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实践教学大学毕业论文范文 和电磁场微波类课程实践教学方面论文范文素材

主题:实践教学论文写作 时间:2024-02-27

电磁场微波类课程实践教学,本文是实践教学类硕士论文范文与实践教学和电磁场和微波类本科论文开题报告范文.

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陈 麟 殷恒辉

(上海理工大学光电学院 上海 200093)

中图分类号: G642 文献标识码: A DOI : 10.16871/j.cnki.kjwhb.2017.10.020

摘 要 电磁场微波类课程具有抽象性、 公式多、 难理解等特点.本文介绍了借鉴美国高校相关课程经验培养学生实践和探索能力的方法,通过实践教学实例来说明如何培养本科生对电磁场微波类课程的兴趣和主动学习探索能力.这些探索将会对相关课程的学习起到相应的借鉴和促进作用, 从而有效地提高了本科生的科研创新能力.

关键词 微波 本科生 实践

电磁场微波类课程是电子通信类专业的重要专业基础课, 由于该课程在多数高校以理论和课堂讲授为主, 实践环节较少,且大多是采用微波元器件的展示及完成实验箱规定的实验为主, 学生的学习积极性不高, 对学生实践能力及创新能力的培养也比较有限 [1-4] . 笔者于 2016 年在美国访学一年, 接触并感受了类似课程的课堂教学方法.回国后, 借鉴国外经验,针对电磁场微波类课程的上课方式和实践环节进行了一些探索, 并取得了较好的效果.

1 针对课程内容引导深层次思考

如果能对课堂上讲的内容,引导学生进行更深层次的思考并形成报告, 这样对学生的独立思考能力、 实践能力和创新能力的培养会有很大的好处.例如, 对于电磁场里的镜像法, 在这里我们首先由一道镜像法的老题出发, 研究两个对称无限大平面导体之间的点电荷产生的镜像,最终发现可以通过级数来表示.在两个无限大平面导体之间有一个点电荷,设两平面导体间距离为 d,点电荷带电量为 Q, 计算点电荷的电位.我们可根据反镜像, 假设两边各产生无限多镜像一直延伸到无穷远处, 对镜像电荷分布进行计算.当我们把点电荷放到平面里时, 比如熟知的正方形, 将点电荷置于中间位置, 根据同样的方法可以得到类似上述的表达式,但得出来的是二维级数的形式.对于矩形, 同样可以得到相似的公式.所以由两者之间的对比, 我们可以发现矩形情况的公式与正方形情况的公式的相容,正方形或矩形两边之间的夹角为 0 度或 90 度, 仅仅是做了一个简单的推广.现在再研究一下正三角形的情况, 将点电荷置于中间位置, 根据镜像法可得一个蜂窝状镜像,从而得到类似以上的公式结构的表达式.

对于其他多边形暂时不做更多讨论,因为基本思想和算法都是相同的.然后, 根据对平面图形的研究, 进一步讨论空间中的图形.即对于正方体而言, 在中间位置放电荷,得到一个正负电偶极子的三维级数表达式.

分析立方体, 发现已不是原来的立方体, 而是表示由中间立方体进行向外无线扩张的, 原立方体的空间相似图形.除了系数以及求和从原来的两个连加号变成三个外,式子整体形式没有其他变化, 当然, n 的特殊情况发生了变化, 变成了 6, 本质上可以理解为有 6 个面.

将无限大的平面变为无限长的圆柱,两个无线延伸的方向正交, 镜像电荷不再是延伸到无穷远处了, 而是在距离上就收敛于两个球心间某一个点.同无限大平面的计算有所不同, 其中圆柱的情况下可以变为球, 两个圆柱的大小也可以是不相等的.最后, 发现公式都是一些级数之和.在适当变化镜面的形状之后, 级数中系数和形式随之发生改变,空间中的图形改变了级数本身的形式.把问题倒过来考虑,假如给出一个级数, 如何知道这个级数是否收敛呢?用数学的方法去证明会有一定的难度, 但在乘上一定的系数后, 可容易地写出正确答案.根据其物理意义, 电位是一个有限常数 (电荷有限多, 集中在柱体上, 距离有限近) , 所以可以得到这个级数必定收敛.因此, 每一个形状的镜像法可以对应一个级数收敛问题,给数学上证明级数收敛提供了一条新的途经.

通过上述解决问题的研究方法, 循序渐进地研究推导,先易后难, 一步步地引导学生对问题的思考与拓展, 最终形成一份完整的报告.

2 通过各种计算机工具实现对知识的深入理解

当前,我国的电磁场微波类课程教学很大程度上还是沿袭被动教学方式, 即学生被动接受老师授予的知识.如何发挥学生的主观能动性?借鉴国外相关课程大作业的做法,我将课程讲授的内容与实践内容相结合,即让学生通过计算机编程的方式解决电磁场微波类相关的基础问题.实际问题的分析中, 我们采用 MATLAB 作为帮手, 先对电磁问题进行理论分析, 然后得出相对复杂的理论结果后, 再根据理论分析的思路, 进行 MATLAB 编程和仿真.

比如已知在空间中有一个均匀的、 带电的细棒, 且取棒长为 L,带电量为 Q, 求其中垂面上的电场强度.在这里我们可以将均匀的带电细棒当作带电的直导线处理,其中电荷的线密度为 q 比 l. 为了解题的方便快捷, 我们建立坐标, 确定一个原点,即取棒的中点 O 为原点,沿中垂线向右为 x轴, 沿细棒向上为 y 轴.在 x 轴上任意选取一点 p, p 点距离O 点的距离假设为 a.将细棒分割成无线多个线元, 任意选取一个 dy,那么就可以写出它所带电量 dq 与 dy 的关系表达式, 从而可以得到 dq 在 p 点产生的场强大小即为标准电偶极子形式 [3,4] . 然后利用对称性, 这些电荷元在 p 点产生的场强的 y 轴分量大小相等, 方向相反, 互相抵消, 所以 y 轴分量为 0.则在 p 点对 x 轴分量进行积分, 可以得到在中垂面上与 p 点距离为 a 的场强大小的解析解.再采用 MATLAB编程, 设置参数进行运行,可以得出数据, 即不同的距离对应不同的电场强度.

通过以上的方式,学生对计算机相关软件和电磁场相关知识有了更清晰的认识,对加深理解和深入掌握基本理论和分析方法, 培养分析问题和解决问题、 设计实验方案的能力, 增强学习兴趣等方面, 具有极大的好处.

3 结语

对于电磁场微波类课程公式多、 内容抽象等特点, 在相关课程的实践教学中, 我们有意识地让学生从不同角度, 利用各种工具来分析和解决电磁场与微波的相关问题.这些实践教学方法, 与美国本科教学方式里 “大作业” 的教学模式异曲同工.这种实践教学方式的最大好处是让学生自己思考和摸索, 提高了学生分析问题和解决问题的能力, 并在上海理工大学相关课程的实践摸索取得了较好的效果.

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