科研与“电磁场与电磁波”课堂教学相结合的研究

颜文燕　陆汝华

摘要：电磁场与电磁波这门课程是电子信息工程和通信工程专业的必修课程，也是难点课程。针对电磁场与电磁波概念抽象、公式繁多等特点，改善教学方法，将科研内容与电磁场与电磁波课堂教学相结合，可获得良好的课堂学习效果。通过讲述高斯光束和全反射的实例来体现科研内容融入到电磁场与电磁波课堂教学中，使这门课程的学习更直观形象。

关键词：电磁场与电磁波；科研；课堂教学

中图分类号：G424 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）08-0149-02

Abstract： The electromagnetic field and electromagnetic wave， this course is compulsory course of electronic information engineering and communication engineering specialty， is also a difficult course. In view of the concept of electromagnetic field and electromagnetic wave is various characteristics such as abstraction， formula， improve teaching methods， the research content and electromagnetic field and electromagnetic wave of classroom teaching， the combination of a good classroom learning effect can be obtained. Through the example of gaussian beam and total reflection to reflect the scientific research content into the electromagnetic field and electromagnetic wave in the classroom teaching， make the course more intuitive image of learning.

Key words： electromagnetic field and electromagnetic wave； scientific research； classroom teaching

教学离不开科研，科研离不开教学。高等教育的三项职能即：培养专门人才；科学研究；服务社会。培养专门人才指的是教学，高等教育除了教学之外，科学研究也是高等教育的重要职能，没有科研的教学是没有活力的教学，只要将教学与科研相结合我们高校的高等教育才能真正服务社会。

1 教学与科研的关系

教学和科研是紧密结合在一起的：一方面，教学为科研提供了方向，通过教学提出问题，同时也是科研成果交流和讨论的好平台；另一方面，科研使教学更有活力，科研给教学带来新的知识和成果，让教学紧跟学术前沿，教学与科研相结合是科研成果转化为教学成果的途径，是科研与教学相互作用、促进教学水平提高和学生获取课程内容感性知识的有效手段，有助于提高该类课程学生学习的兴趣和自觉性，提高教学效果。

高等教育的主要目的在于培养人才，培养德、智、体全面发展的创新型人才，尤其是工科专业的学生，知识日新月异，新的技术不断涌现，若只局限于书本上的知识，将很难跟上时代的节奏，这也对教师的教学提出了更高的要求。教学只有与科研相结合，了解学术前沿，给学生传播专业方面最新的知识，学生才能真正有所收获，不被时代所淘汰。同时，教师从事科研也有助于提高自身的素质，一直保持学习的状态，将科研与教学相结合，有助于提高教师的学术品味，塑造教師在学生心目中的良好形象，在学生中产生良好的声望。科研可让教师深刻理解专业知识，提高教师师资水平和培养学生心智。这种教学模式激发学生的学习兴趣，培养符合社会发展规律的创新型人才。

2 科研在电磁场与电磁波课程教学中的应用

电磁场与电磁波这门课程是电子信息工程和通信工程专业的学生的必修课，也是难点课程，电磁场与电磁波这门课程，具有概念抽象、公式繁杂、内容繁多的特点。不少学生在学习这门课程时反映吃力，难以理解其中的概念，甚至有些学生在学完这门课程后，完全不知道讲了些什么。针对这些情况，改变教学模式，将科研过程中的有限元分析软件COMSOL应用到该门课程的教学中，激发了学生学习这门课程的兴趣，培养学生探究未知问题的精神，课堂教学效果显著。我们将科研应用到电磁场与电磁波课堂教学中，以课堂中讲述高斯光束和全反射两个知识点为例，将理论学习与用COMSOL 有限元分析软件模拟的高斯光束和全反射的模拟仿真结合到知识点的理论学习中。COMSOL软件是一种模拟电磁场与电磁波的软件，目前广泛应用于变换光学设计光电磁器件中，如偏振分离器、出射方向可控的移位器、电场旋转器等器件的设计。 COMSOL软件具有操作简单、容易掌握、界面友好的特点。

（1）高斯光束。通常情形，激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函数，故称高斯光束。高斯光束的应用非常广泛，在很多光电磁器件的模拟中，都是将高斯光束作为入射光束。高斯光束的表示形式如下：

图1高斯光束模拟图形象直观，可以帮助学生加深对高斯光束的理解，在教学过程中，可以直接通过软件进行动态模拟，激起学生的好奇心，将课本上的理论联系起来，通过数形结合来理解高斯光束，通过模拟图可以看出高斯光束波束能量分布具有轴对称性，在中部场强最大，靠近边缘处强度迅速减弱。基于高斯光束的特点，在一些光电磁器件的设计中，高斯光束常常用作入射光束，用来准直和聚焦。掌握高斯光束的特点，对继续深造的学生以后研究变换光学和高功率激光具有非常重大的意义。

（2）全反射。首先从理论上阐述全反射的概念：

由此可见，因函数，故只有当时才可能发生全反射现象。也就是说，只有当平面波由介电常数较大的光密介质进入介电常数较小的光疏介质时，才可能发生全反射现象。为了让学生真正理解全反射，我们利用有限元分析方法COMSOL软件来模拟全反射，帮助学生真正理解其物理意义。在课堂上利用COMSOL软件对全反射进行动态模拟，将理论与仿真软件相结合，深刻剖析全反射的概念。单纯地讲解全反射的概念，学生并不能真正理解，通过以下模拟图学生可以很快把握全反射的概念。图2为全反射的模拟图：

3 结束语

将电磁场与电磁波课堂教学和课题研究相结合，体现了教学与科研相辅相成的关系，良好的课堂教学离不开科研，科研依托于教学，课堂教学与科研紧密结合，既促进了课堂教学，加强课堂教学效果，同时也给科研提供了分享的平台，促进科研。

参考文献：

[1] 高永锋.将科研内容融入“电磁场与电磁波”课程教学[J].中国电力教育，2009（12）.

[2] 杨儒贵.电磁场与电磁波[M].2版.北京：高等教育出版社，2007.

[3] 郭硕鸿.电动力学[M].3版.北京：高等教育出版社，2008.