MATLAB應用于電磁場實驗教學的探索與實踐

蔣紅艷 廖欣 何寧

收稿日期：2023-04-19

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.22.040

摘? 要：電磁場是電子信息類專業的重要基礎課程，該課程具有數學公式多、內容抽象等特點，為了通過實驗教學激發學生學習興趣并加深對課程理論知識的理解，針對目前實驗教學存在的主要問題，提出了應用MATLAB軟件開展電磁場仿真實驗的改革思路，從教學內容設計、教學模式和考評機制三方面探討了具體的實施方案，從而使學生通過直觀的圖形方式掌握抽象的電磁場理論，并且培養學生的綜合能力和創新能力。

關鍵詞：電磁場；實驗教學；MATLAB仿真；教學效果

中圖分類號：TP39；G434? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）22-0183-04

Exploration and Practice of Using MATLAB in the Experimental Teaching of Electromagnetic Field

JIANG Hongyan1，2， LIAO Xin1，2， HE Ning1，2

（1.School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin? 541004， China;

2.Key Laboratory of Microwave and Optical Wave Application Technology， Education Department of Guangxi Zhuang Autonomous Region， Guilin? 541004， China）

Abstract： Electromagnetic field is an important basic course of electronic and information profession， which is characterized by numerous mathematical formulas and abstract contents. In order to stimulate students' interest in learning and deepen their understanding of theoretical knowledge of the course through experimental teaching， the reform idea of using MATLAB software to carry out simulation experiments of electromagnetic field is proposed aiming at main problems existing in the experimental teaching. In terms of teaching content design， teaching mode and evaluation mechanism， a concrete implementation plan is discussed， so that students can understand the abstract electromagnetic field theory through the method of visual graphics， and their comprehensive ability and innovation ability could be cultivated.

Keywords： electromagnetic field; experimental teaching; MATLAB simulation; teaching effect

0? 引? 言

為應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰，教育部積極推進“新工科”建設項目，突出強調了新時代、新環境、新形勢下實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質、復合型新工科人才的培養[1]。電磁場理論在各領域內應用非常廣泛，涉及民用和軍事方方面面，如通信、導航、醫學、遙感、雷達和電磁干擾與電磁兼容等，是交叉學科和新興邊緣學科發展的重要基礎，因此電磁場是培養新工科人才中必不可少的一門基礎課程。該課程兼具高等數學與物理學知識，主要研究電磁場的性質與特征、電磁波運動變化規律等，其內容是物理電子學、通信工程和電子信息工程等電子信息類本科學生知識結構的必要組成部分，與許多核心課程均有緊密的相關性，是微波技術與天線、移動通信、射頻電路設計等課程的理論基礎[2]。然而該課程具有理論性強，數學公式推導多、內容抽象復雜等特點，要求學生具有較強的空間想象、抽象思維和邏輯推理等能力，是一門典型的“難教”“難學”和“難考”課程[3]。實驗是豐富教學內容和提高教學效果的有效手段，結合實驗教學可以幫助學生掌握理論知識，同時可以了解該課程與工程實踐的融合點，有利于增強學生學習興趣、激發學習熱情，并且在實驗過程中學生比較容易發現問題，促使他們進行深入思考、分析并解決問題，進而提升他們的綜合能力，因此開設電磁場實驗課程非常重要。

1? 電磁場實驗教學存在的問題

實驗教學不僅是對理論知識的驗證，而且是課堂教學的延伸，更是鍛煉學生工程實踐技能和創新思維的方式，目前電磁場實驗課程主要存在以下幾個問題：

1）學生積極主動性有所欠缺。熟悉并掌握硬件實驗儀器的使用方法需要一定的專業指導和嘗試摸索，由于擔心操作錯誤造成儀器損壞，部分學生的積極性受到影響，不利于培養他們的自主學習和探索的能力。

2）儀器設備和學時數量有限，無法滿足學生單獨操作的需求。部分小組學員難以在短時間內有效協調分工，造成一些學生參與度不夠、依賴性增加，不利于培養他們的動手操作能力[4]。

3）教學設施落后，實驗設備更新不及時，實驗內容單一重復。隨著科學技術快速發展，雖然之前開設的硬件實驗課內容具有代表性，但迭代更新慢，其使用的設備和操作方法也將顯得與時代不符，導致學生所學的專業理論與實際工程應用聯系不足，難以滿足社會對具有較強實踐能力的綜合性人才的需求[5]。

針對以上問題，本文探討如何利用計算機仿真技術和信息技術進行電磁場實驗教學，從而達到提高學生學習主動性、培養學生解決復雜問題的能力以及提升學生實踐創新能力的目標。

2? 改革實施方案探討

軟件仿真實驗可以彌補電磁場硬件教學的不足，如儀器設備成本高、實驗內容較少、不夠形象直觀等，在滿足基本實驗教學要求的同時可提高學生分析電磁場問題的綜合能力。MATLAB是面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境，具備很強的數值計算和符號運算功能，能幫助用戶解決繁雜的數學運算，并且其圖形處理功能完備，可將計算結果可視化，形象觀測電磁波的產生、極化與傳播等建模環節，因此，可輔助電磁場教學，形象生動地展示看不見、摸不著的電磁場，激發學生興趣，而且能夠提高教學效果[6，7]。此外，學生在前期的基礎必修課學習時就對MALTAB軟件有了一定的掌握，如MATLAB語言環境、常用函數以及各種工具箱的應用等，因此在此基礎上利用MATLAB進行電磁場實驗仿真，可減少仿真軟件學習難度，使得學生有更多的精力投入到對電磁場理論的理解并將其有效地應用于實驗。同時，學生在運用MATLAB完成實驗過程中，可掌握電磁場的基本分析和計算方法，有利于知識內化，為微波技術與天線、通信原理等專業課程奠定良好基礎，并且通過計算機技術與專業技術的有機結合，鍛煉使用現代計算工具解決復雜問題的能力，從而滿足工程教育專業認證標準。本文從實驗內容設計、教學模式和考評機制三方面探討使用MATLAB進行電磁場實驗仿真，結構如圖1所示。

2.1? 設計實驗內容

結合電磁場的教學目標、遵循知識的理解規律和系統性，合理設計相關的仿真實驗內容，例如均勻帶電球殼各區域內的電場強度與電勢變化、直線電流的磁感應線以及運動電荷產生的磁場強度觀察，使學生掌握靜電場、恒磁場、非恒磁場的數學描述的微分方程和基本分析方法；理想介質中均勻平面波傳播特性和極化仿真，幫助學生理解麥克斯韋方程組的物理意義，掌握交變電磁場的表述形式，建立均勻平面電磁波的基本概念；均勻平面波在兩種不同媒質分界面上的傳播仿真，使學生形象逼真地了解反射波、透射波和合成波的物理性質，充分理解行波、駐波和行駐波的概念，達到硬件實驗無法實現的目的；為了進一步提升學生的工程應用能力，加強抽象理論與具體實例間的結合，將教學內容設計成與實際應用項目相聯系的案例，例如半波偶極子天線，介紹電磁場的輻射特性，有助于培養學生分析問題和解決問題的能力。根據電磁場各項實驗內容，在MATLAB平臺中建立相應的數學模型進行仿真計算，通過豐富的繪圖函數，將仿真結果繪制成二維或者三維圖形，并以動畫效果進行展示，圖2和圖3分別給出了無界理想介質中均勻平面波傳播示意圖和圓極化示意圖，理論推導結論與實驗仿真結果相輔相成，幫助學生簡明清晰地理解均勻平面波傳播和極化特性。因此，利用MATLAB進行電磁場仿真實驗具有直觀性和趣味性，可激發學生的學習興趣和熱情，讓他們更加主動地參與到學習中來，通過反復嘗試、不斷探索，不僅有效提高學生學習效果，使他們掌握電磁場基礎知識、基本理論，為后續相關專業課程學習奠定基礎，同時還能培養學生的創新意識與科學思維。

2.2? 線上+線下的混合教學模式

隨著網絡信息技術的不斷發展，線上教學已得到了廣泛推廣，特別是在抗新冠疫情時作出了很大貢獻。線上教學可以貫徹在教學前、中、后的整個過程中，充分利用網絡資源，例如微課、慕課、直播和回看等，在豐富教學內容的同時也給學生帶來便利，幫助學生進行自主學習[8]。信息技術與教學模式的融合是大勢所趨，多種教學輔助工具應運而生，常用的網絡教學平臺有超星學習通和雨課堂等，可為教學過程提供數據化、智能化的信息支持[1]。在學習通上用戶除了可以學習課程、完成相關學習任務以及進行小組討論等教學活動外，還能自助進行圖書館藏書借閱查詢、電子資源搜索下載、圖書館最新資訊瀏覽等服務，教師創建課程后可按照班級進行管理，根據不同的培養方案調整課程內容，圖4是學習通的課程教學應用界面，包含教與學的各種相關微應用。線下教學的面對面授課，有利于提高監管力度和師生間及時溝通交流。教師通過觀察學生的問題理解、分析和處理能力，可大致了解學生對授課內容的興趣和理解情況，有助于調整與優化教學節奏和方式。將線上和線下模式相互結合服務教學，可進行優勢互補，提高教學效果。

課前，教師使用學習通等平臺發布相關的實驗任務、課件和微課視頻等資料幫助、督促學生進行線上預習，通過查看學生預習進度、時長以及問題反饋等信息掌握學生的預習情況。上課期間，學生進入實驗室運用MATLAB軟件開展線下實驗，教師針對預習時學生反映的突出問題進行重點講解，對學生遇到的軟件使用和電磁場專業知識等問題均可進行現場解答與指導，同時，激發學生的探索精神，鼓勵學生大膽嘗試和勇于創新，發現優秀的實現方案時，引導學生將其結果和編程思路分享給大家，通過相互間的討論加深對理論知識和實驗操作的理解，提升學生的綜合能力。課后，教師在學習通平臺上布置課后作業，如實驗總結報告，并隨時進行批改，發現錯誤時可及時為學生發起一對一在線答疑與問題反饋，同時也可接收來自學生的教學建議，有助于教學相長。

2.3? 更新考評機制

學生實驗成績主要體現在對實驗原理和內容的理解程度、學習態度、動手能力和分析解決問題的能力，為了有效地調動、激勵學生爭先促優的學習熱情，主要從以下幾方面進行全過程多元化考核：

2.3.1? 課前預習

通過網絡教學平臺發布各實驗項目的預習任務，圖5為學習通平臺上發布的電磁場實驗相關內容，包括實驗原理和內容、微課視頻觀看、問題回答以及預習報告撰寫等，按照一定比例將學生預習情況記入總成績。仿真實驗預習相比硬件實驗更靈活，根據實驗任務，明確實驗目的，學生可利用課外時間提前查找相關資料編寫仿真程序，通過一定的練習與推敲，發現問題和實驗的難點，進而帶著問題有針對性地進入課堂，提高聽課效率和實驗效果。

2.3.2? 實驗過程

教師在授課過程中采用引導、討論和開放的教學方式，以學生為主體，與學生開展互動和討論，鼓勵學生積極思考與提問，并分析實驗過程中出現的問題，根據學生的學習態度、互動情況、理解與表達能力、解決問題的能力、自主性、完成度、實驗結果、問題回答情況以及MATLAB使用的熟練程度進行評定，并按照比例計入總成績。對于有創新思路的學生要給予表揚和加分。

2.3.3? 總結報告

實驗總結報告是對整個實驗過程進行全面詳細總結，特別是實驗數據的處理與分析以及心得體會，可直接反映出學生認真程度，實驗報告的撰寫要求表述清晰、概念準確、數據嚴謹、分析恰當，并且應體現出對實驗內容和結果的總結與獨立思考。此外，在整個教學過程中，若學生對實驗改進和教師教學等方面提出了建設性意見，應給予學生加分。

2.3.4? 實驗考試

考試采用閉卷上機形式。教師通過對電磁場理論知識和實驗內容的凝練，設計幾個不同的考試題目，學生隨機抽取其中一個進行考試，按照題目要求補充或編寫程序代碼，得到仿真結果，并回答相關問題。

3? 結? 論

電磁場課程集理論分析、計算方法應用和工程應用于一體，使用MATLAB軟件開設仿真實驗，可豐富教師的教學內容，將抽象知識形象化，提高了學生對電磁場的學習興趣，加深學生對電磁場基本概念、原理和本質規律以及數學公式推導的理解，鍛煉了學生的邏輯思維和編程應用能力，有助于培養學生利用計算機軟件解決復雜問題的能力和科學素養，為今后的工作或研究生學習奠定良好基礎。

參考文獻：

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[8] 袁乙平，羅鳴，胡玥玥，等.后疫情時代高校大學化學實驗教學模式探索 [J].化工管理，2022（25）：37-41.

作者簡介：蔣紅艷（1985—），女，漢族，廣西桂林人，高級實驗師，博士研究生，研究方向：無線光通信、激光致聲通信。