信息化视角的电磁场论实验教学研究

徐 凯 军

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

信息技术是当今科学技术中最活跃、发展最迅速、影响最广泛的领域。伴随着多媒体以及互联网开始大范围普及，普通大众的生活和学习方式因信息技术而发生巨大的变化。高校教学也正在推进信息技术与教学的融合，促进教学模式的改革，提高学生培养质量[1-3]。电磁场论是勘查技术与工程及地球物理学重要的专业基础理论知识，理论体系严谨，公式繁杂，概念抽象，不易于直观理解。将信息技术与教学结合，特别是从信息化教学视角的电磁场论实验研究，可以将抽象的概念具体化,将繁杂的推演简单化,将电磁场空间的描述形象化,将电磁波传播过程动态化,进而提高实验教学效果[4-7]。信息化技术最大优势是可以利用多种媒介形象地展示实验内容。资源形式涵盖视频、网站、多媒体等各类，将实验内容进行形象化展示，如电偶极子场分布、电磁波传播等内容。

电磁场的传播特征是电磁场论中重要的研究内容，由于电磁波传播规律和传播动态非常抽象，如何将电磁波传播过程清楚地展示，是电磁场论实验教学中的关键问题。地质雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)是一种电磁探测技术，它利用电磁波在地下介质传播过程中的不同波动规律来探测地下目标体[8]。电磁波传播理论是地质雷达的理论基础，建立基于地质雷达的电磁波传播实验可以在教学中让学生理解电磁波传播的基本理论，同时还能学习电磁波在专业方面的应用。本文基于地质雷达方法，开展信息化视角的电磁场论实验教学研究，对电磁场论中所表述的抽象的电磁场传播规律进行模拟实验，以图形、视频、动画、网络等信息化手段直观、清楚地显示出来，加深学生对抽象的电磁场传播理论的理解。

1 地质雷达电磁波传播实验

1.1 激励源选取

地质雷达天线通常采用高斯脉冲(见图1)作为发射天线的激励源。确定了激励源幅值为100 V、内阻为50 Ω·m的高斯脉冲电压源，其基本公式为：

W(t)=e-ζ(t-χ)2

(1)

式中：ζ=2π2f2，χ=1/f(f为频率)。

图1 高斯脉冲电压源

1.2 天线网格剖分

地质雷达发射天线多采用平面蝶形天线。其中一个为发射天线，另一个为接收天线，且发射天线和接收天线的几何形状、尺寸与电性参数完全相同。为了模拟该天线发射的电磁波在介质中的传播进程，需要对天线进行有限差分网格剖分(见图2)。

图2 蝶形天线的网格化

1.3 电磁波传播有限差分数值模拟

考虑地下为各向同性的耗损介质，电磁场传播满足的方程为：

(2)

(3)

式中：E为电场强度，V/m；H为磁场强度，A/m；ε为介电常数，F/m；μ为磁导率，H/m；σe为电导率，S/m；σm为等效磁阻率，Ω/m。

将研究区域分割成一定数量的空间网格，用有限差分方法近似电磁场方程,然后再进行时间离散化，可以得到电磁场满足的时域有限差分方程[9-13]：

(4)

(5)

(6)

式中：CA(i，j)、CD、CB(i，j)为介质电性参数。

2 电磁波传播时空特性分析

2.1 电磁波空间传播特性分析实验

电磁波随着空间的传播特性是电磁场论中重要的内容，通过电磁场传播实验，可以将电磁场在空间能量的分布情况展示出来。建立一个二维地下空洞模型(见图3)，激励天线选用800 MHz，介质的电性参数：ε=9 F/m，ρ=400 Ω·m。在介质中存在一个空洞，通过电磁波空间传播模拟可以得到电磁波反射振幅空间分布剖面(见图4)，可见在空洞和介质的分界面处，由于电性差异明显不同，在界面处出现强的反射振幅，越往深处电磁波能量在不断衰减，通过该实验的分析，可以很好地说明电磁波在地下介质不同电性界面处具有不同的反射能量，形象地展示了电磁波探测地下目标体的原理。

图3 空洞地质模型

图4 电磁波振幅空间分布剖面

2.2 电磁波时间传播特性分析实验

电磁波随着时间传播特性比较复杂，不结合实验很难理解电磁波随着时间在介质中的传播特征，基于信息化的手段，用波场快照的方式将电磁波随着时间的变化规律用图形或者动画展示出来。波场快照实验可以将不同时间电磁波在地下介质中的传播特性很清楚地展示。建立一个层状介质模型(图5(a))，通过电磁波不同时间的波场快照(图5(b)～(d))可以展示在某一时刻电磁波传播的范围、反射波和透射波传播特征和能量。可见电磁波在两层界面处(h=10 m，13 m)存在一定的反射与透射信号。由于能量的衰减，反射波和透射波的能量在传播过程中不断衰减，传播时间不同，其传播的范围和能量也不同。

(a) 传播介质参数

(b) t=100 ns

(c) t=140 ns

(d) t=160 ns

3 电磁场实验教学信息化体系建设

电磁场传播实验可以从多个角度开展实验教学，针对不同频率发射源，不同的地下介质模型，利用信息化技术优势，形成电磁场实验教学信息化体系。

(1) 仿真实验平台。将地质雷达电磁波传播模拟形成仿真软件，建立电磁波传播仿真实验教学平台，利用信息化开展多模型、多参数、多功能的仿真实验，教学中采用软、硬件实验相结合的方式，实验室进行仿真实验，室外进行实际测量，加深学生对电磁场理论的理解及实际应用能力。

(2) 电磁场传播实验“微课”资源建设。以视频为主要载体，将地质雷达电磁波传播实验分解为多个涉及到电磁场基本理论的知识点，将地质雷达电磁波传播过程形成“微课”资源，突出电磁场教学中某个学科知识点。微课时间短，针对性强，有利于知识点理解，利用信息化手段，以网上视频、手机传播、微博讨论等各种方式进行教学互动，提高学生的学习兴趣。

(3) 网络化实验平台建设。建设电磁场论网络化实验平台，建立电磁场论的实验资源库，教师和学生可依托平台进行互动。

4 结 语

电磁场实验教学是电磁场论教学的重要部分，实验教学效果直接影响教学质量，信息化技术为实验教

学提供了良好的资源和手段。基于地质雷达的电磁场传播实验可以清晰地展现电磁波在地下介质的传播动态，使抽象的电磁波传播过程变得直观、形象、易懂，提高学生的学习兴趣和创新能力，特别是与专业实际应用技术相结合，通过在实验进程中改变地质雷达天线的发射频率、设计不同的地质模型，改变不同的时间参数，从不同细节和角度去理解电磁场的传播特征，提高了电磁场实际应用中分析、解决问题的能力。在电磁场实验研究的基础上，借助信息化的手段，形成实验教学信息化体系，从而提高电磁场实验教学效果。

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