舉例淺談在電磁場(chǎng)課程教學(xué)中引入科研前沿

彭麟　姜興　仇玉杰

【摘 要】《電磁場(chǎng)》課程與當(dāng)前的科研熱點(diǎn)密切相關(guān)，卻為廣大教師所忽視；重視《電磁場(chǎng)》課程與科研的關(guān)系研究，對(duì)于促進(jìn)《電磁場(chǎng)》這樣一門(mén)教學(xué)與學(xué)習(xí)難度很大的電子信息專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)作用很大。本文從當(dāng)前電磁場(chǎng)領(lǐng)域的天線(xiàn)的四分之一波長(zhǎng)反射板應(yīng)用、人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductor， AMC）和“隱身衣”等研究熱點(diǎn)淺談科研對(duì)電磁場(chǎng)課程教學(xué)的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】電磁場(chǎng)；課程教學(xué)；科研

0 引言

探討《電磁場(chǎng)》課程教學(xué)方法的論文已經(jīng)不少[1-4]，但是科研對(duì)《電磁場(chǎng)》課程的促進(jìn)作用的論文卻很少見(jiàn)。實(shí)際上，有些教師對(duì)于科研對(duì)電磁場(chǎng)教學(xué)（其他課程亦然）具有重大促進(jìn)作用并不太認(rèn)同；或者一些老師雖口頭上認(rèn)同科研對(duì)電磁場(chǎng)教學(xué)有促進(jìn)作用，但卻體會(huì)不深，思想上也不重視。筆者認(rèn)為科研對(duì)電磁場(chǎng)課程的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1）科研可以使教師透徹理解知識(shí)點(diǎn)，授課更加準(zhǔn)確、自信；2）教學(xué)中增加科研前沿可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)理解的融會(huì)貫通；3）科研前沿在課堂的滲透可以激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，在愉快地學(xué)習(xí)；4）科研前沿在課堂的滲透可以培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣，潛移默化中鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入科學(xué)研究的殿堂。

1 科研與電磁場(chǎng)教學(xué)

從教學(xué)來(lái)說(shuō)，將課本枯燥的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用和國(guó)際前沿科學(xué)研究聯(lián)系起來(lái)，以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。電磁場(chǎng)課程不但學(xué)習(xí)困難，而且很多學(xué)生反映不知道學(xué)習(xí)這門(mén)課有何用處，這些問(wèn)題嚴(yán)重打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，我們?cè)谑谡n時(shí)要注意穿插電磁場(chǎng)知識(shí)在我們實(shí)際中的應(yīng)用，讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)并不單單是枯燥的理論知識(shí)，這些知識(shí)都是指導(dǎo)實(shí)際的基礎(chǔ)，解決學(xué)生為什么要學(xué)的問(wèn)題。除可適當(dāng)介紹電磁場(chǎng)在通信（手機(jī)、基站、衛(wèi)星等）、探測(cè)（探地雷達(dá)，石油探測(cè)等）、定位（各種雷達(dá)）和微波醫(yī)療等的應(yīng)用外，還可介紹具體知識(shí)的應(yīng)用。

如當(dāng)講授電磁波對(duì)理想導(dǎo)體平面的垂直入射這一章節(jié)時(shí)，將會(huì)講到電磁波全部被理想導(dǎo)體（PEC）反射回來(lái)且反相（反射系數(shù)為？祝=-1），此時(shí)可以引申這一特性在天線(xiàn)上的應(yīng)用。如圖1所示，在很多定向天線(xiàn)應(yīng)用中，經(jīng)常使用一塊金屬板作為反射板/地板，以將一半的能量反射回另一面，使波1和波2同相疊加，達(dá)到提高天線(xiàn)增益3dB及屏蔽背面物體的目的。因?yàn)槔硐雽?dǎo)體（PEC）的反相特性，需要把天線(xiàn)安放到距離地板1/4波長(zhǎng)，以得到波1和波2同相疊加。通過(guò)對(duì)授課內(nèi)容的拓展，可以使得學(xué)生明白所學(xué)知識(shí)并非無(wú)用處，而是在實(shí)際中大有用處的，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

圖1 理想導(dǎo)體在天線(xiàn)上的應(yīng)用

同時(shí)可適當(dāng)介紹本課程理論知識(shí)與國(guó)際前沿科學(xué)研究的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生探索知識(shí)的熱情。介紹當(dāng)前國(guó)際前沿科學(xué)研究時(shí)，可將其嵌入到具體的關(guān)聯(lián)章節(jié)知識(shí)講授中，使學(xué)生明白課堂所學(xué)知識(shí)與當(dāng)前研究熱點(diǎn)的聯(lián)系。如在圖1講到的理想導(dǎo)體（PEC）作為天線(xiàn)的反射板/地板時(shí)，其需距離天線(xiàn)為1/4波長(zhǎng)，因此，其一個(gè)缺點(diǎn)就是體積太大。但現(xiàn)代微波系統(tǒng)不斷小型化的背景下，PEC作為反射板越來(lái)越不適用。當(dāng)前國(guó)際前沿研究的一個(gè)熱點(diǎn)人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductor， AMC）可以解決這個(gè)問(wèn)題[5]。如圖2所示，與PEC不同，AMC可以同相反射電磁波，因而天線(xiàn)與反射板之間的距離可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)的尺寸大大減小了。從而讓學(xué)生了解科學(xué)研究的前沿，提高學(xué)習(xí)的興趣。

圖2 人工磁導(dǎo)體在天線(xiàn)上的應(yīng)用

如當(dāng)講授電磁波對(duì)介質(zhì)分界面的斜入射知識(shí)時(shí)，可列舉2013年浙江大學(xué)陳紅勝團(tuán)隊(duì)的最新研究成果：“隱身衣”[6]。如圖3所示，該前沿研究成果是一精致的六角形結(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波入射到結(jié)構(gòu)上時(shí)發(fā)生全透射現(xiàn)象（折射），經(jīng)過(guò)數(shù)次折射當(dāng)電磁波出射該結(jié)構(gòu)時(shí)，波的傳播路徑不變，就好像從來(lái)沒(méi)存在該結(jié)構(gòu)一樣，而放置于結(jié)構(gòu)中心的物體就被隱身了。這種學(xué)科前沿知識(shí)的介紹，讓學(xué)生明白了所學(xué)課本知識(shí)與科學(xué)研究的關(guān)系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

圖 3 應(yīng)用電磁波對(duì)介質(zhì)分界面的斜入射知識(shí)的“隱身衣”

俗話(huà)說(shuō)興趣是學(xué)習(xí)的最好老師，適當(dāng)介紹電磁場(chǎng)理論知識(shí)在實(shí)際工程中的應(yīng)用和在國(guó)際科學(xué)研究前沿的應(yīng)用，可以活潑課堂教學(xué)，讓學(xué)生明白電磁場(chǎng)知識(shí)是怎樣在實(shí)際工程中應(yīng)用的，讓學(xué)生了解當(dāng)前科學(xué)研究前沿，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，大大提高課堂教學(xué)的效果。

2 結(jié)束語(yǔ)

電磁場(chǎng)課程是教學(xué)和學(xué)習(xí)難度很大的一門(mén)課程，但也是十分重要的一門(mén)課程，搞好這樣一門(mén)課程的教學(xué)工作時(shí)每一個(gè)電磁場(chǎng)課程教師都需要認(rèn)真思考的問(wèn)題。而科研對(duì)于搞好這樣一門(mén)課程的教學(xué)具有很大的促進(jìn)作用。我們應(yīng)將理論知識(shí)與工程實(shí)際和學(xué)科前沿相聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和科學(xué)研究的熱情，為我國(guó)的科研事業(yè)培養(yǎng)優(yōu)秀的人才。

【參考文獻(xiàn)】

[1]田雨波，張貞凱.“電磁場(chǎng)理論”教學(xué)改革初探[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，，Vol.30， No. 1， Feb， 2008： 11-13.

[2]張華美，徐立勤.《電磁場(chǎng)理論》課程教學(xué)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].科技信息，2010（14）：3.

[3]彭麟.電磁場(chǎng)輔導(dǎo)課的幾點(diǎn)體會(huì)[J]. 科技信息，2014（5）：45.

[4]彭麟，姜興.二本院校電磁場(chǎng)教學(xué)初探兼與美國(guó)大學(xué)教學(xué)比較[J].中國(guó)電力教育，2014（17）：73-74.

[5]D. Sievenpiper. High-impedance electromagnetic surface[D]. Los Angeles， CA： Dep. E lect. Eng. Univ California at Los Angeles， 1999： 35-86.

[6]浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研制出六邊形柱狀“隱身衣”. http：//news.china.com.cn/2013-11/01/content_30465937_3.htm[Z].

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