“电磁场与电磁波”实验教学研究与实践

［摘 要］ “电磁场与电磁波”课程理论性强、概念抽象、公式繁多，教师难教，学生难学。因此，课程教学中理论教学和实验教学的有机结合尤为重要。针对“电磁场与电磁波”课程特点和实验教学现状，论述了电磁场与电磁波实验教学原则，重塑人才培养方案，提出构建多元化的实验教学体系，即采取验证性实验和综合性实验相结合的模式开展电磁场与电磁波实验教学，阐述了综合性实验的设计思路及开展过程。教学实践表明，该举措大大激发了学生的学习兴趣，加深了学生对相应知识点的理解，提高了实验教学效果。

［关键词］ 电磁场与电磁波；实验教学；综合性实验

［基金项目］ 2021年度安徽省质量工程教育教学研究项目“‘电磁场与电磁波’课程综合实践教学改革研究”（2021jyxm1155）；2022年度安徽省质量工程课程建设项目“‘电磁场与电磁波’线上线下混合式课程”（2022xsxx159）

［作者简介］ 韩 微（1982—），女，安徽东至人，硕士，国防科技大学电子对抗学院讲师，主要从事电磁场理论研究与数值计算研究；岳玫君（1981—），女，河南方城人，硕士，国防科技大学电子对抗学院副教授，主要从事电磁场理论与天线技术研究。

［中图分类号］ O441.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）32-0048-04 ［收稿日期］ 2023-07-10

引言

“电磁场与电磁波”是我院雷达工程、网电对抗指挥与工程、信息对抗技术和侦察情报等专业本科学员的一门重要的学科专业基础必修课程。该课程是在大学物理电磁学的基础上加上场论数学这个强有力的工具构成的，系统阐述了宏观电磁现象的基本规律和基本分析方法，为后续“天线与电波传播”“微波技术”“光电原理”等课程提供了必要的知识和能力储备，在数理基础和工程技术之间起到重要的桥梁作用。

信息时代，电磁场与电磁波的应用无处不在。以麦克斯韦方程组为核心的电磁场理论是电工、电子和信息技术的理论基础，是发展电磁效应相关领域高新技术不可或缺的本源知识。电磁场理论以优美的数学形式反映了电磁场的统一本质，是物理规律与数学语言的完美结合。但该课程理论性强、概念抽象、公式繁多，同时电磁波看不见摸不着，对于电磁波的传播特性、工作状态等很难把握。因此，学生普遍反映该课程难学、难懂、难用，“未学先难”是学生的普遍心理，学生很难在不足60学时的情况下深入理解电磁场的数学模型，掌握电磁场的理论概念精髓［1］。“电磁场与电磁波”实验教学环节是本课程的重要组成部分，是完善理论教学的一个必不可少的重要实践环节。通过开展实验教学，可以生动直观地将抽象的理论模型和与其相关的特性表现出来，达到改善教学效果的目的，使学生理论与实践结合的能力得到增强。因此，在“电磁场与电磁波”课程教学开展过程中，应重视实验教学与理论教学的有机结合。如何开设实验，并通过实验有效促进学生对知识的理解和掌握，成为“电磁场与电磁波”教学中的重要课题［2］。

一、实验教学现状

由于“电磁场与电磁波”课程的实验设备比较昂贵，出于成本考虑，我院近几年一直开设的是验证性的仿真实验。课程实验学时为4学时，对应2个实验内容，每个实验内容均为2学时。

2018年8月，教育部发布的《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》指出，严格本科教育教学过程管理，合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量。要以学生发展为中心，以学生综合能力和全面素质发展为课程设计的出发点，通过教学模式的创新，使课程达到高阶性、创新性、挑战度（“两性一度”）。显然，现有的实验教学全是验证性的仿真实验，实验条件设置比较简单，综合性较弱，无论是与课程“两性一度”的要求还是对学生综合能力的培养都存在差距。

二、实验教学原则

基于“电磁场与电磁波”课程特点，开展实验教学，不仅可以将抽象的概念形象化、可视化，还可以加深学生对知识的理解。在实验教学的开展中，应遵循以下三点原则，进而增强“电磁场与电磁波实验”教学开展的有效性。

（一）主体性原则

以往的“电磁场与电磁波”教学中，无论是理论教学还是实验教学，都是以教师为教学主体，学生被动学习，开展的教学活动大都以“灌输式”教学为主，即教师讲、学生听，忽视了学生的主体性，导致学生课堂参与度不够，学习兴趣不高。素质教育理念下，提倡学生与教师是教学中的双主体，教师应尊重学生的主体性，立足于学生发展需要，根据学生实际情况开展教学活动。在“电磁场与电磁波”实验教学中，教师要以学生为教学主体，秉承以学生为中心的理念，充分调动学生学习积极性、发挥学生主观能动性，使学生自主参与到教学活动中来，让学生在探究、思考中学有所获。因此，在该课程的实验教学开展中，应遵循学生主体性原则，从而提升“电磁场与电磁波”实验教学质量。

（二）互动性原则

如前所述，以往的教学活动中，教师是教学主体，学生被动接受知识，导致师生、生生之间缺乏互动，课堂气氛比较沉闷，有的学生甚至是“人在教室心在外”。因此，在“电磁场与电磁波”实验教学开展过程中，要重视互动性原则，让课堂气氛活跃起来，让学生思维动起来。教师可以以问题为导向，实现师生、生生之间的互动，使学生在互动中更好地理解知识、体验知识、掌握知识。

（三）理论和实验深度融合原则

实验教学的开展应依托理论教学。作为完善理论教学的重要环节，实验教学与理论教学应实现深度融合，达成对学生综合能力的培养。以往的实验教学中，实验教学内容的设定往往与理论知识融合的深度不够，虽然可以加深学生对某个知识点的理解，但对学生综合能力的培养和高级思维的训练仍存在很大不足。因此，在“电磁场与电磁波实验”教学开展过程中，应遵循理论与实验深度融合的原则，以提升课堂教学效果和人才培养质量［3］。

三、具体改革措施

（一）重塑培养方案

2017年7月，习近平主席致训词强调，国防科技大学是高素质新型军事人才培养和国防科技自主创新高地［4］。可见，培养一流专业人才是国防科技大学必须承担的，也是必须完成好的使命任务，而实现这一目标的重要途径就是紧紧把握国际工程教育发展趋势，不断提高本科教育和人才培养质量。为此，学校以对接国际一流为目标，以提升教学质量为中心，以教学方法改革为突破，以教学基本单元建设为基础，以能力培养为重点，吸纳当今国际工程教育模式精髓，重塑了新一轮人才培养方案。我院在现有课程实验的基础上，对标新版人才培养方案，以推进实践教学与知识教育为己任，以实践动手能力培养为突破，确立了新的课程知识目标和课程能力目标，将“电磁场与电磁波”课程的实验学时从原来的4学时增加到10学时，增加实验教学比重，将实践能力的培养内化到课堂教学中［5］。

（二）构建多元化实验教学体系

验证性实验旨在培养学生发现问题和表述问题、判断和定性分析、解决方法和建议等方面的能力，可以加深学生对某个知识点的理解，能做到“知其然”，但学生很少去探究，不能做到“知其所以然”。如果“电磁场与电磁波”课程实验全是验证性的仿真实验，如前所述，无论是与课程“两性一度”的要求还是对学生综合能力的培养都存在差距。

综合性实验旨在培养学生建立模型、对不确定性因素分析、查询相关书刊或电子文献、整体思维、解决问题时妥协、创造性思维、技术协作、系统建模并确保目标可实现、设计过程、知识在设计中的运用、软件实现过程、运行的设计和优化、系统改进和演变等方面的能力。综合性实验提高了实验环节的挑战度，使学生对于知识点和知识单元不仅明白为什么，还知道怎么实现、实现结果如何、影响因素有哪些等。如果课程实验全是综合性实验，虽然在一定程度上弥补了课程实验全是验证性仿真实验的不足，但也让这门“未学先难”的课程变得难上加难，加重了学生的“畏难”心理，此外，由于学生个体能力存在差异，部分能力稍弱的学生更容易会失去兴趣和信心。

基于此，构建多元化的实验教学体系是非常必要的。我院“电磁场与电磁波”课程组经过充分研讨、论证，最终决定采取验证性实验和综合性实验相结合的模式。首先，保留原有验证性实验中的一个，借助电磁场仿真技术，利用Ansoft公司出品的高性能全波电磁场模拟仿真软件HFSS（High Frequency Structure Simulator）开展实验教学，既丰富了电磁场与电磁波的内容与形式，又帮助学生对抽象的理论知识有了更深刻的理解，激发了他们的学习兴趣。其次，引入现代计算工具Matlab设计一个综合性实验。Matlab是MathWorks公司研发的一款主要用于科学与工程计算的软件工具，具有强大的矩阵运算、数据处理和图形显示功能。让学生编程实现动态电磁场的运动规律，将抽象的电磁场运动规律利用Matlab形象化、可视化，化抽象为具体、化枯燥为生动，激发学生学习兴趣的同时，提高了学生对Matlab工程软件的实际应用能力［6］。由易到难，构建符合学生认知规律的教学体系，循序渐进，徐徐展开。

（三）综合性实验设计

目前很多高校都利用HFSS开展仿真实验教学，所以不再赘述，这里主要说说综合性实验的设计。

被誉为最美方程之一的麦克斯韦方程组用极为简洁的四组方程以一种近乎完美的方式统一了电和磁，是宏观电磁理论的核心，很多电磁场问题的实质就是求解不同条件下的麦克斯韦方程组。同时，麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在。那么电磁波在空间中是如何传播的？围绕该核心问题设计了“基于FDTD算法的不同媒质分界面电磁波的传输特性分析”的综合性实验，采用时域有限差分（FDTD）方法，创建电磁波传播模型，用计算机模拟电磁波在空间中的变化。通过一个综合性实验让学生同时理解掌握多个重要知识点，比如平面波在不同空域的场强大小、平面波在不同媒质中的传播特性、平面波遇到不同媒质分界面时的传播规律。此外，还可以将理论知识与工程实际相结合，通过材料设计实现特殊的电磁性能，比如雷达天线罩能够透射电磁波、照相机镜头上用的涂层能够消除反射、隐身飞机上的涂层能够吸收电磁波［7］，分别如图1所示。这样一个综合性实验就可以将统领整门课程的主线，即电磁场理论的精髓——麦克斯韦方程组，展现得淋漓尽致。在实验过程中探索不同传播环境及不同媒质分界面对电磁波传播的影响，并分析思考其在实际工程中的应用。

设计综合性实验代替验证性实验，不但丰富了实验教学内容，也提升了实验环节质量。提高实验环节的挑战度，要求学生必须通过查找资料、学习新知，主动发现问题、动手解决问题，真正做到了学以致用，为后续培养学生解决复杂工程问题的能力奠定良好基础。

（四）综合性实验开展

该综合性实验要求学生对Matlab软件有一定的了解和使用基础，因此，实验教学开展前，教师先给学生推送Matlab软件的相关学习资源，学生也可以自行查阅资料去学习。实验教学开展时，教师首先重点讲解实验相关的理论知识和时域有限差分法（FDTD）及Yee元胞的方法，使学生掌握基本实验原理，然后以最基本的情况为例，创建电磁波传播模型，边讲解边演示。在此基础上，以问题为导向，引发学生思考，教师发挥引领作用，学生可以采取小组合作的方式，根据实验要求自己动手编程完成更具“高阶性”和“挑战度”的实验任务，最后以小组为单位现场汇报实验结果，并且能够运用理论知识进行解释，同时让小组之间展开互评。此举不但实现了生生之间的互动，提高了学生的课堂参与度，而且使学生在互动中取长补短，更好地掌握了知识。所有小组汇报完毕后，教师总结讲评。这可以作为评定学生实验成绩的重要依据之一。对于能力较强的优秀学生，通过综合性实验的学习和思维训练，可以培养他们自行设计实验并优化实验方法的能力［8］。在整个实验教学开展的过程中，充分遵循学生主体性原则、互动性原则和理论与实验深度融合原则。