程公式推导较多，难度较大，这就要求学生具有较强的数学基础和数学训练、物理概念准确和较强的抽象思维能力。目前，在本课程教学中普遍存在教师“难教”，学生“难学”的现象。[2，3]

2　具体实施方案

2.1教学培养计划修订

2010年6月，教育部提出了“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”)本科生人才培养方案。该计划旨在培养造就创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，“卓越计划”作为新的人才培养模式改革，对本科的实践教学提出了更高的要求。为此，我校在修订培养计划时将原来依附于理论课的实验课分离出来，单独设立实验系列课程，且作为必修考试课程。工程学院将该课程的实验课程单独设课，实验学时从原来的仅有6学时增加到16学时，增强了学生动手能力和逻辑思维能力。

2.2更新实验设备

近年来，我院加强了电磁场与电磁波实验课程建设，引进了电磁波综合测试台12套。如图1所示，主要由DH1121B三厘米固态信号源、分度转台 、喇叭天线、可变衰减器、晶体检波器、检波指示器 、视频电缆、反射板、半透射板、读数机构、单缝板、双缝板、模拟晶体(模拟晶体及支架)、DH30002型极化天线组件、介质板、DH30003型栅网组件等组成。该仪器可以完成的实验内容有：电磁波波长的测量、反射折射的测量、极化特性的研究等。

图1　电磁波综合测试台

2.3完善实验教学内容

根据实验教学大纲的要求，完善实验教学内容，将实验分为基础性实验，包括电磁波的发射特性实验、电磁波的单缝衍射实验，电磁波的双缝干涉实验、布拉格衍射实验等；设计性实验和综合性实验包括迈克逊干涉实验、均匀无损耗媒质参量的测量实验等三个层次。再根据课程的重点、难点问题和实验设备等情况，重新编写实验指导书，做到实验重点突出。下面以电磁波的极化特性为例做出进一步说明。

电磁波的极化是用以描述电场强度空间矢量在某点位置上随时间变化的规律，在微波理论研究和工程应用中都具有重要的作用。[4]常见的极化有线极化波、圆极化波或椭圆极化波等。在电磁波综合测量仪中，其矩形喇叭发射出来的电磁波属于线极化波。因此矩形接受喇叭和发射喇叭的极化方向不同时，接受效果是不同的。当接受喇叭与发射喇叭在一条轴线并且口面状态一致时，接收到的线极化波功率最大。如图2所示，当旋转接受喇叭口面轴线与发射喇叭口面轴线成一个夹角θ时，接收到的信号强度减小。随着θ的增大，接受功率逐渐减小；当θ=90°时，极化方向正交，接收信号功率为0。

在实验过程中，以学生操作为主，教师指导为辅进行实验。同时针对少数学生准备不认真而去复制别人实验结果的现象[5]，在实验过程中通过巡视和询问实验原理等方式，并对实验结果当场验收和进行相关理论知识的提问，以此作为评定学生实验平时成绩的主要依据。这样不仅可以掌握实验的教学效果，而且有助于学生对实验的预习和增强动手能力和分析能力，深入对理论知识的理解程度。

图2　收发喇叭天线的极化示意图

2.4引入仿真软件

Matlab软件具有丰富的数值计算功能和科学计算数据的可视化能力，并且将数据以多种图形形式加以表现。因此将其引入教学中，可以将抽象的场可视化。可以模拟电磁场的分布、波导结构、电磁波的传播特性等[6-8]，通过逻辑严密的理论设计和可视化的图形界面相结合，学生比较容易接受，进而激发其去主动学习并钻研它。

例如，利用Matlab 软件完成绘制矩形区域上的空间点电荷电场矢量图。在Matlab编程中，先用meshgrid函数创建网格矩阵，设置点电荷参数后，调用quiver函数即可绘制出空间电场的分布。如图3所示。

图3　空间点电荷电场矢量图

3　结束语

在电磁场与电磁波课程实验教学的建设与实施过程中，通过实验平台的测量实验和仿真软件相结合的实验教学方式，对实验教学进行了一系列的改革，并在课程中实施。经过近几年的实验教学实践，取得了较好的教学效果。学生对“看不到、摸不着”的电磁波，通过具体的实验，加深了对相应知识点的理解，由畏难到产生兴趣，积极性有了很大的提高。学生成绩普遍提高。

[1] 罗霞，罗阔，陈润恩.基于“卓越计划”工程训练中心建设与实践[J].实验室研究与探索，2013，32(8):439-441.

[2] 高远，朱昌平.电磁场与波实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2006，25(6):595-597.

[3] 刘万强，孙贤明，王海华. 电磁场与电磁波实验教学的探索与实践[J].大学物理，2012，31(12):27-29.

[4] 凌丹，王蔷.电磁场与微波实验教学的改革[J].实验技术与管理，2010，27(9):115-116.

[5] 代秋芳，王卫星，刘洪山.“电磁场与电磁波”实验课程建设与实践[J].电气电子教学学报，2014，36(2):94-96.

[6] 高远.利用Matlab图形技术实现电磁波的可视化[J].电脑学习，2004(1):24-26.

[7] 郭杰荣，蔡新华.基于Matlab的空间电磁分布可视化研究[J].实验技术与管理，2005，22(8):64-67.

[8] 刘亮元，贺达江.电磁场与电磁波仿真实验教学[J]. 实验室研究与探索，2010，29(5):30-32.

Construction and Exploration of the Experimental Teaching on Electromagnetic Fields and Waves

Luo Xia1， Luo Kuo2， Li Zhen1， Liu Hongshan1， Dai Qiufang1
1.College of Electronic Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China
2. College of Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou， 510642， China

This study is conducted in the establishment and implement of experimental teaching aboutelectromagnetic fields and wave. This study reform the experimental teaching and carry it out in the course through a experimental teachingmanner

electromagnetic fields and waves； experimental teaching； reform； teaching effect

2014-11-26

罗霞，博士，实验师。

华南农业大学2013年度教育教学改革与研究项目(编号：JG13103)。

which combinesmeasurement of experimental platform and simulation software. The teaching result indicates that the students have understood the relevant knowledge points and how well they have learned to appreciate it though the concrete experimental studies although the electromagnetic wave can not be seen or touched. Accordingly， the students' enthusiasm for study has been enhanced， and the results of experimental teaching has been improved.