【电磁场教学法分析】电磁场分析

电磁场教学法分析

关键词：课堂仿真；
学习研究一体化；
电磁场；
教学法 引言 电磁场是电场和磁场的统称，是由带电物体产生的物理 场，处于其中的带电物体会受到电磁场的作用力。很多情况 下，电磁场是时变场，即随着时间发生变化。根据麦克斯韦 方城组，电场的变化会导致磁场的变化，反之亦然，由此产 生电磁波，在自由空间传播。电磁场的概念比较抽象，初学 者难以很快掌握其物理特性。文献[1]将电磁仿真软件引入 课堂教学中，但使用的是已经编译好的商业软件，电磁场的 仿真过程是个黑箱，学生难以真正掌握仿真算法。文献[2] 提出了Web课堂编程方法，但有多静态、少动态的局限，互 动较少。文献[3]改进了《计算方法》的授课方式，建议这 门课要与计算机编程相结合，才有较好效果。文献[4]建议《数值分析》强调启发式教学，增强互动。文献[5]设计了 教师主页，用于呈现课程内容，也是一种互动方式。文献[6] 在数控编程方面，提出综合实训方法。文献[7]对课堂中计 算机仿真实践的基本方法和效果进行了研究，文献[8]尝试 了学生在课堂上将仿真结果进行展示的教学法。本文提出在 课堂上采用计算机编程仿真进行教学的方法，可以使学生快 速建立电磁场的直观概念。教师带领学生用Matlab软件对电 磁波的传播和散射物理过程进行仿真，同时进行后处理，用 图像、动画展示仿真结果。同时，课堂上留出学生自由探索 的时间，学生通过更改程序中的参数，研究不同参数对电磁 场的影响。学生在不知不觉中就参与到了研究过程中，学习 与研究实现了一体化，在时间上没有明显的先后之分。选用 合适的计算机语言有助于在有限的课堂时间里尽快成功展 示仿真结果。结合课堂上机仿真的特点，选用Matlab作为编 程语言。Matlab是一门高级语言，特别适合于快速开发，相 比其他语言，代码量可以大大减少，在课堂上用很短的时间 编出效率很高的代码。在学习编程的过程中，初学者会遇到 很多困难，主要表现在难以把自然语言表达的流程用程序语 言实现，难以从数学表达式迅速过渡到程序代码。有些学生 可以掌握基本的编程方法，有的拔尖学生也可以设计算法。

然而高效、简洁的代码编写技巧，需要长期不断的摸索。通 过此过程，学生可迅速掌握基本的编程思想和技巧，并应用 到解决具体问题当中。这种教学方法不但有助于使学生体会到数值计算在解决科学问题中的重要性、提升学习热情，也 有利于学生对物理现象产生直观认识。

一、课前准备 仿真内容方面，考虑到电磁学这门课程本身就比较抽象， 学生又基本没有熟练的编程技巧，因此电磁传输和反射的过 程不能太难。一维和二维电磁波的传播是最简单的电磁波传 播方式，仿真代码也不需要太多，能够在课堂上机仿真中快 速实现。同时，一维和二维中的一些电磁学原理更能反映一 些电磁现象的本质。因此选用这两个维度的案例进行教学。

在选择编程语言的时候尽量选择简单、高效的语言。Matlab 具有语法简单、动态数据类型、内置了大量算法的特点，同 时具有良好的后处理功能，仿真结束后可立刻展现图形化结 果。Matlab内置了大量常用的数学函数，方便调用。基于以 上原因，Matlab有“工程师的语言”的称号。使用Matlab语 言可以大大提高开发速度，将注意力集中到要解决的问题上 面，而不是编程语言层面。算法方面，采用时域有限差分法 （finite-differencetime-domain，FDTD）仿真算法。该方 法将麦克斯韦方程组进行离散，变成差分方程，通过时间步 迭代进行电场和磁场的推进，能够直接反映电磁场的变化。

利用Matlab的功能，可以将结果表示为电磁场随时间变化的 动画。通过设置制定区域的电磁参数，很容易对电磁散射现 象进行仿真。因此，课堂上机仿真选题Matlab语言，仿真方 法采用FDTD法，仿真内容为电磁波的一维、二维传播以及相关电磁散射现象。通过这个过程，学生可以掌握Matlab的基 本命令和一些高级仿真方法，及微分方程的离散化过程。

二、课堂上机仿真 三、课后学生练习和教学效果考核 本文提出的教学法在四年级本科生课程《飞行器隐身技 术基础》安排了4个学时进行了实验教学。此教学环节让学 生直观感受到电磁波的传播、干涉过程，同时学生直接参与 到研究当中，对电磁行为有更深刻的理解和认识。同时，通 过引导学生完整经历“微分方程―差分方程―Matlab程序代 码”的全过程，使学生对通过计算机程序研究场的问题有了 直观的认识。课堂编程仿真实践环节结束后，安排大作业， 学生自己选定主题进行编程，实现传播、散射等各种电磁行 为。每位同学将仿真结果整理成学术论文，向所有同学展示 仿真结果。教师对仿真结果进行相应的点评和指导，评选出 优秀者，在课程成绩中给予分数鼓励。通过课后练习，学生 能够充分领会科学研究的思想，同时也练习了学术论文撰写 基本技巧。研究和学习紧密结合，有助于学生在以后开展研 究工作时，很快找到方法和门路。

四、结论 本文研究了基于Matlab语言进行电磁场课堂上机仿真， 并在课堂中进行了实践，主要结论如下：1.学生能够快速掌 握编程技巧。Matlab语言编程效率高、代码简洁，学生可以 快速掌握，将更多的注意力集中在算法上面。仿真程序需要运用循环语句，模拟时间迭代的效果。上机仿真对这些编程 要素都有涉及，便于学生学习。2.学生可以对电磁现象有直 观的认识。电磁场传播和散射的动画显示能够展示电磁波变 化的动态过程，使学生充分领会电磁行为特点。3.在课堂上 实现学习研究一体化。在课堂上机仿真过程中，学生并不只 是单向地接受信息，而是自始至终都参与其中。学生掌握自 己编制的代码，随时可以根据自己的意愿对代码进行修改， 观察自己感兴趣的电磁现象，这个过程本质上就已经是研究 活动了。

参考文献：
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