关键词：电磁场；教学内容；教学方法
作者简介：朱安福（1972-），男，河南永城人，华北水利水电大学电力学院，讲师。（河南 郑州 450011）
基金项目：本文系河南省教育厅项目（项目编号：12A510017）、华北水利水电大学项目（项目编号：201027）的研究成果。
中图分类号：642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）26-0045-01
“电磁场与电磁波”是电子科学与技术专业必修的一门专业基础课程。随着电子技术飞速发展，特别是电力电子设备密度不断增加，数据通信传输速率和信道带宽的提高，要求电子科学与技术专业学生和电气工程师必须具备“电磁场与电磁波”方面的知识储备。由于“电磁场与电磁波”理论性强，场与波的概念比较抽象，课程涉及公式的数学推导较多，课程难度较大。所以，“电磁场与电磁波”课程无论对教师的教学，还是对学生的理解掌握都有较大的难度。另外，本课程教学效果又直接影响后续专业课程的学习如微波技术、光电子技术等。[1]因此，“电磁场与电磁波”课程对于电子科学与技术专业学生是十分重要的。综合教学内容和教学方法改革，加强理论联系实践，避免了简单的理论教育，在“电磁场与电磁波”理论与实验教学方面进行了有益的探索，近年来取得了一定的教学效果。
一、“电磁场与电磁波”课程内容研究
1.完整的内容体系
“电磁场与电磁波”教学内容必须和专业培养方案保持一致。华北水利水电大学使用的教材是西安交通大学冯恩信老师的《电磁场与电磁波》。该教材是部级规划教材，依据培养方案学时数由62学时调整到48学时。课程要求学生熟练掌握基本理论和基本分析方法，重点是理论基础和知识体系的完整性，同时尽量避开繁杂的数学推导。“电磁场与电磁波”从科学实验基础出发，总结出电磁规律，根据电磁规律，针对不同的实际情况，采取相应的求解方法来解决不同的实际工程问题。课程涉及的大多数物理量是矢量场，分布是时间的函数，而且还是空间分布函数，概念比较抽象，而电磁场与电磁波又是看不见、摸不着的。此外，课程对学生的数学知识及其应用能力要求比较高，数学知识多要用到偏微分、多重积分、矢量分析和场论等。教学内容应该根据学时进行取舍：
（1）首先补充介绍矢量分析和场论内容，使学生更容易学习电磁场，有利于学生学习矢量场的分析方法，更好地建立电磁场的概念。
（2）以科学实验的结果引出库仑定律、安培定律、法拉第电磁感应定律，运用场论的数学工具归纳出电磁场方程，利用位移电流假设建立了麦克斯韦方程组。
（3）依次讨论静态场、时变电磁场以及电磁波的传播与辐射特性。时变电磁场是重点，归纳了麦克斯韦方程组和物理理论基础，需要掌握电磁波的数学描述、传播特性。
（4）为了保证教学知识体系的完整性，同时为后续课程微波技术打好基础，应该讲解平面电磁波、电磁波的辐射和天线。[2]
2.理论联系实际
在“电磁场与电磁波”课程教学过程中，为了提高学生的学习积极性，改善“电磁场与电磁波”的课堂教学效果，在授课内容中增加与实际生活以及电力工程相联系的工程实例。通过了解生活中应用电磁场或者电磁波知识的实际例子，使学生掌握利用电磁理论原理分析解决实际工程问题。例如利用电磁理论分析微波炉与电磁炉的原理不同之处，微波炉加热是利用微波煮饭烧菜的，这种电磁波可以穿过玻璃、塑料或陶瓷，碰到金属就会发生反射，不会消耗能量。但是微波不能透过含有水分的食物，其能量反而被吸收，转化为热量加热食物；电磁炉工作原理有所不同，电磁炉采用磁场感应的涡流加热，首先控制振荡电路产生高频交流电，变化的电流通过线圈就会产生交变磁场，交变磁场感应在金属锅底产生无数小涡流，这些涡流的热效应会使锅体发热，再加热锅中的食物，达到煮熟食物的目的。
3.实验教学环节
“电磁场与电磁波”实验教学环节是验证电磁理论、增强理解电磁理论的重要手段，由于电磁场与微波实验测试设备比较昂贵，建立实验室需要很大的投入，电磁场与微波实验课程主要通过电磁软件完成仿真实验，利用仿真软件完成相关实验是一个低成本的选择，可以做演示性的基础实验，也可以进行创新研究性的实验。使用Ansoft公司的HFSS（High Frequency Simulation Software）是利用windows图形用户界面的一款高性能的全波电磁场模拟仿真软件，它易于学习，具有仿真、可视化、立体建模、自动控制的功能，使“电磁场与电磁波”问题能快速而准确地求解。仿真实验教学内容可以根据学生的实际情况选择合适的实验项目，实验项目不受固定实验台的功能限制。这种方式适应了目前高等教育提倡的增加研究性实验的要求，特别是对于成绩较好的同学，效果较好。软件应用难度有点大，不能尽如人意，从长期来看应该建立电磁场与微波实验室。
二、“电磁场与电磁波”教学方法研究
1.启发式教学
在教学过程中采用实验启发式教学法，以实际工程问题为例启发学生思考。在教学过程中以教师讲授为主，多媒体授课并适当结合板书。对重要定理和公式，应该详细推导，用黑板手写进行讲解，这样能加深学生对知识的理解。对一些复杂繁琐的公式不做过多推导，把课程讲授重点放在物理概念、物理模型和基本分析方法上。整体教学思路在科学实验的基础上，启发学生运用电磁场理论推导，利用数学工具分析讨论，最后归纳概括电磁理论，然后介绍利用电磁理论解决实际工程问题。[3]在课程中讲一些电磁科学发展的名人轶事，如麦克斯韦在总结前人的理论基础上提出位移电流假说，预言电磁波的存在，后来赫兹怎样用实验验证了电磁波的存在。
2.培养学生的科学方法和思想
在教学过程中，不仅要学习前人的科学成果，还要引导学生学习前辈进行科学研究的方法，注重培养学生的研究科学方法和思想，如对称性与不对称性的科学思想。在很长一段时间里电学和磁学的研究是两个独立的分支，丹麦学者奥斯特真正把电和磁联系起来，他首先发现在电流线周围的小磁针发生了偏转，也就是说电能产生磁。法拉第遵循对称性的科学思想设想磁应该能产生电，拉第发现电磁感应定律。看起来，电与磁的相互联系已经相当完善，然而麦克斯韦发现磁的时间变化可以产生电，依据对称性的科学思想得出电的时间变化可以产生磁，提出了位移电流思想的假设。麦克斯韦采用了分析流速场的环量、通量、散度、旋度来描述电磁场，用精确的数学语言建立了麦克斯韦方程组，预言电磁波的存在，这正是对称性思想在电磁理论发展史上所起的作用。[4]另外也让学生认识到数学工具在科学研究中的重要地位，要求学生加强数学学习和工程应用。
3.综合利用多媒体
在教学过程中采用多媒体结合板书进行教学，一些难理解的电磁波等理论通过电子教案、录像的演示更为直观，可以利用仿真软件演示，天线的实物照片让学生容易掌握电磁理论的工程应用。授课过程中始终坚持互动教学，结合复杂背景中红外与雷达数据融合的目标识别研究项目，介绍雷达的目标识别的原理，使学生对电磁波有了感性的认识，这充分激发了学生的求知欲。多种媒体扩大了涵盖的内容，达到图文并茂，提高了学生学习的效果，提高了学生的观察能力、分析推理能力、归纳应用能力。
4.研究性学习能力的培养
授课教师结合科研工程项目给学生布置有关大作业，例如目前研究热点——物联网中关键技术射频识别技术RFID，[5]利用RFID技术完成智能停车场管理系统的汽车定位设计，安排学生查阅文献掌握RFID系统的原理和主要涉及的电磁理论知识，要求学生完成学习目标后提交一份报告，该环节还可以为毕业设计或继续深造打好基础。
三、结束语
“电磁场与电磁波”理论发展迅速，“电磁场与电磁波”课程教学方法和教学内容必须与时俱进，力求教材新颖，内容充实，还要选择合理的教学方法才能取得较好的教学效果。需要每一个教师认真探讨与研究，更需要多总结和广泛交流。电磁理论研究特别关注科学方法和科学思想，通过课程与实验内容的改进，电子课件的合理运用、因材施教，最终使学生积极主动地参与到教学活动中来，从而提高学习效果。结合课程大纲要求，引入先进的教学理念，合理选择教学模式，灵活运用各种新的教学手段，最终目标在于提高课程教学质量，使学生具备扎实的电磁理论基础知识，掌握基本分析方法，从而提高学生利用电磁理论解决实际问题的工程技能。
参考文献：
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[4]梁昌洪.关于电磁理论的若干思考[J].电气电子教学学报，2004，
关键词：电磁场 电磁波 实验教学
1引言
在高校人才培养中，实验室实现了将理论与实践的有机结合，对学生的创新性思维有着启迪作用。 因此，实验教学历来都是各高校非常重视的环节。对物理学来说，电磁场与电磁波理论性强，概念抽象，因此，为了加深学生的理解与学习，必须通过实验促进学生对知识的理解与掌握。
2“电磁场与电磁波”课程特征分析
“电磁场与电磁波”研究的重点是电磁场和电磁波的属性，规律，以及应用等。由于其和光纤通信技术，电磁干扰，移动通信技术等联系紧密，应用范围非常广。“电磁场与电磁波”要求数学基础深，并且理论性强，概念非常抽象，因此，学生进行学习时不容易理解，非常困惑，单纯的理论讲解，会丧失学生学习主动性与积极性。
“电磁场与电磁波”内容抽象，理论性强，其理论应用又十分具体，和人们的生活联系紧密，这是其特征；而“电磁场与电磁波”学习的难点在于，由于“电磁场与电磁波”看不见摸不到，必须具有非常强的空间想象力，才能理解“电磁场与电磁波”空间传播的形态。
3“电磁场与电磁波”教学设计
3.1“电磁场与电磁波”教学理念
高校学生培养思想应该是基于知识能力与素质相结合，培养学生的学习知识的能力以及研究探索的能力，提高学生应用知识的能力以及实践能力。因此，电磁场与电磁波教学中学生学习的重点不是知识的接受与知识的传承，而是对知识的探索。教师对学生的培养要从以传授知识为主转变为培养学生独自思考，开拓创新能力的培养方面，从而使得教学的质量不断提高。
3.2“电磁场与电磁波”教学方法
在电磁场与电磁波教学过程中，通过改革要实现由老师为主体向以学生为中心的转变，老师只起到引导作用；教学过程中改变传统的老师注入式教学，要转变为师生互动；要积极利用现代化的科技教学手段。教师进行课程的教学设计时，要充分考虑教学并重的原则，积极探索学生主动学习，勤于动手的能力的培养，改变学生的死记硬背，强接受式的学习。能力培养学生的独立分析解决问题以及获取新知识的能力。
3.3“电磁场与电磁波”实验目标与实验设计
基于电磁场与电磁波内容的特征，电磁场与电磁波实验目标在于解决目前电子技术对电磁波知识的依赖；和教学大纲紧密结合，结合课程重点的知识内容，对难点问题进行解决。由于电磁场与电磁波教学比较抽象，重点解决学生抽象学习和具体知识的矛盾；理论联系实际，利用理论知识解决实际中的问题，提高学生学习的积极性与热情，从而使得学生独立思考问题解决问题的能力得到提升。
“电磁场与电磁波”实验采用电磁波教学综合试验仪。实验内容和教材中重点内容，难点知识点紧密结合在一起，通过对实验的设计，演示和验证，将教材中抽象的概念具体形象化，从而将枯燥的教学变得生动活泼，从而使得学生能够主动的研究学习，极大的促进了学生的积极性与学习的热情，加深了学生对电磁场与电磁波的理解。
4实验方法
4.1实验装置
电磁场与电磁波实验装置包括了发射装置，辅助装置以及接收装置，如图1所示。信号产生器与发射天线构成了发射装置；具有可视化的电磁波感应器构成了接收装置。学生基于课本理论知识，对接收装置进行设计。实验的支架，强度指示装置，反射机构等等都属于辅助装置。辅助装置基于实验内容与目的的不同，为了使实验具有可扩展性，辅助装置能够进行多种组合。
4.2电磁波实验原理
实际中，收发电磁波都需要天线，天线不但是能量转换器同时还可以进行电磁波的辐射与接收。天线发射电磁波时，高频电流的能量被转变为电磁波能量；而天线接收时，又将电磁波能量转变为电流能量。发射信号源采用的是功率信号发生器，利用天线进行电磁波的发射。当在天线馈电点接入小功率的电泡时，电泡就会发光，表明接收位置电场强度。此时，灯泡与接收天线就构成了电磁波感应接收装置。
4.3实验内容
一、设计和制作电磁波感应器
天线通过金属丝制作，在感应灯板的两端通过螺丝将天线固定，同时安装于测试支架，不断将感应板角度进行调整，使得发射天线极化方向和感应板角度一直，那么由于穿过了线圈，磁场发生变化，天线出现电流，使得电流表发生偏转或者灯泡发亮。通过实验能够使得学生对电磁感应的原理有了更加深刻的理解。接收天线形式示意图如图2所示。
二、电磁波传播特性实验
在能够旋转的支臂上安装天线，将天线的极化方向与天线和支臂的角度一致，此时固定支臂滑块，不断变化发射板的位置，会使得电流表不断发生变化，或者使得灯泡的亮度发生改变，从而判断出现了波节。利用这个实验，可以加深学生对驻波产生原理，迈克尔逊干涉原理的认识与理解；同时，利用反复测量电磁波的波长，频率，波节等，使得学生对于电磁波的空间的传播的特性有更加深刻的认识。
三、电磁波的极化实验
在水平极化接口，垂直极化接口，右旋圆极化接口与左旋圆极化接口上接发送天线的电缆，然后在测试支架上安装电磁波感应器，感应器位置设置成水平，垂直以及45°角等不同形式，不断改变感应器滑块的位置，此时，对灯泡亮度改变时，移动感应器滑块与发射天线的距离，从而对发射天线电磁波的极化形式进行判断，通过实验使得学生对电磁波极化特性加深了认识和掌握。
结束语
利用“电磁场与电磁波”课程的实验设计，将课本抽象的理论概念形象具体化。通过实验教学，使得学生对教材的理论知识点掌握的更加牢固，理解的更加透彻，提高了学生的动手实践的能力，使得学生主动学习的积极性大大提高。“电磁场与电磁波”实验教学说明，教学过程中理论固然重要，而实践更是不能缺少。和具体的实际问题的应用背景相结合，通过实验提高了教学的启发性，不但提高学生独立思考问题的能力，同时使得学生综合实践能力得到了极大的培养，对高校培养高素质人才有着非常重要的作用。
参考文献
[1]杜章永，宋清华.电磁场与电磁波课程教学改革的探索与实践[J].科技信息.2011（21）：455
关键词：电磁场与电磁波；类比法；循序渐进；讲义；习题
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0010-02
随着信息时代的到来，作为通信传输技术基础的电磁场理论得到越来越广泛和深入的研究与应用。“电磁场与电磁波”是电气、电子信息、通信等工科电子类专业的一门重要的技术基础课，它是在大学物理电磁学的基础上，进一步研究宏观电磁现象的基本规律和分析方法。这不但是为了后续课程的需要，也是深入理解和分析工程实际中的电磁问题所必需掌握的基本知识，而且电磁场理论也是微波通信、卫星通信、电磁兼容和生物电磁学等高新技术的理论基础及交叉领域新学科的生长点。[1，2]所以电类专业的学生，无论是从当前的学习出发，还是为了拓宽将来的专业面，都应该重视这门课程，学好这门课程，打好专业基础。此外，学好这门课，对培养学生树立严谨的科学思想、科学分析问题的方法、复杂抽象的思维能力、勇于开拓的创新精神等将起着十分重要的作用。[3，4]另外由于独立学院学生普遍基础不是很好，并且对抽象的理论课程的学习兴趣不大，更加重了独立学院重“电磁场与电磁波”课程的教学工作。
一、“电磁场与电磁波”课程特点
1.基础知识要求多
“电磁场与电磁波”课程是以大学物理、高等数学、电路分析、数学物理方程、复变函数等为基础，所涉及的内容很广 。大学物理中，电磁学部分内容是“电磁场与电磁波”的物理基础，而矢量分析、特殊函数等内容是学好“电磁场与电磁波”课程必需的数学工具，由于涉及复杂偏微分和特殊函数的计算，难度不小。因此要学好这门课程，必须熟练掌握这些基础课程的相关概念、理论和运算等。同样对担任本课程教学的教师提出了较高的要求，即一方面需要有较好的物理、数学及电路知识；另一方面需要有比较全面的专业知识。同时，又需要对通信工程实际情况有较广泛的了解。因此本课程的教学相对而言比较不易。
2.数学推导计算多
课程涉及大量的物理知识以及各种数学方法，在学习过程中如何处理数学与物理的衔接，数学方法和物理概念的联系以及理论分析与工程应用的关系至关重要，这也是学生较难处理的问题。
3.抽象的概念多
“电磁场与电磁波”每章内容都会引入一些新的、较难理解的概念、定律。例如散度和旋度是两个比较抽象的数学概念，学生们甚至在课程结束之后仍感到这两个概念很抽象，不理解在电磁场与波学习中为什么始终与之打交道；静电场中的自分布电容、互分布电容、广义力、虚位移等；恒定磁场中的矢量磁位、标量磁位；边值问题求解中的镜像法、分离变量法等。这些新的概念及定律不仅抽象、难理解，而且所涉及的公式通常比较复杂，计算起来难度较大。基于以上特点，对于“电磁场与电磁波”这门课程，学生普遍认为“难学”，教师普遍感到“难教”。
二、“电磁场与电磁波”教学存在的问题
1.学习问题
由“电磁场与电磁波”课程的特点可知课程本身过于抽象，学生普遍反映难学难懂，表现为抽象的纯理论和概念多，复杂的偏微分公式多，计算求解难度大，而对老师来说教好这门课也具有相当的难度。另外，在学习“电磁场与电磁波”课程过程中，学生常常难以将已经学好的数学知识和电磁场内容很好地结合。在学习“电磁场与电磁波”之前，学生一般都具备矢量场论的基本知识，但是在学习“电磁场与电磁波”的过程中却难以将所学知识与电磁场理论融会贯通、学以致用。还有许多学生数学基础薄弱，学习起来备感吃力。
2.教材问题
目前绝大多数教材都只强调经典的理论知识，缺乏有应用背景和紧密跟踪最新前沿发展的内容，这样不但导致理论与实际应用脱节，也很难激发学生的学习热忱。特别是对基础知识差的学生来说，一看到大量的证明和数学推导问题就失去了信心。
3.缺少实验设备
由于资金和实验设备的匮乏，使得大部分高校在“电磁场与电磁波”教学中缺少实验设备，导致无法开展实验课程。这样原本就十分抽象的课程，完全变成了一门纯理论教学的课程，也导致了学生学习中理论与实践的脱节问题。
4.课时问题
随着这些年的教学改革，大学生要求的总学分略有下降，而开设课程又增多的趋势导致“电磁场理论”的教学课时被极大压缩，由以前的80学时被压缩到40学时，导致教学自由度受到了较大的限制。
三、提高“电磁场与电磁波”教学质量的方法
1.制订教学大纲，确定教学内容
现有的“电磁场与电磁波”教学，大部分都是一些纯理论讲解的内容，而学生在学习的过程中经常问学这门课有什么用，学某一章节有什么用。看是一个简单的问题，但作为老师一定认真思考，给学生一个满意的答案。因为从这个问题上一方面反映了老师讲课不能只是大谈理论讲解，另一方面也反映了现有教材在实际应用方面的缺陷。对这个问题回答的好坏直接关系到同学们学习的效果和兴趣。基于以上原因和笔者多年的“电磁场与电磁波”的教学经验，自编内部教材讲义，此讲义最大的特点是以通俗的语言来讲解抽象的概念，以实际的例题来帮助理解重点理论，并且在每个知识点都有对应的应用实例。
由于“电磁场与电磁波”理论是人类在认识自然规律和生产实践活动中发展起来的，在日常生活、科学研究和军事等领域中的应用非常广泛，例如在微波炉、磁悬浮列车、隐形轰炸机、移动电话中的应用等。这些在此讲义的每一章的后面都是一个拓展知识的介绍，比如在第二章静态电磁场的最后一节中，就针对磁悬浮列车和卫星电推进器做了详细讲解，提高了同学们的学习兴趣。
2.循序渐进的教学方法
电磁场与电磁波是利用场的观点来研究空间某一物理量的确定值问题，而矢量分析正是研究此问题的重要教学工具。应用矢量分析的方法，可以使电磁场的基本定律、公式以简洁的形式表述出来，且与坐标的选择无关。所以先要学习一下矢量分析的内容，包括矢量运算、三种坐标系、矢量的散度和旋度等内容。以后每个章节的教学，采用从易到难、从静态场到时变场、从电场到磁场再到电磁场、从三维空间到四维空间的循序渐进的教学顺序。
首先，从较为容易掌握的静电磁场开始进行学习，此章节的教学应详细地分析各种情况，其中包含对基本方程、边值问题等理论的推导以及物理含义的分析，以及静电能量与力的分析等，而静磁场的讲解一定要和静电场的知识进行类比学习。这样就为时变电磁场、电磁场波的传播、波导等教学内容打下一个比较好的基础。后续各章节的教学，也应注意与静电磁场的理论进行比较。从静止电荷产生的静电场到研究运动的稳定电荷产生的恒定电场，然后研究电流引入的恒定磁场，随后进行电磁感应以及时变电磁场分析，并且在时变电磁场的分析中，推测电磁波的产生。之后讲解均匀平面电磁波在无界空间的传播、反射和透射，以及导行电磁波、电磁波辐射等知识，最后进行传输线理论的讲解。按照逐步深入方式，进行知识的扩充，使课程知识具有连贯性，学生也比较容易掌握。
3.巧妙使用类比方法
“电磁场与电磁波”课程体系中，小到一个公式，大到整个理论框架，都存在着对立统一的关系。通过这些知识点的类比，不仅使学生学到了“电磁场与电磁波”课程的精髓，也使他们体会到“电磁场与电磁波”课程体系中的对称美。类比包含两个方面的类比，一是课程、领域之间的横向类比，例如与“大学物理”相关知识点的类比，“电磁场”和“流体力场”、“电磁波”和“机械横波”的比较。由于电磁波与机械波都是横波，都具有横波的特性等方面的类比，水波的传播与电磁波能的传播的类比，电磁场与流体力场的类比等等，类比的教学策略进行更加形象直观的传授，启发创造性思维。另一个则是纵向类比，譬如该课程本身的静电场和静磁场、静电场和恒定电流场等的对比。这样，既拓宽了学生的知识面，也使学生通过类比对电磁场波动函数表达式有了深刻而又直观的理解。
4.仿真软件在教学中的应用
对于电子信息、通信专业的学生，基本上都会使用MATLAB软件，并且场与波的分析往往涉及复杂的绘图和大量的计算，将MATLAB仿真技术应用到“电磁场与电磁波”实验教学中，十分有助于将抽象的理论变成容易理解、接受的结论，这必将有助于“电磁场与电磁波”的课堂教学。[5]比如，利用MATLAB编写的程序可以绘制三维矢量的静态和动态分布图，给出了均匀平面波、矩形波导的传输模和截止模、电流元的电场和磁场的分布图，这将大大提高同学们的空间想象力和对这部分知识的理解能力。
5.适当的习题练习
对“电磁场与电磁波”课程的学习，不但要有正确的教和学的方法，还要有适当的习题练习。其实，习题都是针对某一知识点的实际应用而设计的，在同学们做习题的过程中一方面帮助他们理解知识点的应用，另一方面也巩固了课堂老师所讲内容。
在课堂教学中，不可能留出时间让学生来学习题，只能有针对性地来讲解有代表性的例题，做习题只让同学们在课下做，让同学把遇到的问题汇总起来，在集体答疑的时间来给同学们做详细的解答。在讲义中不但针对每一知识点精心设计应用实例，而且还设计了一定量的习题要求同学们完成。
此外，习题不仅仅是计算，在每一章结束后给学生出了一些思考题，让学生自己去查找资料来完成。比如假如存在磁单极子，麦克斯韦方程的形式是什么样的？
四、总结
本文是笔者多年来在“电磁场与电磁波”教学中的一点体会，本课程涉及的基础知识比较多，对教师的专业课程知识的要求较高，同时需要教师密切结合本校学生的基础、实验设备、课时、教学大纲的制订等实际情况进行分析。教学过程的每一个环节都需要周密思考、认真备课，注意平时在科研项目中随时积累，在教学中随时涉猎其他专业的知识。教师的视野开阔了，学生才能在电磁场领域的思维角度开阔一些，能够掌握宏观电磁场与电磁波的基本性质及基本规律，培养他们的抽象思维能力，分析解决实际问题的能力。
参考文献：
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[3]李波，豆根生，袁超.电磁场与电磁波课程的教学方法探索[J].河南机电高等专科学校学报，2007，15（6）：127-128.
关键词：电磁场与电磁波；电磁特性；均匀平面波
作者简介：张清河（1969-），男，湖北当阳人，三峡大学理学院，副教授。
基金项目：本文系国家自然科学基金（项目编号：61179025）、三峡大学教学研究项目共同资助的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）14-0071-02
鉴于“电磁场与电磁波”在电子与通信技术领域的重要性，各国高校的电子与信息技术类专业一直将其作为一门必修的基础课程。[1-3]对于电子与信息技术类大学本科专业学生而言，“电磁场与电磁波”无疑是理论性最强、逻辑性最严密、数学工具应用最多、概念最抽象、涉及应用领域最广的课程之一。学好这门课，对培养学生严谨的科学思想、科学分析问题的能力、复杂抽象的逻辑思维能力、勇于开拓的创新精神等将起着十分重要的作用。笔者在三峡大学（以下简称“我校”）电子信息科学与技术、光信息科学与技术两个本科专业讲授“电磁场与电磁波”课程多年，根据该课程的特点和知识体系，结合学生实际，采用多样化教学方法、新颖独特的教学内容，强化理论与实际应用相结合，激发了学生的学习兴趣，有效地改善了教学效果。
一、教材内容灵活处理
我校选用文献[4]作为电磁场与电磁波课程教材，它同时也是国内多所高校选用的教材。在多年讲授的基础上，对教材中的一些内容进行了灵活处理，取得了良好的效果。
在“媒质的电磁特性”一节中，教材直接给出了介质表面极化电荷面密度、磁化电流面密度的表达式，没有具体的推导过程，学生理解不了。事实上，这一结论的前提应该是自由空间中单一均匀介质表面，而教材中没有明确这一前提。在讲授这一部分内容时，先推导出任意两种不同均匀介质形成的交界面上极化电荷、磁化电流面密度，然后再退化到自由空间中单一均匀介质表面，下面仅以极化电荷为例。如图1，由于两者介质的极化强度不同，极化迁出与迁入的电荷不相等，导致在交界面的薄层内存在极化面电荷分布。
二、注重课程在新技术领域中的应用
在教学过程中，在阐述基本理论和基本概念的同时，积极引导学生去寻找电磁场与电磁波的应用，特别是在若干新技术领域中的应用，让学生了解电磁场与电磁波在科学技术进步中的作用，极大地激发了学生的学习兴趣，收到了良好的教学效果。
在讲授“均匀平面波在各向异性媒质中的传播”一节时，重点放在均匀平面波在磁化等离子体中的传播。首先介绍了电离层依据电子浓度的不同，具有层状结构的分布特点，如D层、E层、F层等，在地磁场的作用下，电离层具有两个特性角频率，即电子的回旋角频率和等离子体临界频率。并指出电磁波在电离层中的传播特性与这两个频率紧密相关。当电磁波频率接近电子的回旋角频率时，将发生磁共振现象，导致电磁波能量损耗极大，电离层对电磁波的吸收最大，这是短波通信应该尽量回避使用的频率。为了实现卫星通信，电磁波频率必须高于等离子体临界频率，否则信号将不能穿过电离层。另一方面，频率小于临界频率的电磁波不能穿透电离层而被反射，利用电离层对电磁波的反射原理，可以实现短波远距离的通信和远距离目标的探测，这正是天波雷达的基本原理。在讲述“天线阵”一节时，结合现代军事尖端武器装备，讲解了相控阵雷达及相控阵天线的概念，并简要介绍了其工作原理，即通过控制相邻天线之间的相位差，就能够改变天线阵波束最大值的指向，实现主波束在全空间的扫描。讲解电磁波在导电介质中的传播时，结合海水的导电特性，向学生解释了为什么对潜通信要用长波通信。在讲解电磁波的极化概念时，引导学生分析为什么收音机和电视的天线架设不同，并简要介绍了电磁波的极化在微波遥感、光学工程、分析化学等应用领域中的广泛应用。通过理论知识与实际应用相结合，学生对这些问题有了较深的认识，开阔了视野，对本课程的学习兴趣也越来越浓厚。
三、结语
“电磁场与电磁波”课程难学难教，而掌握本课程的理论基础知识，对电子信息类专业的学生来说又非常重要。我们在教学过程中进行了一些有益的探索，通过对教材内容的灵活处理、大量穿插理论知识在高新技术领域中的应用实例等，激发了学生对该课程的学习兴趣，取得了良好的教学效果。
参考文献：
[1]Jin Au Kong.电磁波理论[M].吴季，等，译.北京：电子工业出版社，2003.
[2]柯亨玉.电磁场理论[M].北京：人民邮电出版社，2004.
“导学案”的精髓贵在一个“导”字，是通过引导学生，让学生自主进行学习探究，发现问题、解决问题，进而实现高效课堂培养能力的目的。所以在设计这一节课时，我更注重引导学生，让他们能从我所给出的指引中动脑动手，获得知识。为此，我设计了三活动，一个测试，依次从电磁波是什么、电磁波的应用以及改变世界的信息技术三个方面来构成核心，让学生在活动的轻松愉快的氛围中“动有所得”，最后的小测试来加深理解、巩固知识。
一、学习目标
1.知道光是一种电磁波。了解电磁波在信息传播中的作用。
2.记住电磁波在真空中的传播速度。知道波长、频率和波速的关系并会进行简单的计算。
3.电磁波的应用。
4.初步了解现代通信网络。
二、重点难点分析
1.波长、频率和波速的关系。
2.电磁波的应用。
三、课堂设计
活动（一）神奇的电磁波
做一做 事先准备好了五套实验用具，将全班学生分成五组，指导他们做了如下实验：打开收音机的开关，转动选台的旋钮，调到一个没有电台的位置，并开大音量。将一节干电池的正极与一把钢锉良好接触，负极连一根导线，用手拿着导线的另一头，使它在锉面上滑动，让学生观察现象并分组讨论产生这一现象的原因。
读一读 在活动之后，指导学生阅读教材，并明确如下两个内容。
1.当导体中的电流迅速发生变化或通一高频率的交变电流时，导体就会向四周空间发射电磁波。只有频率很高的电流产生的电磁波才能传得很远。电磁波的国际单位是赫兹（Hz），简称赫，常用频率单位还有千赫（kHz）和兆赫（MHz）。其换算关系：1kHz=103Hz；1MHz=106Hz。
2.电磁波可以在真空中传播，光也是一种电磁波。真空中电磁波的波速为c，在空气中与真空中电磁波的波速非常接近，c=3×108m/s。相邻两个波峰（或波谷）的距离，叫做波长。电磁波的波速c等于波长和频率f的乘积：c=λf。在空气或真空中，各种频率的电磁波的波速是相同的，所以，频率越高的电磁波，它的波长就越短。
议一议 在获得了如上知识后，再结合“做一做”的内容探讨论如下的物理现象：手机放在电视机旁边，当有电话来时，电视机的画面会出现一些“雪花”，这是为什么？并且长时间用手机连续通话，会出现头晕的情况，这是为什么？
活动（二）电磁波的应用
由于电磁波比较抽象，我特意做了课件，主要涉及军事应用，如探测飞机、导弹用的雷达；民航应用，如GPS导航；天文应用，如探测遥远星球；气象应用，如探测台风、雷雨等。通过课件中设计的一些小问题，引导学生对摸不到看不见的电磁波有一定的形象认识。此活动的另一个主要目的就是激发学生的学习兴趣。
活动（三）改变世界的信息技术
引导学生阅读如下内容，更深入了解电磁波的应用对社会产生的巨大影响。
1.卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电波，进行通信的。通信卫星大多是相对地球“静止”的同步卫星。一般只要有三颗互成120°的同步卫星，就覆盖了几乎全部地球表面，可以实现全球通信。卫星通信具有传输距离远、覆盖区域大、灵活、可靠、不受地理环境条件限制等独特优点。全球卫星定位系统（GPS）就是卫星通信的实际应用。
2.光缆通信是应用光的传播特性，把光能限制在光纤内部，用光信号取代传统通信方式中的电信号，从而实现信息的传递。光纤具有传输容量大、传输距离长、高抗干扰等特性。
3.移动通信由电磁波传递信息，可以在信号覆盖的任何地方使用。当前应用最为普遍的为“蜂窝系统”。
四、随堂测试
1.电磁波在真空中的传播速度是__________；电磁波的波长越长其频率就越______________；电磁波___________（填“能”或“不能”）在空气中传播。
2.2012年7月28日03时12分（北京时间），伦敦奥运会开幕，媒体通过通讯卫星用______波把奥运会的信息及时传到世界各地。若中央电视台第一套节目的频率为52.5MHz（1MHz=106Hz），则中央电视台第一套节目的波长为________m。
3.以下与电磁波应用无关的是（）
A．手机通信 B．微波炉加热食物
C．雷达侦查 D．听诊器了解病情
4.关于电磁波和现代通信，下列说法正确的是（）
A.光纤通信传输的信息量很大，主要用于无线电广播
B.移动电话靠电磁波传递信息
C.电磁波的波长越大，频率越高
D.电磁波的应用对人类有利无害
5.关于电磁波和现代通信，下列叙述不正确的是（）
A．光是一种电磁波，电磁波可以在真空中传播
B．电磁波的频率越高，在空气中传播的速度就越大
C．同步通信卫星绕地球转动的周期跟地球自转的周期相同
关键词：高中物理；生活；电磁学；兴趣
引言：
相较于初中，高中学习时间紧张，学习任务繁重。很多学生对知识用处的认识发生了改变，认为所学知识仅仅是用来参加考试的。而物理的电磁学又具有很强的逻辑性，如果不结合实际很难理解。通过利用生活中的材料学习电磁学，不仅能让学生对电磁学产生兴趣，更能让他们明白知识来源于生活，并将运用于生活。有助于他们养成从实际出发，从兴趣出发的好习惯去学习的好习惯。
一、从书本上了解电磁学
（一）什么是电磁学
电磁学以电流的磁效应和变化的磁场电效应两个实验为基础，融合了电学和磁学的知识的学科。高中阶段主要研究变化的电流产出磁场、电荷以及磁场规律等。
（二）电磁学在生活中的运用及意义
电磁学已经运用于生活的方方面面，电磁学在改善着我们的生活，提高了我们的生活质量，提高了我们的工作效率。深入了解生活中的电磁学对我们的生活是非常有必要的。
二、通过对生活中遇到的问题，培养对电磁学学习的兴趣
只有对电磁学从心理上产生兴趣并拥有想要了解的强烈愿望，我们才会积极的投入到电磁学的学习中去。我们或许认为电磁学可能离我们的生活很远，生活中很难遇到与此相关的实际问题，然而我就遇到了。
一次家里的微波炉坏了，妈妈说要找人来修，我脑中瞬间闪过这样一个想法：微波炉的知识我好像在高中的知识里学过，不就是用微波来加热食物吗。我看一下说明书，没准就能把它修好了。于是我便拦住妈妈，说我能修。妈妈犹豫了一下便同意了。当我拿到说明书发现自己完全看不懂时，才发现自己把话说大了。还有一会，我想用我家的砂锅给父母煲个鸡汤喝，却发现这个电磁炉就是不能用，以为是电磁炉坏了。后来这件事被爸爸知道了，爸爸狠狠的嘲笑了我这个高中生的没文化和没常识，居然不知道电磁炉只能用来加热铁制炊具。
通过在生活中出的糗，我深感自己所学知识之浅薄，离实际的应用还差的远，分数考的高有什么用，还不就是个书呆子而已。因而我开始对生活中的电磁学产生了浓厚兴趣，便开始通过对生活中的材料来分析理解来学习电磁学。
三、通过分析生活中的实际运用学习电磁学
（一）电磁炉
通过观察我们发现电磁炉的表面被一块耐热陶瓷板所覆盖，耐热陶瓷板下方是线圈。根据生活经验我们发现电磁炉只能用来加热金属炊具，陶瓷炉和石锅等都不能用电磁炉来加热，根据所学知识分析当交变电流通过耐热陶瓷板底部的线圈时，由于交变电流的方向和大小随着时间的变化也在发生着变化，导致通过线圈的磁通量不断发生着改变，因而线圈周围产生的磁场强度不断改变，这时当金属锅身靠近磁场时金属锅身内产生涡流从而发热达到烹饪食物的效果。如此看来电磁炉为什么不能加热非金属类的炊具的原因就显而易见了。根据我们的分析我们可以得知电磁炉只能用于加热金属炊具，只能在交变电流中使用。
（二）微波炉
和电磁炉一样微波炉也是家庭生活中常见的厨具，给我们的生活带来了许许多多的便利。通过高中的课本我们仅仅只能知道微波炉是依靠产生微波来加热食物的电器，要想完全弄懂微波炉的工作原理依靠高中的知识是完全不够的，这恰恰证明仅仅依靠课本的知识是完全不能满足我们的好奇心的，可见好奇心这个老师比起课本还是要强很多。通过手机查阅资料，我们大概可以这样简单理解：微波炉中存在一个叫磁控管的东西，磁控管中有一个永磁体能够产生磁场，同时微波炉中存在一个几千伏的高电压和另一个灯丝的电压。灯丝在受热时，金属分子中电子脱离原子的控制成为离散的电子，在永磁体产生的强磁场和微波炉中高压的作用下，电子被送入磁控管中最终经过一系列的复杂原理微波就产生了【1】。微波是一种电磁波，均匀集中的微波持续作用于食物是，食物内的分子会发生振荡，宏观上的表现就是食物会熟。
（三）磁悬浮列车
一开始我想：相对于微波炉复杂的原理，大致了解磁悬浮列车的原理应该会简单的多吧。当我去实际了解是我发现并不是我想的那样，还真是应了那句古话：纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。就我们高中所学知识来看根据同名磁极相互排斥，轨道与列车相互排斥，列车因而悬浮在轨道上【2】。然后根据实际了解磁悬浮列车同样也利用了异名磁极相互吸引的原理，在磁悬浮列车的车体底部和两侧转向上的顶部均按有磁体，配合安装在轨道上方和升臂下方反作用板和感应钢板，使得列车与轨道间的距离维持在十至十五毫米之间。相比于普通列车磁悬浮列车消除了列车与轨道间的摩擦力，让磁悬浮列车的速度更快。
四、结束语
电磁学作为一门以电学与磁学为基础的理论性极强的学科，如果只是学习课本上浅显的知识是很难真正在实际中有所利用的【3】。高中生要从自己的长期发展出发，从生活中遇到的問题出发，培养自己的学习电磁学的兴趣，并试着去了解电磁学在生活中的运用，弄清楚这些运用的原理。这样我们不仅能深入理解那些复杂的理论做到学以致用，而且也可以让我们从容的面对考试，不再为物理学这个难点感到苦恼。
参考文献：
[1]刘家鑫. 高中电磁学在生活中的实际运用[J]. 教育现代化-知网， 2017（15）：0181-0181.
[2]贵新旸. 高中电学在电路发展中的应用[J]. 数理化解题研究， 2017（25）：59-60.
关键词：发电机、励磁电流、温升
引言
在发电机的实际运行中，会产生各种原因导致励磁电流下降。通过分析，我们认为该发电机的励磁部分工作正常。
1. 运行情况介绍
该型号汽轮发电机(以下简称发电机)为隐极式无刷励磁三相四极交流同步汽轮发电机,发电机设计为封闭循环通风系统,适用于热电站或轻工、化工自备热电站,也可作为小型电站发电设备。发电机主要由同步发电机、交流励磁机、永磁副励磁机和励磁调节柜组成。本发电机的励磁电流由交流励磁机经旋转整流器全波整流后供给。而交流励磁机的励磁电流由永磁副励磁机发出的电流经励磁调节柜调整后供给。
该机组设计功率为6000kW，功率因数为0.8，励磁电流值为346.1A，励磁机端励磁电流为7.07A。机组稳定运行时间下的运转功率为3500kW，运行功率因数为0.94，监测到的励磁机励磁电流值为2.8A，即实际运行的励磁机电流值不到设计值的一半。
2. 初步原因分析
经过分析，我们确定造成励磁电流值过小的原因有以下几个方面：
2.1发电机实际运行功率以及功率因数均未达到额定值
同步发电机其电枢绕组与三相电网相连。发电机的额定励磁电流值是通过对发电机的额定功率 以及额定功率因数 进行计算而得出的。其中额定功率因数 和额定功率 有如下关系： 。发电机实际运行功率比额定功率低，则会反应在额定输出电流上，当额定输出电流减小时，则发电机定子绕组中的电枢反应也会相应减小。当发电机电枢绕组中的电枢反应减小，发电机励磁绕组所需的励磁电流值也将进一步减小。同时功率因数比设计值偏高，导致实际输出的无功功率变小，也会进一步降低主机所需的励磁。
2.2发电机转子温升
发电机的实际运行功率以及功率因数的偏低，导致励磁电流减小。在同一台发电机中，励磁绕组的电流值减小时，绕组内的电流密度也相应地降低，导致励磁绕组的发热量下降，这一部分的发热，反应在发电机损耗中就是励磁损耗。同时发电机额定输出电流值的降低，电枢绕组内的电密也相应下降，减少了电枢绕组的发热量。当定转子的发热量都在下降的时候，整个发电机的温升会显著下降。在同样转速及通风的情况下，发电机主励磁绕组的温升实际值将比设计值更低。主励磁线圈的温升降低的情况下，其励磁绕组的直流电阻也会比在额定功率运行情况下的电阻值低，当励磁电流值一定的情况下，将进一步降低励磁电压。
2.3励磁机整流桥整流值
发电机的励磁电流是由励磁机发出的三相交流电，经旋转整流硅二极管进行三相全波整流后得到的单相脉动性直流电。整流电路分为半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种。整流电路是利用二极管的单相导电特性，其导通电压由输入交流电压提供。
通过电力电子学的相关知识，可以了解到不同型式的整流桥会对励磁部分产生影响。整流部分大致可分为二极管整流桥和相控整流器。本机组采用的是硅整流二极管三相全波整流。
2.4励磁机部分温升的影响
实际运行中，我们监测到冷却器两端出风口的温升不同。因为机组在设计的过程中，励磁机和永磁机部分的通风和主机的通风系统设计成为一体式的，励磁机和永磁机通过离心式风扇将风排出并进入主机的风路之中。励磁机和永磁机部分的发热进入一端的通风系统，造成通风系统内的热量不均衡，从而导致发电机冷却器两端出风口的温升不相等。
3. 计算校核过程
3.1按发电机实际运行功率对励磁电流进行计算
运用电磁计算程序，带入实际运行功率3500kW以及实际功率因数0.94，我们计算得到如下的结果：额定励磁电流：218.9 A 额定励磁电压：66.87V
3.2按计算出的温升值校正励磁电流值
在程序计算中，我们导出发电机转子线圈的实际温升值：
我们可以从程序中得出转子绕组的温升为：47.7℃，环境温度约为32℃。
在计算额定励磁电压的时候，采用的计算公式： ，其中 为转子绕组在130℃时候的电阻值，计算出的转子绕组的温度约为80℃。根据温度对电阻的影响，我们采用如下公式将 折算成 ，即 ，可计算出额定的励磁电压值为： V。由此可见，运行的不饱和会对励磁电压造成很大的影响。
3.3不同整流条件下的励磁计算
在全波整流和半波整流下，不同整流管的选用也会对发电机的励磁电压造成影响。其中半波整流电路，整流后的直流电压只有原有交流电压的0.45倍，而全波整流电路，整流后的直流电压为原有交流电压的0.9倍，若带有滤波电容的全波整流桥式电路而言，输出的直流电压值是交流电压的1.414倍。现在的整流基本都是采用全波桥式整流电路为主。
3.4励磁部分温升的影响计算
在励磁机的计算过程中，为了避免繁琐的程序，我们采用了一个固定温升下的励磁电流值。这同样将公式里面的温升带入实际计算中的温升时，发现励磁机的励磁电压降低了很多。在计算程序中，引用的计算公式未曾考虑到实际的温升情况，同主机励磁电流的计算一样，选用了一个恒定的温升作为计算值。在对计算公式仅进行重新核算的时候，我们发现在计算励磁电压的时候，选用的计算公式为： ，而励磁机侧的温升，一般相对来说都比较低。我们带入前面取得的结果数据：额定励磁电流值218.9A以及额定励磁电压值57.63V，然后可以算出，发电机位于额定点时的励磁电流和励磁电压值分别为4.96A和50.4V。此时励磁机励磁线圈的温升为8℃。将励磁机的实际温升带入换算程序中，有： 。
4. 结语
通过以上的分析与计算，我们确认励磁电流值偏小属正常现象，造成的原因是机组不是在满负荷的情况下进行运行，机组可持续稳定运转。当机组持续在额定工况下长时间运行时，励磁电流值将逐步上升到额定值。同时，在对发电机计算的过程中，磁化曲线的取值也是相当重要的。不同硅钢片磁化曲线的取值，会导致计算结果的不一致。当然，计算程序的计算过程都是针对一个稳态过程的计算，和实际运行情况有很大的不同，所以在后面的计算结果与实际的运行数据还是存在差异的。唯一真正有效的检验标准是在满负荷的情况下长时间运行，然后再来检验设计数据的准确性。
5.参考文献
[1]汪耕 李希明 等编著，大型汽轮发电机设计、制造与运行，上海科学技术出版社，2012.
[2]王洪泽，同步发电机转子励磁电流的解析计算法，大电机技术，1982.
