计算电磁学在场与波课程教学中的应用分析

张海

[摘 要] 电磁场与微波技术系列课程是普通高等高校电子信息类专业中一门非常重要的基础课程。教学中涉及多门课程，在生活中涉及通信、导航、遥感、雷达等无线系统。此系列课程的学习需要运用大量工程数学、物理方面的知识。内容涉及范围较广、计算复杂，而且理论概念比较抽象，公式和定理复杂，从而导致学生对所学知识很难完全理解，学生对此系列课程的学习积极性下降也严重影响了教学质量。学生学习起来非常困难，导致该系列课程有着很高的挂科率。针对该问题，需要在教学中做出一些改变，引入数值方法以及相关仿真软件，以便学生全面掌握此系列课程的知识要点。

[关 键 词] 电磁场与微波技术；计算电磁学；仿真软件；教学改革

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）01-0078-02

电磁场与微波技术对我国经济发展、科学研究起到很重要的作用，该系列课程中所包含的内容是电子类本科生应该具有的知识结构中非常重要的组成部分，这一系列学科能为我国培养很多电子信息类型的专门人才。学好这门学科对学生未来的就业与生活影响较大。我国在这方面人才紧缺，学生在电磁场与微波技术方面的学习又很困难。抽象的概念、复杂的公式、晦涩的定理使学生的学习难度加大，学习起来很困难，学习兴趣下降。怎么将抽象的概念和复杂的公式等理论问题变得形象和实际以及如何对电磁场与微波技术系列课程进行教学改革，是我们应该重点关注的问题。

一、电磁场与微波课程的教学现状

以前我们在电磁场与微波技术系列课程中没有做到把这些课程当做一个大的整体系统进行考虑，所以在此系列课程总体知识结构中，课程设置和内容的链接存在著许多问题需要解决。电磁场与微波系列课程对数学方法的要求非常高，令学生望而生畏。另外，课程由精确复杂的实验、精密的数学论证以及抽象的科学研究组成，所以学生对该系列课程的学习难度非常大，而有些课程在这一系列教学体系中都是独立的，没有互相沟通和联系，让学生毫无头绪，无从入手，所以导致学生对电磁场与微波系列课程中所学的知识了解不够彻底。因此，我们的教学需要创新，改变电磁场与微波系列课程的教学体系。对体系的结构和内容进行优化。这对学生学习电磁场与微波技术方面的知识有着很大的帮助。

另外，实践能力对电磁场与微波技术系列课程来说也非常重要。虽然该系列课程内容相对枯燥，但是与现实生活的联系非常密切，实践能力的提高才是对知识真正的掌握，通过实践可以检查对电磁场与微波技术系列课程的教学成果，如“射频与微波电路技术”“无线通信及射频系统技术”“电磁波应用技术”等都需要通过实践才能得到提高。掌握实践知识对未来社会生活上的发展更有帮助，打好了日后从事相关科研工作的基础。如果学生为了应试而死记硬背，就会毫无作用，跟教学的目的背道而驰。

二、电磁场与微波技术的重要性

电磁场与微波技术是我国国防技术的重点学科之一。国家为此建立实验室、教学基地，提供科研支持和教学支持。该学科的发展对电子和信息领域的帮助是巨大的，在导航、遥感、通信等科学领域中也起着非常关键的作用。如通信卫星方面，电磁场与微波技术对卫星通信质量的提高有着不可忽视的作用，在通信卫星的信号质量上有着决定性作用。在这个全球信息化的年代，电子通信早就与人们的生活息息相关，而电磁场与微波技术对通信技术以及国家的军事研究领域作用巨大。该学科的专业性很强，涉及范围也很广，如有电磁信号产生、天线雷达、高功率微波、电磁兼容等。电磁场与微波技术在日常生活中也有很多应用，如电磁炉、微波炉等。电磁炉是现代生活中厨房的必备物品，它运用磁场感应电流的原理来进行加热，不产生明火，使用非常安全、便捷，对保护环境方面也有着很大的作用。而微波炉的加热原理是从食物内部传达到外部，烹饪时间大大缩短。总之，电磁场与微波技术的提高，对我国科技、经济、生活的提高有着直接联系。同时，它对我国各个行业都有着重要作用，再加上无线通信技术的高速发展，学习电磁场与微波技术的就业前景非常好，毕业生可进入通信公司、科研院所、国防单位等。

三、计算电磁学及仿真软件在课程体系中的应用

“计算电磁学”应用的学科较多，是一门涉及面较广、多学科交叉的理论知识。它对现代电子技术有着非常巨大的作用。学生需要掌握一定的数学知识，既有理论方面的知识，也有科学的算法和分析。有复杂的数值分析和计算，有晦涩难懂的计算编程和公式。计算电磁学可用来计算电磁场与微波工程方面的问题，其运用的基础是电磁场理论与数值计算方法，运用现代计算机技术来解决电磁学的问题。实践证明，运用计算电磁学可以解决许多复杂的实际电磁学问题。

“计算电磁学”这门课程的教学目的很明确，就是让学生可以更好地了解和掌握电磁理论中各种电磁场数值算法，并运用这些算法解决电磁场与微波技术方面的问题。在课程教学中可以根据各个算法设置实验项目，教学时引导学生从计算理论开始，引导学生思考电磁场与微波系列方面的其他课程，举实例进行教学。在进行计算教学时，要特别注意引导，各个细节要讲解清晰，如何运用于实际，计算编程也要与电磁场与微波系列的其他课程相结合，相互交叉。计算电磁学课程教学中的计算方法很多，如有限元法、矩量法、差分法、边界元法、传输线法以及时域有限差分法和有限积分法等。随着微波系统的设计愈加复杂，对器件与电路的要求也更高，随着电路功能的增加，传统的理论设计方法已无法满足要求。使用微波EDA仿真软件就成了大势所趋，而微波EDA仿真软件又与计算电磁学方法密切相关，如运用矩量法的EDA软件包括ADS和FEKO，运用有限元法的EDA软件包括HFSS和ANSYS，运用时域差分法的EDA软件包括EMPIRE和XFDTD等。各种微波EDA软件需要使用各种不同的算法。而不同数值计算方法的改进又会促使微波仿真软件的升级和改进。运用计算电磁学来解决射频、微波电路等问题，已然是大势所趋。计算电磁学发展到现在，计算方法和技术得到很大的提高，对社会中各行各业都有着很大的影响。

把电磁场与微波技术系列课程内容进行整合，建立新的教学体系，以强化学生的数学知识为基础，抓住重点，加强培养。首先，把电磁场与微波技术系列课程中所需要学习的数学知识进行整合，改进教学方法。打好坚实的数学基础，这样学生在学习电磁场与微波系列后续课程时会感觉轻松很多。其次，在学习数学理论的同时，还要注重实践能力的培养，可以增加对应的实验教学，这对培养学生的综合能力方面有着重要作用，也提高了学生的自主创新能力。这种体系注重电磁場与微波系列课程之间的交叉和联系。另外，很多学生数学知识薄弱，针对这种情况，可以将矢量分析与各种分类和定理问题等课程整合起来，形成一门课程进行教学，专门进行数学理论的教学。再次，在教学的同时，用“场与波”的问题进行比较说明，利用微波仿真软件进行演示，这样学生进行课程学习时就会变得形象和直观。最后，从“麦克斯韦方程组”的基本理论知识出发，把授课中心转换到“电磁波”方面。在教授微波技术方面时，要先学习电磁场与电磁波等基本知识后，再进行微波技术的课程教学。另外，“电波传播理论”的课程教学可与“天线设计”课程结合起来。加强课程之间的链接，对知识的运用也会得到很大的提升。一直以来，电磁场与微波技术系列的课程在教学时，就主张理论与实践共同进行，用理论来联系实际生活，结合实例来说明理论教学的实际运用。如在进行微波射频电路教学时可以介绍ADS、CST等仿真软件的使用。与此同时，还要加强实验教学的培养，电磁场与微波系列课程中的实验环节必不可少。安排好微波技术实验内容，要充分利用学校资源，依照电磁场与微波技术系列的课程规律来安排实验内容，让学生更加充分地掌握电磁场与微波系列知识内容。

总之，电磁场与微波技术专业对我国科技的发展十分重要，但是这类课程需要大量的数学及物理知识作为基础，学习过程十分不易。电磁场与微波系列课程的抽象与复杂令学生难以接受，但是在把计算电磁学及相关微波仿真软件引进教学中后，将会有效缓解该情况，做到对学生综合素质和自主学习能力的培养，相关课程教学效果也有了进一步的提高。通过教学改革，有效提高了课程的教学质量，加强了学生的理论基础，同时使学生的实践能力得到提升，有利于现代化信息通讯人才的培养。做到了一定的创新与发展，让学生的自主学习意识和学习积极性得到提高。同时，使电磁场与微波系列课程不再枯燥乏味，在学生学习该系列课程时，变得更加感兴趣，奠定了学生走向社会，从事相关行业的理论与技术基础。

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编辑 马燕萍