首頁 > 優(yōu)秀范文 > 電磁波的實(shí)際應(yīng)用
時(shí)間：2023-06-13 09:26:05
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作者簡介：劉鑫（1980-），女，黑龍江佳木斯人，黑龍江科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，講師；
趙志信（1979-），男，黑龍江哈爾濱人，黑龍江科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，講師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院博士研究生。
基金項(xiàng)目：本文系黑龍江省教育廳“十二五”規(guī)劃課題“EIP-CDIO在電磁場(chǎng)與微波技術(shù)類課程教學(xué)中的應(yīng)用”（課題編號(hào)：GBD1212069）、黑龍江省高教學(xué)會(huì)十二五規(guī)劃課題“EIP-CDIO 模式下電磁場(chǎng)與微波技術(shù)類課程教學(xué)改革探討”（課題編號(hào)：HGJXH C110902）、黑龍江科技大學(xué)教研項(xiàng)目的研究成果。
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）14-0073-02
“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是通信工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它是在“大學(xué)物理”（電磁學(xué)）課程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究電磁場(chǎng)與電磁波的基本屬性、描述方法、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、與物質(zhì)的相互作用及其應(yīng)用?！半姶艌?chǎng)與電磁波”是“微波技術(shù)”、“移動(dòng)通信”、“光纖通信”等相關(guān)課程的前續(xù)課程，可見該課程在通信工程專業(yè)課程體系中的重要性。學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程時(shí)普遍反映難度很大。以下針對(duì)本課程的特點(diǎn)，就教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行探討。
一、“電磁場(chǎng)與電磁波”課程特點(diǎn)
1.所需基礎(chǔ)知識(shí)面廣
“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)等課程為基礎(chǔ)，所涉及的內(nèi)容很廣。因此要想學(xué)好這門課，必須有很好的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)。
2.推導(dǎo)多、計(jì)算難
“電磁場(chǎng)與電磁波”課程中所涉及的公式和推導(dǎo)很多且計(jì)算難度大，許多結(jié)論是由推導(dǎo)總結(jié)而得到的。推導(dǎo)中需要用到大量的矢量運(yùn)算、微分方程、積分方程等，過程非常復(fù)雜。
3.課時(shí)少、內(nèi)容多
由于教學(xué)大綱的重新修訂，“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的學(xué)時(shí)由54學(xué)時(shí)調(diào)整為45學(xué)時(shí)，但教學(xué)內(nèi)容并沒有做大的調(diào)整，主要包括靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)、靜態(tài)場(chǎng)邊值問題、時(shí)變電磁場(chǎng)、平面電磁波、導(dǎo)行電磁波等。[1]
二、教學(xué)內(nèi)容和方法的研究
1.針對(duì)不同的學(xué)生講授不同的內(nèi)容
筆者所在高校通信工程專業(yè)學(xué)生分為二本生和三本生，二者在教學(xué)計(jì)劃中的差別之一是三本生在“電磁場(chǎng)與電磁波”課程后沒有“微波技術(shù)”課程。這就要求針對(duì)二者在教學(xué)內(nèi)容上有區(qū)分。導(dǎo)行電磁波在“微波技術(shù)”課程中會(huì)有深入的講解，因此針對(duì)二本生可以不講授這部分內(nèi)容，針對(duì)三本生則需要講授。
2.理清思路，圍繞“一條線”展開電磁場(chǎng)理論教學(xué)
學(xué)生在學(xué)習(xí)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程時(shí)感覺內(nèi)容多且條理性差，在課上對(duì)于講授內(nèi)容不知如何定位，不了解各個(gè)章節(jié)之間的關(guān)聯(lián)，這就導(dǎo)致學(xué)生思路不清晰，進(jìn)而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。針對(duì)這一情況，在上課時(shí)要給學(xué)生理清思路。
針對(duì)《電磁場(chǎng)與電磁波》教材，[2]說明其章節(jié)安排。教材分為數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)部分（第1章）、電磁場(chǎng)部分（第2-5章）和電磁波部分（第6-8章）。電磁場(chǎng)根據(jù)時(shí)間變化特性可分為靜態(tài)場(chǎng)（第2-4章）和時(shí)變場(chǎng)（第5章）。靜態(tài)場(chǎng)包括靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)部分圍繞亥姆霍茲定理展開研究，亥姆霍茲定理講述的是在空間有限區(qū)域的任一矢量場(chǎng)由它的散度、旋度和邊界條件唯一確定。[2]亥姆霍茲定理說明研究一個(gè)矢量場(chǎng)必須要研究該場(chǎng)的散度、旋度和邊界條件，而場(chǎng)的散度、旋度又構(gòu)成場(chǎng)的基本方程。此外，研究場(chǎng)時(shí)還可以借助輔助量，輔助量一般為位函數(shù)和場(chǎng)能量。因此，電磁場(chǎng)理論的“一條線”可以歸納為“基本方程（散度、旋度）—邊界條件—位函數(shù)—場(chǎng)能量”。表1以邊莉編著的《電磁場(chǎng)與電磁波》教材中靜電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)和時(shí)變電磁場(chǎng)為例說明“一條線”對(duì)應(yīng)的內(nèi)容。由于恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)有可比擬性，因此對(duì)于恒定電場(chǎng)可以采取與靜電場(chǎng)相比較的方法來教學(xué)。學(xué)生通過表1對(duì)電磁場(chǎng)理論部分的主要內(nèi)容能夠產(chǎn)生較有條理性的認(rèn)識(shí)，在上課時(shí)知道所學(xué)知識(shí)在整個(gè)電磁場(chǎng)知識(shí)體系中的位置，學(xué)習(xí)時(shí)不會(huì)抓不到頭緒。
3.教學(xué)中結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生初步的科研能力
由于電磁場(chǎng)與電磁波理論性強(qiáng)，在教學(xué)中要結(jié)合實(shí)際講解理論，例如講授電磁波在介質(zhì)中透射時(shí)，解釋日常用到的微波爐工作原理。微波在穿過有耗介質(zhì)（含水分子的食物）時(shí)，使水分子產(chǎn)生“共振”現(xiàn)象，水分子之間發(fā)生激烈的摩擦和碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生熱量，加熱含水的食物。在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中教師不斷地解答現(xiàn)實(shí)中的各類現(xiàn)象，可以促使學(xué)生激發(fā)更強(qiáng)的求知欲，從而使學(xué)生能夠主動(dòng)地學(xué)習(xí)。
除了課堂上的教學(xué)要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用外，還應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生課后以課程中的某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，查閱相關(guān)科研文章。例如，講到電磁波在介質(zhì)中傳播特性時(shí)，結(jié)合黑龍江科技學(xué)院礦業(yè)特色，要求學(xué)生下載并閱讀文章《“電磁場(chǎng)理論”課程教學(xué)中兩個(gè)實(shí)例的應(yīng)用》，[3]并要求學(xué)生回答手機(jī)能否應(yīng)用于煤礦井上與井下的透地通信。學(xué)生通過對(duì)文章的查找、自學(xué)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)做進(jìn)一步的掌握，可以從中獲得成就感，同時(shí)有益于培養(yǎng)學(xué)生初步的科研能力。
4.多媒體教學(xué)與板書相結(jié)合
傳統(tǒng)的黑板板書教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)是教學(xué)速度較慢，留給學(xué)生思考的時(shí)間較多，使其能跟上教學(xué)進(jìn)度，學(xué)生注意力容易集中。它的缺點(diǎn)是耗時(shí)多，且不容易展示圖片，對(duì)動(dòng)態(tài)顯示更是無能為力。多媒體教學(xué)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了板書教學(xué)的缺點(diǎn)，例如法拉第電磁感應(yīng)定律、均勻平面波極化和傳播等等通過多媒體可以動(dòng)態(tài)地演示給學(xué)生，增強(qiáng)學(xué)生的理解能力，加深學(xué)生的印象，提高教學(xué)效果。
多媒體教學(xué)方法雖然優(yōu)點(diǎn)多，但不能一味使用而放棄板書。多媒體反映的信息量大，教學(xué)速度快，如果大量使用多媒體會(huì)使學(xué)生跟不上教師的節(jié)奏。一旦聽不懂，學(xué)生會(huì)厭倦學(xué)習(xí)，形成惡性循環(huán)。因此，采用多媒體與板書相結(jié)合的教學(xué)方式更適宜。對(duì)于重點(diǎn)內(nèi)容還是使用板書比較好，過于煩瑣且只需了解的推導(dǎo)過程、例題題目、圖片、動(dòng)態(tài)演示等采用多媒體比較適合。
5.教與練并重，認(rèn)真批改作業(yè)
在“電磁場(chǎng)與電磁波”的教學(xué)中，有必要給學(xué)生留一些課后的作業(yè)，從而鞏固課堂上的學(xué)習(xí)。學(xué)生在課堂上聽懂教師的講解，通過課后的練習(xí)將課堂上知識(shí)的掌握情況反饋給教師，使得教師更好地掌握學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)，在課堂上予以重點(diǎn)講解。從作業(yè)情況看，部分學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度不端正，抄襲他人作業(yè)，這樣會(huì)導(dǎo)致教師對(duì)學(xué)生掌握情況的判斷出現(xiàn)錯(cuò)誤。針對(duì)這種情況，有必要在第一次作業(yè)中找出作業(yè)雷同的學(xué)生進(jìn)行談話，必須在抄襲剛一出現(xiàn)時(shí)就將其遏制在萌芽狀態(tài)。筆者在教學(xué)中針對(duì)作業(yè)抄襲情況采取過上述辦法，個(gè)別抄襲情況還存在，但總體上明顯下降。
6.健全考核機(jī)制
為了加強(qiáng)對(duì)教學(xué)過程的監(jiān)管，采用8+2的考核機(jī)制，即總成績中期末考試占80%，平時(shí)成績占20%。平時(shí)成績包括課堂表現(xiàn)（出勤、課堂回答問題等）、作業(yè)和期中考試。平時(shí)成績的考核可以使學(xué)生提高對(duì)課程的重視程度，必要時(shí)可以采取一些壓制手段。例如課堂提問回答錯(cuò)誤的學(xué)生扣1分，回答正確加1分。這樣教師可以向不認(rèn)真聽課的學(xué)生提問，提醒其集中注意力。而回答問題的正確與否關(guān)系到期末成績，所以回答錯(cuò)誤的學(xué)生會(huì)期望在下一次被提問時(shí)能夠回答正確而補(bǔ)得1分。通過這種方式可以有效地管理表現(xiàn)不理想的學(xué)生。
期末考試采取閉卷考試方式，而期中考試采取“一張紙開卷”的考試方式。所謂“一張紙開卷”是指在考試時(shí)學(xué)生可以參考自己帶的一張A4紙進(jìn)行答題，考試前學(xué)生可以在紙的正反面手寫與課程相關(guān)的任何內(nèi)容。“一張紙開卷”，有效地督促學(xué)生對(duì)上半學(xué)期所學(xué)知識(shí)進(jìn)行歸納和總結(jié)，教師通過一張紙的書寫內(nèi)容以及答題情況對(duì)學(xué)生上半學(xué)期的學(xué)習(xí)情況有所掌握，考試過后可以針對(duì)學(xué)生普遍沒有掌握好的知識(shí)點(diǎn)重新講解。教師針對(duì)這些內(nèi)容可以反思教學(xué)方法的不足之處，以便在新一輪上課時(shí)有所改進(jìn)。此外，通過期中考試教師可以在下半學(xué)期對(duì)成績不好的學(xué)生加強(qiáng)管理?？荚囶}目題型應(yīng)該多樣化，包括是非判斷題、選擇題、填空題、計(jì)算題、證明題等題型，從多方面考核學(xué)生。
三、結(jié)束語
“電磁場(chǎng)與電磁波”課程理論性很強(qiáng)，存在著教師難教、學(xué)生難學(xué)的情況。我們?cè)谧⒅嘏囵B(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上，把教學(xué)內(nèi)容歸納成一條主線，教學(xué)中結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生初步的科研能力，多方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核。從學(xué)生的反饋情況來看，這些做法取得了一定的成績。
參考文獻(xiàn)：
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Observation of clinical efficacy and nursing effect on specific electromagnetic wave combined with Capsaicin Ointment in the treatment of rheumatoid arthritis
電磁波層次成像技術(shù)是在醫(yī)學(xué)層析成像技術(shù)理論上發(fā)展起來的，結(jié)合了層析成像技術(shù)和電磁波勘探技術(shù)的特點(diǎn)，具有探測(cè)精度高、信息量大的優(yōu)勢(shì)，因此在地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的勘測(cè)中應(yīng)用也越來越多。電磁波層析成像技術(shù)最初于上世紀(jì)二十年代在前蘇聯(lián)進(jìn)行研究，至七十年代美國開始應(yīng)用于鉆孔間的探測(cè)等。直到上世紀(jì)八十年代，在我國的一些高校才開始對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究，現(xiàn)在，高技術(shù)已經(jīng)在石油、金屬礦、地下水、巖溶、樁基等領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用。電磁波層析成像技術(shù)主要涵蓋電磁波系數(shù)層析成像、電磁波走時(shí)層析成像或電磁波相位層析成像，因此文章針對(duì)該技術(shù)在復(fù)雜高邊坡工程地質(zhì)勘察中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。
1 電磁波層析成像技術(shù)
電磁波層析成像技術(shù)，簡稱EMT，是根據(jù)醫(yī)學(xué)中的CT技術(shù)發(fā)展而來，電磁波勘探是利用電磁波在介質(zhì)中傳播的速度以及衰減性來判斷介質(zhì)的分布及存在，通過一定頻率的電磁波對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行掃描，然后利用根據(jù)系統(tǒng)接收到周圍不同方向的電磁波波場(chǎng)性質(zhì)，進(jìn)行計(jì)算以及圖像重建，從而得到地質(zhì)體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造分布及其性質(zhì)。在工程中，通常是利用介質(zhì)對(duì)電磁波的衰減吸收系數(shù)對(duì)地質(zhì)體中電磁波的傳播特性指標(biāo)進(jìn)行定量，例如完整的巖體、堅(jiān)硬的巖體中電磁波的吸收系數(shù)低，完整性越差、如溶洞、斷裂帶、裂隙帶的電磁波波速低，吸收系數(shù)高，通過對(duì)吸收系數(shù)的分析，真實(shí)的反映出地質(zhì)發(fā)育的空間分布特征。
2 邊坡工程場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件
本工程為一處廢棄礦山高邊坡工程，高度100米左右，計(jì)劃在此地利用邊坡建在摩崖石刻。工程影響深度約50米，工程的規(guī)模、設(shè)計(jì)位置及建造工藝均與邊坡內(nèi)部巖體的完整性、巖溶及斷裂構(gòu)造等相關(guān)，對(duì)鉆探工程也有特殊要求，所以，必須對(duì)以上一方面的因素進(jìn)行詳細(xì)的勘測(cè)。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查與鉆探資料顯示，場(chǎng)區(qū)近地表地層為第四季松散堆積物，下部為石炭系船山組灰?guī)r，巖體內(nèi)存在發(fā)育良好的裂隙巖溶，節(jié)理發(fā)育完整，如圖1，對(duì)巖溶裂隙的分布與發(fā)育影響較大，造成沿線地質(zhì)異物和周圍巖物性質(zhì)存在較大的差異，特別是溶洞內(nèi)充滿黏性土、裂隙內(nèi)充水等現(xiàn)象，電磁波在穿過這些地質(zhì)體時(shí)，有明顯的衰減，吸收系數(shù)變化明顯，為電磁波層析成像技術(shù)的應(yīng)用提供了條件。
3 電磁波層析成像測(cè)試
測(cè)試采用國產(chǎn)JWQ-5地下電測(cè)波法采集系統(tǒng)，在鉆孔中分別放置發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，固定發(fā)射機(jī)，接收機(jī)沿孔壁上下移動(dòng)掃描，發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)密度都是1米，孔間距不大于25米。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，電磁波透視的分辨異常和距離都受工作頻率的影響，高頻率下，穿透距離短，但是分辨率高，經(jīng)過測(cè)試，選擇8MHz的發(fā)射頻率，既保證有足夠的穿透距離，又保證有較好的接收質(zhì)量，本測(cè)試對(duì)現(xiàn)場(chǎng)10組孔間進(jìn)行電測(cè)波層析成像的測(cè)試。
4 ZK7-ZK3-ZK13-ZK5-ZK11電磁波層析成像地質(zhì)解釋
該層位于邊坡外側(cè)與邊坡近乎平行處，是該工程最重要的探測(cè)剖面，沿著剖面穿越坡體的上部，有多條溶蝕裂隙發(fā)育。在孔ZK3-ZK13處，高程大于112米時(shí)，吸收系數(shù)范圍基本高于0.80nB/m，說明該處的裂隙發(fā)育較好；而高小于112米時(shí)，吸收系數(shù)基本在0.5-0.80 nB/m之間，說明巖體的整體性較完整；高程小于104米時(shí)，吸收系數(shù)低于0.5 nB/m，說明巖體的完整性較好。在淺地表處吸收系數(shù)較高的位置，表現(xiàn)出高異常特征，呈塊狀分布，因此可能存在溶蝕、斷裂發(fā)育。高程在113米時(shí)，有明顯異常體，呈塊狀分布，因此可能存在溶蝕、斷裂發(fā)育，如圖2所示。而在113米到114米附近突然變高，說明該深度處存在嚴(yán)重的溶蝕帶。
從上圖可以看出，ZK13和ZK5間存在三處電磁波衰減異常帶，高程在108米處有吸收系數(shù)呈帶狀分布的異常帶，可能是受溶蝕發(fā)育的影響。在ZK13以東出現(xiàn)吸收系數(shù)較高的異常帶，說明其裂隙、溶蝕發(fā)育較好。同時(shí)根據(jù)電場(chǎng)衰減曲線觀測(cè)結(jié)果，在112米高程上的衰減偏高，也就說明該處肯定有裂隙或溶蝕發(fā)育。在ZK5以東大概16米處，有高異常帶分布，這與溶蝕現(xiàn)象有直接的關(guān)系，根據(jù)吸收系數(shù)的變化，以及在114米處的電場(chǎng)剖面嚴(yán)重衰減的現(xiàn)象出現(xiàn)，可以反映出和溶蝕槽RSC5的影響有關(guān)。綜合進(jìn)行后，可以確定溶蝕裂隙槽向下延伸至標(biāo)高105米附近，影響的寬度大概在1-1.5米。
5 電磁波層析成像探測(cè)的規(guī)律
通過對(duì)作業(yè)區(qū)10組孔間的電磁波吸收系數(shù)進(jìn)行探測(cè)，用所得到的探測(cè)結(jié)果和其它方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)將破碎-極破碎巖體、裂隙發(fā)育-強(qiáng)發(fā)育帶的吸收系數(shù)視為大于1 nB/m，較破碎、較發(fā)育帶以及溶蝕帶的吸收系數(shù)視為0.75-1 nB/m之間，而局部裂隙帶、較完整的wanting吸收系數(shù)范圍為0.55-0.75 nB/m，完整巖體吸收系數(shù)范圍為0.1-0.55 nB/m；而沖水溶洞或填充黏土的裂隙以及破碎帶的吸收系數(shù)為0.95-1.5 nB/m之間，呈現(xiàn)出高異常孤立體、構(gòu)造破碎帶及裂隙發(fā)育帶表現(xiàn)為高異常體，呈現(xiàn)出帶狀或條狀分布。
巖體整體的破碎程度可以用電磁波同步測(cè)量曲線的形狀變化進(jìn)行宏觀的反應(yīng)。通常，曲線 向右偏，表明吸收系數(shù)相對(duì)較大，存在大規(guī)模的溶洞或裂隙發(fā)育，如果曲線向左偏，表明此處巖體較為完整。巖體完整性的垂向變化規(guī)律可以由各剖面電磁波吸收系數(shù)成像剖面的垂向變化宏觀反映出來。在存在溶蝕槽、溶蝕裂隙帶以及溶洞等構(gòu)造發(fā)育的時(shí)候，巖體的電磁波衰減一般比較強(qiáng)烈，巖體較為破碎，巖體結(jié)構(gòu)以及完整性的變化通過其它探測(cè)方法測(cè)得結(jié)果與電磁波層析成像探測(cè)的結(jié)果相似性較高。
6 結(jié)論
將鉆探技術(shù)與電磁波層析成像技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)r體中的溶洞、斷裂破碎帶及裂隙發(fā)育帶的分布特征及發(fā)育程度有效的進(jìn)行探索，兩種技術(shù)是互補(bǔ)的關(guān)系。根據(jù)探測(cè)結(jié)果表明，高程在108-112米以上的巖體發(fā)育有巖溶、節(jié)理裂隙，巖體較破碎；高程在100-112米范圍內(nèi)的巖體較完整；高程在90-85米以下，巖體完整，結(jié)構(gòu)均勻。根據(jù)電磁波層析成像技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)睖y(cè)區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造以及發(fā)育特征有效的進(jìn)行探測(cè)，從而為工程建造提供科學(xué)的參考依據(jù)。
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中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）04-0792-03
電磁場(chǎng)與電磁波課程是電子信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程理論性強(qiáng)，相關(guān)定理模型抽象。由于電磁場(chǎng)、電磁波看不見、摸不著，傳統(tǒng)教學(xué)基本依據(jù)公式推導(dǎo)出其傳播特性、存在狀態(tài)等特性，抽象的定律、嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推證令學(xué)生望而生畏。整個(gè)教學(xué)過程既難教又難學(xué)，而近幾年該課程在教學(xué)內(nèi)容不變的情況下課時(shí)卻不斷被壓縮。因此，如何在教學(xué)過程中把握重點(diǎn)、弱化數(shù)學(xué)比例、優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)成為課程改革重點(diǎn)。
結(jié)合長期積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，修改教學(xué)文件，將仿真軟件引入電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)中，把課程中抽象概念定理以三維模型的形式直觀的展示給學(xué)生；利用軟件模擬各種電磁波分布形式、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和自由空間電磁波的特性等，并能動(dòng)態(tài)模擬電磁波的傳播和輻射特性；利用軟件簡化數(shù)學(xué)計(jì)算，減少公式推導(dǎo)過程；還可以設(shè)計(jì)電磁仿真實(shí)驗(yàn)，把理論教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效結(jié)合起來，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，收到了較好的教學(xué)效果。
1 仿真軟件在教學(xué)中應(yīng)用
1）基本概念、定理定律的仿真演示。本課程涉及較多的定理，庫侖定律、安培力定律、高斯通量定理、安培環(huán)路定律等定理是研究電磁場(chǎng)的基礎(chǔ)，電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ)麥克斯韋方程組也是由這些定理上推導(dǎo)總結(jié)出。以往在講解過程中，公式繁雜， 推導(dǎo)多， 學(xué)生用大量的時(shí)間理解定律模型、復(fù)習(xí)數(shù)學(xué)知識(shí)，浪費(fèi)大量學(xué)時(shí)，反而忽略了對(duì)概念本身的理解。利用仿真軟件將這些定理動(dòng)態(tài)演示，將復(fù)雜的電磁場(chǎng)理論通過演示的方式表示出來，結(jié)果清晰、直觀的表現(xiàn)出了各種電磁場(chǎng)模型的特性，形象、直觀、便于理解，它不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且加快學(xué)生理解速度提高了教學(xué)質(zhì)量。
2）電磁場(chǎng)和電磁波的存在形式、特性分布等內(nèi)容的圖示化。課程中涉及較多的求解場(chǎng)量分布、特性等內(nèi)容，以往教學(xué)中推導(dǎo)出結(jié)果都是數(shù)學(xué)公式，對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)薄弱和空間思維差的學(xué)生而言整個(gè)教學(xué)過程就像解數(shù)學(xué)題、而與場(chǎng)無關(guān)。我們利用軟件將常見的場(chǎng)量分布形式圖形化，根據(jù)源的不同分布求出不同場(chǎng)圖，繪制矢量線（電力線、磁力線）、等值線（等位線）、箭頭圖等，以幫助學(xué)生更好地理解場(chǎng)。例如電偶極子的電場(chǎng)分布、同軸電纜電場(chǎng)分布、均勻平面電磁波傳播、球面電磁波傳播、矩形波導(dǎo)傳播時(shí)電磁場(chǎng)特性等。
3）計(jì)算方式的簡化。課程在求解問題時(shí)，經(jīng)常會(huì)涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算過程，利用軟件強(qiáng)大的仿真功能，將計(jì)算過程簡化，運(yùn)用符號(hào)運(yùn)算功能進(jìn)行數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，根據(jù)數(shù)值計(jì)算功能進(jìn)行習(xí)題求解等，節(jié)約授課時(shí)間，提高教學(xué)效率。如電磁場(chǎng)中梯度、散度、旋度問題、求靜態(tài)邊值時(shí)有限差分法、有限元法、鏡像法等。
2 具體應(yīng)用實(shí)例
隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，近幾年出現(xiàn)了大量的電磁場(chǎng)和微波電路仿真軟件，如美國ANSOFT公司的HFSS（高頻電磁場(chǎng)仿真）、MATLAB、ANSYS等軟件。這些軟件功能強(qiáng)大、界面友好，編程簡潔、效率高，特別適合于教學(xué)演示和學(xué)生實(shí)踐，用戶可以在短時(shí)間內(nèi)掌握其主要內(nèi)容和基本操作。下面我們簡單介紹幾個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例：
1）鏡像法
鏡像法是一種求解邊值問題的間接方法，其基本原理是：用放置在所求場(chǎng)域之外的假想電荷（即像電荷）等效的替代導(dǎo)體表面（或介質(zhì)分界面）上的感應(yīng)電荷（或極化電荷）對(duì)場(chǎng)分布的影響，從而將求解實(shí)際的邊值問題轉(zhuǎn)換為求解無界空間的問題。利用軟件仿真孤立電荷產(chǎn)生的場(chǎng)和像電荷產(chǎn)生場(chǎng)以及疊加后的場(chǎng)，電荷電量、導(dǎo)體半徑等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況輸入。下圖為半徑為2電荷為4時(shí)產(chǎn)生的場(chǎng)圖。
2）矩形波導(dǎo)傳播
課程在講解矩形波導(dǎo)傳播時(shí)，電磁場(chǎng)分量公式表示如公式所示。
讓學(xué)生根據(jù)公式理解其傳輸特性比較困難。通過Matlab 計(jì)算并繪出任意時(shí)刻金屬矩形波導(dǎo)的主模 TE10 模的電磁場(chǎng)分布圖，直觀的展示了波的傳輸特性。
3）有限差分法求電磁場(chǎng)靜態(tài)邊值
有限差分法是求電磁場(chǎng)靜態(tài)邊值問題的一種數(shù)字計(jì)算法，把連續(xù)空間離散化，空間離散化越細(xì)，解的誤差越小，其計(jì)算量就越大，就使課程中大量時(shí)間用在處理數(shù)據(jù)上。而利用matlab編寫程序，根據(jù)已知條件自動(dòng)生成矩陣數(shù)據(jù)，繪制電場(chǎng)和電力線圖形，使講解過程清晰明了。
3 結(jié)束語
本文根據(jù)電磁場(chǎng)與電磁波少學(xué)時(shí)、概念抽象等特點(diǎn)，將仿真軟件強(qiáng)大的計(jì)算與圖像功能運(yùn)用于電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)中，使電磁場(chǎng)與電磁波分析研究問題簡單方便，幫助學(xué)生直觀的分析和理解課程內(nèi)容，不但能大大加深學(xué)生對(duì)抽象電磁場(chǎng)問題的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且也提高了學(xué)生對(duì)工程軟件的實(shí)際應(yīng)用能力，取得了很好的教學(xué)效果。對(duì)提高教學(xué)效果具有非常重要的意義。
參考文獻(xiàn)：
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【中圖分類號(hào)】G718.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2013）01-0209-02
引言
隨著微波、磁場(chǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電磁場(chǎng)、電磁波知識(shí)的教學(xué)成為了當(dāng)前高職物理課程教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。尤其是對(duì)于高職學(xué)校機(jī)電專業(yè)學(xué)生而言，電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)尤其重要，是必不可少的內(nèi)容。但是近幾年來，隨著高職院校的擴(kuò)招，高職學(xué)生的學(xué)習(xí)能力不夠高是客觀問題，所以在高職物理教學(xué)的過程中保證高職學(xué)生高效的學(xué)習(xí)尤為重要。本文將從高職機(jī)電專業(yè)物理教學(xué)實(shí)際出發(fā)，探討高職物理課中電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)的具體策略，希望能為提高高職物理課程電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)水平起到一定的積極作用。
1.高職物理課程中電磁場(chǎng)與電磁波內(nèi)容的特點(diǎn)
電磁場(chǎng)和電磁波是高職物理課程中包含豐富的數(shù)學(xué)和物理知識(shí)的部分課程，是高職物理課中難教、難學(xué)的一部分。該部分內(nèi)容不但具有較強(qiáng)的理論性，同時(shí)還具有數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程繁瑣、概念抽象等特點(diǎn)，這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)該具有較強(qiáng)的抽象思維能力、空間想象能力以及邏輯推理能力，在學(xué)習(xí)的過程中采用多樣化的分析方法。毋庸回避，而這對(duì)基礎(chǔ)不是很扎實(shí)的高職學(xué)生具有一定的難度。加之，由于高職物理電磁場(chǎng)和電磁波的部分實(shí)踐教學(xué)成本較高，教師在教學(xué)過程中就忽略了這部分實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際的學(xué)習(xí)過程中對(duì)學(xué)科知識(shí)難以理解和掌握，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)電磁波和電磁場(chǎng)的相關(guān)知識(shí)理解不夠深入，難以融會(huì)貫通。
例如，在電磁波與電磁場(chǎng)的教學(xué)過程中，通常是以麥克斯韋的電磁場(chǎng)基本理論為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上分析并論述“電磁場(chǎng)與電磁波”的相關(guān)內(nèi)容。在該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中，由于學(xué)生物理、數(shù)學(xué)知識(shí)以及抽象思維能力的不足，導(dǎo)致學(xué)生在理解電磁理論方程的過程中出現(xiàn)了似懂非懂、知其然而不知其所以然的問題。這些特點(diǎn)都要求對(duì)現(xiàn)代高職物理教學(xué)方式進(jìn)行改革。
2.教學(xué)方法的選擇
在采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法過程中，高職物理課中的電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)主要注重理論教學(xué)，而實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容所占的比例相對(duì)較小。這首先給學(xué)生形成了一個(gè)該部分內(nèi)容實(shí)用性不強(qiáng)的印象，導(dǎo)致高職學(xué)生完全失去了學(xué)習(xí)動(dòng)力。同時(shí)，該部分內(nèi)容還存在著考核內(nèi)容較為單一，絕大部分情況是通過筆試考試分?jǐn)?shù)決定考核成績，沒有對(duì)高職學(xué)生的動(dòng)手能力進(jìn)行鍛煉與考核?；诖?，在高職物理課中的電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)過程中應(yīng)該從以下幾個(gè)方面著手改革：
2.1 將提高學(xué)生興趣作為主要目標(biāo)，以實(shí)踐應(yīng)用作為教學(xué)組織的主要內(nèi)容
在教學(xué)過程中，從機(jī)電專業(yè)工程應(yīng)用以及工程實(shí)踐的角度出發(fā)，以具體的實(shí)際問題為突破口，對(duì)課本的內(nèi)容進(jìn)行講授，采用理論聯(lián)系實(shí)際的方式，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)過程中注重理論知識(shí)以及理論知識(shí)在實(shí)際生活中的應(yīng)用實(shí)例介紹，諸如電磁場(chǎng)理論在現(xiàn)代通信衛(wèi)星、電磁波技術(shù)在醫(yī)療、生物及化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
2.2 充分利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)，持續(xù)更新教學(xué)內(nèi)容
隨著現(xiàn)代電磁技術(shù)的迅速發(fā)展，高職物理教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該在基礎(chǔ)內(nèi)容和知識(shí)方面進(jìn)行持續(xù)的更新，尤其是在電磁技術(shù)的應(yīng)用方面，應(yīng)該通過持續(xù)更新的方式方能充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對(duì)于更新教學(xué)內(nèi)容的方式，利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)有效的途徑。這不但要求教師在教學(xué)過程中充分應(yīng)用信息網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還應(yīng)該積極地引導(dǎo)學(xué)生正確合理地使用網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)電磁學(xué)科發(fā)展與應(yīng)用的最新動(dòng)態(tài)予以認(rèn)識(shí)。教師在教學(xué)的過程中則重點(diǎn)關(guān)注電磁技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在對(duì)原有經(jīng)典理論知識(shí)進(jìn)行分析、講解的同時(shí)，適當(dāng)?shù)卦黾有碌睦碚摷皯?yīng)用技術(shù)，對(duì)教學(xué)講義進(jìn)行持續(xù)更新、充實(shí)和完善。
2.3 淡化理論公式的推導(dǎo)過程
電磁波理論公式的推導(dǎo)是一個(gè)較為復(fù)雜而繁瑣的過程，它對(duì)高等數(shù)學(xué)以及電磁學(xué)等都有較高的要求。但是，從高職學(xué)生的實(shí)際情況以及學(xué)生工作過程中的實(shí)際應(yīng)用來看，學(xué)生只需要對(duì)各個(gè)微波元器件的工作原理進(jìn)行了解，在此基礎(chǔ)上對(duì)元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與尺寸等進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)即可，并不需要太多的數(shù)學(xué)理論知識(shí)。因此，高職教師在教學(xué)的過程中可以適當(dāng)?shù)貙?duì)理論公式予以淡化，這樣不但消除了學(xué)生畏難的情緒，同時(shí)也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。
2.4 綜合采用多種教學(xué)方法
當(dāng)前高職物理教學(xué)過程中，主要采用的教學(xué)方法包括利用仿真軟件教學(xué)和多媒體教學(xué)兩種主要的方式。其中，仿真軟件教學(xué)方式給學(xué)生提供了一個(gè)真實(shí)的數(shù)字平臺(tái)，學(xué)生能夠通過軟件設(shè)計(jì)出元器件。在教學(xué)中充分的利用仿真軟件可以有效的縮短電磁理論計(jì)算的時(shí)間，同時(shí)還可以顯著的提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。
而多媒體教學(xué)具有圖、文、聲并茂的教學(xué)特點(diǎn)，所以在教學(xué)過程中適當(dāng)?shù)膽?yīng)用多媒體來表示電磁波元器件的外部特點(diǎn)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，通過短片、動(dòng)畫等形式使得學(xué)生能夠?qū)φn本上的理論知識(shí)形成一個(gè)更加深刻、直觀的理解。
同時(shí)，對(duì)于條件不夠成熟的高職院校而言，在教學(xué)的過程中可以通過形象化的教學(xué)方式提高電與磁物理教學(xué)的水平。例如，在教授“運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)”的教學(xué)內(nèi)容方面時(shí)，長直導(dǎo)線長為L，其中通過電流I，則與導(dǎo)線距離為r處的磁通密度為B，
這時(shí)，長直導(dǎo)線周圍的磁感線應(yīng)該是一個(gè)沿著垂直導(dǎo)線平面內(nèi)的同心圓，可以采用右手螺旋定則的方式予以表示，可以用圖1表示。
而從形象化教學(xué)的角度出發(fā)，設(shè)想伴隨著運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生了一個(gè)運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)，而運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)。如圖2所示，當(dāng)載流導(dǎo)線的電子以速度做定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)線截面中的正離子被認(rèn)為是靜止不動(dòng)的，而正離子所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)與電子產(chǎn)生的靜電場(chǎng)則出現(xiàn)相互抵消的現(xiàn)象。但是，由于正離子靜止不動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)電子所產(chǎn)生的電場(chǎng)并沒有被抵消。然而，由于正離子沒有運(yùn)動(dòng)，從而伴隨運(yùn)動(dòng)電子的運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)沒有抵消。這時(shí)，在導(dǎo)線長為L，半徑為r的圓柱面之上，導(dǎo)線的線電荷密度為ρ，則在該圓柱面上所產(chǎn)生的電通量是：
電通量=E×S=E2πrL。
由高斯定理有：
則與導(dǎo)線相距πr距離的運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)E=。
2.5 積極開展互動(dòng)式的教學(xué)方式
在新的教學(xué)理念之下，學(xué)生是整個(gè)教學(xué)過程的主體。因此，教師在教學(xué)過程中通過互動(dòng)式的教學(xué)方法，讓學(xué)生帶著自己的知識(shí)，經(jīng)驗(yàn)、思考、靈感、興致參與活動(dòng)，這樣可以為他們萌發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力提供良好的契機(jī)。為了形成較好的學(xué)習(xí)氛圍，應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生提問。教師可以在電磁場(chǎng)或者電磁波結(jié)束之后進(jìn)行分組討論，通過這種方式能有效的提高他們學(xué)好高職物理課程的積極性與信心。同時(shí)，教師還應(yīng)該強(qiáng)化教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與鞏固，鍛煉學(xué)生的整體應(yīng)用能力，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)，及時(shí)的更新課程內(nèi)容，對(duì)教學(xué)講義進(jìn)行逐步的完善，帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于高職物理的理論性較強(qiáng)，因此在教學(xué)的過程中還可以采用上述形象化的教學(xué)方式來加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解與掌握。
2.6 對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計(jì)
電磁場(chǎng)與電磁波的內(nèi)容具有理論性較強(qiáng)、內(nèi)容枯燥以及思維抽象等特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生難以提起興趣進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)的過程中容易出現(xiàn)走神等現(xiàn)象。這時(shí)，教師應(yīng)該以提高學(xué)生興趣為首要目的，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)尤為重要。在實(shí)際的講授過程中，將重點(diǎn)放在電磁學(xué)的基本概念以及基本理論的闡釋方面；而在實(shí)踐課程的教學(xué)過程中，結(jié)合課程教學(xué)的主要內(nèi)容，精心設(shè)計(jì)幾個(gè)經(jīng)典的案例，在每次課程進(jìn)行之前都從工程實(shí)際出發(fā)，提起學(xué)生的學(xué)習(xí)胃口，接下來的課程教學(xué)內(nèi)容自然能夠達(dá)到預(yù)期的效果。
結(jié)語：
本文在對(duì)高職物理課程中電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行論述的同時(shí)，對(duì)高職物理課程電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)策略進(jìn)行分析。同時(shí)，以具體的教學(xué)內(nèi)容為例探討了電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)策略，對(duì)提高高職物理課程中電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)水平具有一定的積極作用。
參考文獻(xiàn)：
作者簡介：張平娟（1981-），女，安徽懷遠(yuǎn)人，安徽科技學(xué)院機(jī)電與車輛工程學(xué)院，講師。（安徽 蚌埠 233100）
基金項(xiàng)目：本文系安徽科技學(xué)院教研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：X201095）的研究成果。
中圖分類號(hào)：G642?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號(hào)：1007-0079（2012）30-0048-01
一切電現(xiàn)象都會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，而電磁波的輻射與傳播規(guī)律更是一切無線電活動(dòng)的基礎(chǔ)。電磁場(chǎng)與電磁波廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子通信技術(shù)領(lǐng)域?！半姶艌?chǎng)與電磁波”是多種學(xué)科的交叉點(diǎn)，它不僅是微波、天線、電磁兼容的理論基礎(chǔ)，而且各種現(xiàn)代通信方式，如光纖通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信以及電視、雷達(dá)等各種專門學(xué)科都是以電磁波攜帶信息的方式來實(shí)現(xiàn)的。廣泛應(yīng)用的超小超薄的大規(guī)模集成電路更是充滿了電磁場(chǎng)的問題。由于“電磁場(chǎng)與電磁波”是眾多學(xué)科的理論基礎(chǔ)，從而成為相關(guān)專業(yè)課程建設(shè)非常重要的環(huán)節(jié)。
“電磁場(chǎng)與電磁波”課程理論性、系統(tǒng)性很強(qiáng)，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)習(xí)它不僅可以獲得場(chǎng)和波的理論，而且有助于培養(yǎng)正確的思維方法和分析問題的能力。
但是就是這樣一門課程歷來被公認(rèn)為是一門難教、難學(xué)的課，電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)現(xiàn)狀：電磁場(chǎng)與電磁波課程主要涉及電磁場(chǎng)的源與場(chǎng)的關(guān)系，電磁波在空間傳播的規(guī)律，電磁波的產(chǎn)生、輻射、傳播、電磁干擾、電磁兼容以及電磁理論在各方面的應(yīng)用。主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：該課程理論性強(qiáng)，概念抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁多；教學(xué)計(jì)劃修訂后該課程的教學(xué)學(xué)時(shí)被壓縮，既要在教學(xué)計(jì)劃學(xué)時(shí)內(nèi)完成教學(xué)內(nèi)容，這就會(huì)使每節(jié)課的上課內(nèi)容增加；課程涉及的知識(shí)點(diǎn)多，包括時(shí)域、頻域、空域和極化，相應(yīng)的物理量需用復(fù)數(shù)來表示。這就要求學(xué)生有復(fù)變函數(shù)、矢量分析和場(chǎng)論的基本知識(shí)。
基于現(xiàn)狀，筆者結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐，就教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改進(jìn)方面提出了一些見解，希望和同行進(jìn)行交流。
一、教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化
1.根據(jù)課程需要，合理進(jìn)行學(xué)時(shí)分配
電磁場(chǎng)與電磁波是在公共課程大學(xué)物理基礎(chǔ)上開設(shè)的，大學(xué)物理的下冊(cè)電磁學(xué)理論部分已經(jīng)包括了真空和介質(zhì)中的靜電場(chǎng)、恒定電流場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并做了詳細(xì)的講解，對(duì)麥克斯韋方程組也進(jìn)行了簡單介紹。與“電磁場(chǎng)與電磁波”相比較發(fā)現(xiàn)兩門課程在內(nèi)容上有較多的重復(fù)，但是大學(xué)物理側(cè)重于靜態(tài)電磁場(chǎng)以及電磁場(chǎng)的物理性，應(yīng)用對(duì)象以物理為主，而“電磁場(chǎng)與電磁波”在內(nèi)容上有了較大的擴(kuò)展，不僅包括靜態(tài)場(chǎng)還有時(shí)變場(chǎng)以及電磁波的發(fā)射傳播、傳播和接收，更注重時(shí)變的場(chǎng)和波，應(yīng)用對(duì)象以通信、電視、雷達(dá)遙感等和電磁波的發(fā)射、傳輸和接收相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域。在課程的講解過程中還要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整各章節(jié)的學(xué)時(shí)，靜電場(chǎng)部分在大學(xué)物理中詳細(xì)介紹，在這里可以適當(dāng)壓縮，由于時(shí)變場(chǎng)是本課程的重點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)增加學(xué)時(shí)，使學(xué)生能夠更加深入理解電磁波傳播的特性，掌握時(shí)變場(chǎng)的分析方法。無線傳輸?shù)脑诂F(xiàn)代自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，這就使得電磁波的發(fā)射和接收成為其中主要的部件之一。天線是完成電磁波發(fā)射和接收的功能元件，因此應(yīng)增加此部分內(nèi)容的講解力度，保證與后續(xù)的專業(yè)課程銜接。
2.注重矢量分析與場(chǎng)論知識(shí)的講解
在課程的開始，教材一般會(huì)安排矢量與場(chǎng)論部分的知識(shí)，因?yàn)檫@部分知識(shí)是用來研究電磁場(chǎng)的重要工具。學(xué)生雖然在“電磁場(chǎng)與電磁波”課程之前也有過矢量分析、場(chǎng)論以及電磁場(chǎng)理論分析中使用的一些特殊函數(shù)，但是學(xué)得不夠深，有的已差不多忘記，所以在介紹電磁場(chǎng)內(nèi)容之前要把這部分知識(shí)講透徹，這樣才能使學(xué)生后面的學(xué)習(xí)輕松些，而不是開始就一頭霧水，之后就完全跟不上。
二、教學(xué)方法探討
教學(xué)過程是課程教學(xué)效果的關(guān)鍵。長期以來，對(duì)于“電磁場(chǎng)與電磁波”這樣理論性較強(qiáng)的課程教學(xué)都是老師在臺(tái)上講、學(xué)生在下面聽，為了在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)計(jì)劃的全部內(nèi)容，教師基本上是滿堂灌，但是實(shí)際效果往往不是很理想，就個(gè)人教學(xué)的實(shí)際得到一些教學(xué)方法上的體會(huì)。
1.教學(xué)手段更新
“電磁場(chǎng)與電磁波”之所以讓教師感覺難教、學(xué)生感覺難學(xué)，是因?yàn)楸菊n程基本上用數(shù)學(xué)語言來描述物理現(xiàn)象，講解過程中用到拉普拉斯方程、泊松方程、散度、梯度、旋度等大量的數(shù)學(xué)知識(shí)。在傳統(tǒng)的板書教學(xué)中，公式推導(dǎo)就會(huì)占用大量的時(shí)間，降低課堂講授效率，也使得學(xué)生感到枯燥、乏味，而且板書教學(xué)不能把抽象的物理概念、模型很好地顯示出來，現(xiàn)代多媒體技術(shù)能夠彌補(bǔ)板書教學(xué)的缺陷。首先，可以把重要的理論推導(dǎo)事先通過公式編輯器編輯好，在上課時(shí)重點(diǎn)講解難點(diǎn)，這樣就可以節(jié)省了課堂時(shí)間，提高了效率。另外，還可以借助一些軟件，比如MATLAB、FLASH來畫點(diǎn)位分布、時(shí)變場(chǎng)分布圖等，還可以進(jìn)行一些仿真。把抽象的概念變得直觀，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。在教學(xué)上采用板書和多媒體的有機(jī)結(jié)合，使課堂教學(xué)快慢有序，更好地提高教學(xué)效果。
2.增加應(yīng)用背景介紹
隨著科技的發(fā)展，電磁場(chǎng)理論在工程實(shí)踐、科學(xué)研究和家庭生活中應(yīng)用越來越廣泛，在教學(xué)的過程中若能有意識(shí)地利用好這些教學(xué)實(shí)例，在課堂上提出一些問題：飛機(jī)為什么可以隱身？微波爐為什么不能用金屬器皿？短波收音機(jī)為什么在晚上收到更多的臺(tái)、電磁爐的工作原理等，就可以讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，充分認(rèn)識(shí)課程的重要性，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，讓他們?cè)诶斫饣军c(diǎn)的同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。另外，在教學(xué)過程中也可以讓同學(xué)們通過一些實(shí)際應(yīng)用課題及時(shí)了解學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，提高自學(xué)能力和學(xué)習(xí)效果。
3.簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，及時(shí)歸納總結(jié)
當(dāng)學(xué)生拿到教材看到盡是數(shù)學(xué)推導(dǎo)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生厭惡感，另外，有的同學(xué)會(huì)從高年級(jí)同學(xué)那里得知這門課程很“難”，便會(huì)在心理上排斥。針對(duì)這種情況，筆者采用的是簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)、重思路分析和結(jié)果的方法。這樣就不會(huì)有繁瑣的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)。在教學(xué)內(nèi)容上對(duì)一些知識(shí)點(diǎn)，比如恒定電磁場(chǎng)部分的靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)以及恒定電流場(chǎng)、靜態(tài)場(chǎng)中的極化和磁化、時(shí)變場(chǎng)的中的時(shí)變電場(chǎng)與時(shí)變磁場(chǎng)之間有些對(duì)偶知識(shí)點(diǎn)要及時(shí)總結(jié)歸納，并與相對(duì)應(yīng)的一些知識(shí)點(diǎn)比較，這樣可以增加記憶效果。
4.增加習(xí)題訓(xùn)練，提高分析能力
在教學(xué)過程中，經(jīng)常會(huì)聽學(xué)生說“老師上課講的都懂，可是不會(huì)做題”，這是歷屆學(xué)生中普遍存在的現(xiàn)象。因?yàn)殡姶艌?chǎng)不是單純的數(shù)學(xué)問題。在教學(xué)中老師要及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。講解知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候要及時(shí)進(jìn)行總結(jié)，講解例題并歸納解題方法，多做課后習(xí)題，及時(shí)輔導(dǎo)。電磁場(chǎng)這門課程還存在教學(xué)內(nèi)容多而教學(xué)學(xué)時(shí)少的矛盾，可以借助網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行交流。
5.提高教師的自身素質(zhì)和教學(xué)水平
在教學(xué)中提倡互動(dòng)，但教師仍然是占主體地位的。只有教師的自身素質(zhì)提高了才能有效地改善教學(xué)效果。首先，教師要熱愛所從事的教育事業(yè)，把全部精力投入到教學(xué)工作中。教師要經(jīng)常通過進(jìn)修的方式提高自己的知識(shí)水平，通過和學(xué)生互動(dòng)以及教師間的交流發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的不足并能夠及時(shí)改正。教師還應(yīng)在教學(xué)中加強(qiáng)教學(xué)管理，不斷地完善教學(xué)資料，建立習(xí)題和試題庫，注重教學(xué)研究和與兄弟院校間的交流，不斷地提高教學(xué)水平。
三、結(jié)束語
電磁場(chǎng)是電類專業(yè)的一門核心課程，教學(xué)過程特點(diǎn)鮮明，如何組織教學(xué)非常重要。教學(xué)改革就是要重點(diǎn)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在內(nèi)容上使復(fù)雜的問題簡單化，方便學(xué)生理解，互動(dòng)地組織教學(xué)，有效提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)電磁場(chǎng)理論知識(shí)解決問題的能力。
參考文獻(xiàn)：
［關(guān)鍵詞］電磁場(chǎng)與電磁波；教學(xué)研究；HFSS；實(shí)踐教學(xué)
“電磁場(chǎng)與電磁波”主要研究電磁場(chǎng)和電磁波的基本概念、基本理論與應(yīng)用。該課程主要從矢量分析入手，介紹電磁場(chǎng)中的靜態(tài)場(chǎng)、時(shí)變場(chǎng)和電磁波的基本理論與特點(diǎn)，為“微波技術(shù)基礎(chǔ)”、“天線與電波傳播”、“射頻電路”等后繼課程的學(xué)習(xí)奠定必要的理論基礎(chǔ)。但是由于該課程數(shù)學(xué)要求高、公式多、物理概念抽象、理論難以掌握，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中力不從心，往往有畏難情緒在里面。特別是對(duì)合肥師范學(xué)院這種應(yīng)用型二本高校來說，學(xué)生的基礎(chǔ)相對(duì)重點(diǎn)院校的學(xué)生而言要差點(diǎn)，而且學(xué)習(xí)的自主性也欠缺，因此學(xué)習(xí)效果不是很理想，可能會(huì)有個(gè)別學(xué)生到學(xué)期結(jié)束都達(dá)不到這門課程學(xué)習(xí)的基本要求。如何做好應(yīng)用型高校電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)工作是比較緊迫的問題，需要花更多的心思和精力來探討研究。筆者結(jié)合多年電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性的對(duì)課程進(jìn)行改革，通過課堂上學(xué)生實(shí)時(shí)反饋情況對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合應(yīng)用型高校的實(shí)際情況探索該課程的教學(xué)。
1教學(xué)內(nèi)容研究
本課程包括電磁場(chǎng)和電磁波兩大部分。電磁場(chǎng)部分是在高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用矢量分析的方法，描述靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的基本物理概念、研究靜態(tài)場(chǎng)的解題方法、以及在總結(jié)基本實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上給出時(shí)變電磁場(chǎng)的基本規(guī)律。電磁波部分主要是介紹平面電磁波傳輸特性、電磁波在導(dǎo)行系統(tǒng)的傳播規(guī)律及天線的基本理論。由于本校電磁場(chǎng)與電磁波課程只有48學(xué)時(shí)，需要針對(duì)應(yīng)用型高校學(xué)生的特點(diǎn)分層次講解課程內(nèi)容，對(duì)理論性、邏輯性較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)做選修處理，既滿足大部分學(xué)生對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)掌握的要求，又滿足部分學(xué)生向重點(diǎn)高?？佳械男枨?。將課程的必修知識(shí)點(diǎn)按照掌握、理解、了解三個(gè)層次具體劃分為：掌握矢量運(yùn)算，梯度、散度和旋度，高斯公式和斯托克斯公式，時(shí)變電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組、電磁波的波動(dòng)方程等；理解電磁場(chǎng)的矢量位勢(shì)和標(biāo)量位、泊松方程、時(shí)諧平面電磁波、截止頻率和諧振頻率等概念；了解分離變量法、庫侖規(guī)范、洛侖茲規(guī)范、滯后位等。而對(duì)鏡像法、有界空間中電磁波的求解方法、電磁輻射等作為選修內(nèi)容。做出以上的安排主要考慮下面兩個(gè)因素：
一、有限的課時(shí)要優(yōu)先考慮重點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)電磁場(chǎng)和電磁波涉及的核心知識(shí)點(diǎn)必須要詳細(xì)講解，比如散度、旋度、梯度、麥克斯韋方程組、波動(dòng)方程、平面電磁波等，至少要花三分之一的課時(shí)結(jié)合多種教學(xué)手段讓學(xué)生在理解物理概念的基礎(chǔ)上掌握基本公式及應(yīng)用。而對(duì)一些比較復(fù)雜的問題，如分離變量法、鏡像法等知識(shí)點(diǎn)，通過弱化在總學(xué)時(shí)的比例或用選修的方式做簡化處理；
二、由于我校電子信息工程、通信工程專業(yè)有電磁場(chǎng)與電磁波方面的后繼課程－－－－專業(yè)必修課“微波技術(shù)”、專業(yè)方向課程“天線與電波傳播”和“射頻電路”，這些課程覆蓋了“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的不足，如有界空間中電磁波的求解方法、電磁輻射等知識(shí)點(diǎn)完全可以在后繼課程中系統(tǒng)學(xué)習(xí)。
2教學(xué)方法研究
通過多年課堂教學(xué)的探索和總結(jié)，針對(duì)二本高校學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)較薄弱的特點(diǎn)，同時(shí)為適應(yīng)應(yīng)用型高校的辦學(xué)需求，為該課程制定一套教學(xué)方法，使抽象的概念形象化，難懂的公式物理化，知識(shí)掌握的系統(tǒng)化，最終將理論基礎(chǔ)與實(shí)際應(yīng)用密切聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生探索性學(xué)習(xí)素養(yǎng)，啟迪學(xué)生創(chuàng)新思想，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)拓展應(yīng)用能力的提高。
2．1知識(shí)點(diǎn)形象化、系統(tǒng)化
在形象化講解抽象概念的基礎(chǔ)上，將相近或易混淆的內(nèi)容做比較，通過列表的方式從物理概念、數(shù)學(xué)公式、適用條件等方面將概念進(jìn)行區(qū)分，使分散的問題系統(tǒng)化，加深學(xué)生的理解和記憶。下面以三個(gè)度（梯度、散度、旋度）的講解為例，說明該過程的具體實(shí)施。如何將概念形象化？例如在講解梯度時(shí)，以溫度場(chǎng)為例，介紹溫度沿不同方向的變化率。該問題針對(duì)某一溫度場(chǎng)中的山峰，甲、乙、丙三人分別從三個(gè)不同的方向由山腳爬到山頂，行程L分別是120km、100km、80km，其中丙是垂直路徑，可以很容易算出三種不同方向的溫度平均變化率ΔTL，其中丙方向的變化率最大。然后引導(dǎo)學(xué)生思考，如果是對(duì)溫度場(chǎng)的某點(diǎn)A來說，平均變化率就變?yōu)闇囟妊厝N方向在A點(diǎn)的變化率，表述為TL沿不同方向，自然引出方向性導(dǎo)數(shù)的概念。進(jìn)一步提示學(xué)生，在所有方向的變化率中，總有一個(gè)方向變化率是最大的，這個(gè)值就是梯度的大小，這個(gè)方向就是梯度的方向，最終將針對(duì)標(biāo)量場(chǎng)的梯度概念給完整引出。在系統(tǒng)講解完梯度、散度、旋度后，用列表的方式對(duì)問題進(jìn)行區(qū)分，找到三者之間的異同。
2．2HFSS軟件實(shí)踐教學(xué)
為改善比較死板的教學(xué)現(xiàn)狀，同時(shí)貼合應(yīng)用型辦學(xué)思想，對(duì)該課程的一些知識(shí)點(diǎn)在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上用軟件仿真的形式將無形的場(chǎng)結(jié)構(gòu)有形化，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的把握程度。工程上常用的HFSS有限元分析軟件，對(duì)于一些典型的電磁場(chǎng)問題，如電場(chǎng)分布、磁場(chǎng)分布、電感、電容等，可以提供直觀的場(chǎng)結(jié)構(gòu)顯示。下面就以半波偶極子為例，利用HF－SS軟件建模仿真其空間輻射場(chǎng)結(jié)構(gòu)。例：設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為3GHz的半波偶極子天線，計(jì)算其空間電場(chǎng)分布。傳統(tǒng)教學(xué)過程是首先分析電偶極子的遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)分布，通過在球坐標(biāo)系中將電位函數(shù)高階近似的方式推出電偶極子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電場(chǎng)E＝－"φ＝p4πε0r3（2cosθer＋sinθeθ），其中p為電偶極矩；然后根據(jù)偶極子天線的對(duì)稱性計(jì)算對(duì)稱天線的輻射電場(chǎng)；最后計(jì)算3GHz下天線的輻射場(chǎng)分布和方向性函數(shù)。實(shí)踐教學(xué)過程則是依托HFSS軟件，通過建模仿真的方式直觀的得到半偶極子場(chǎng)結(jié)構(gòu)。設(shè)置掃頻范圍2．5GHz－3．5GHz，S11參數(shù)、方向圖，以及電場(chǎng)分布。相比繁瑣的理論公式的推導(dǎo)計(jì)算，HFSS軟件實(shí)踐教學(xué)方式更容易被學(xué)生接受，在掌握電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高了學(xué)習(xí)興趣，為以后的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
3總結(jié)
“電磁場(chǎng)與電磁波”做為電子信息類、通信工程類本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有十分重要的核心地位。針對(duì)應(yīng)用型高校如何實(shí)施教學(xué)過程是值得研究和探索的問題。本文從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式兩個(gè)方面，圍繞教學(xué)做了初步探討。經(jīng)過實(shí)際教學(xué)檢驗(yàn)，取得了令人滿意的教學(xué)效果。
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中圖分類號(hào)：O441-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-7661（2015）21-0006-02
《電磁場(chǎng)與電磁波》是普通高等學(xué)校電子信息類、電氣信息類專業(yè)本科生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程主要研究宏觀電磁場(chǎng)的基本規(guī)律及分析計(jì)算方法，為采用“場(chǎng)”的觀點(diǎn)解決實(shí)際電磁問題和今后在這一領(lǐng)域的繼續(xù)深造打下較扎實(shí)的基礎(chǔ)。隨著電子信息和通信系統(tǒng)的發(fā)展，我國對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波工程技術(shù)的研究也發(fā)展迅速。因此，為適應(yīng)新形勢(shì)下人才培養(yǎng)目標(biāo)，如何在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)開好該課程是急需解決的問題。我們?cè)谡n程教學(xué)過程中，努力摸索合適的教學(xué)方法，以期提高教學(xué)效果。
一、充分利用多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)資源
《電磁場(chǎng)與電磁波》課程涉及較多抽象理論、概念以及大量的公式、定理及復(fù)雜的計(jì)算過程，如果只使用傳統(tǒng)的板書教學(xué)方法，學(xué)生普遍缺乏學(xué)習(xí)興趣。而多媒體課件可以提供文字、圖像和聲音等多方面的信息，更以形象、生動(dòng)、直觀的方式展現(xiàn)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，有助于學(xué)生很快抓住學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)。并且對(duì)于較為復(fù)雜的場(chǎng)，我們可以借助MATLAB、電磁仿真軟件等進(jìn)行仿真和數(shù)值計(jì)算，將場(chǎng)的分布等做成動(dòng)畫直觀演示給學(xué)生，使抽象的問題形象化。教學(xué)內(nèi)容以圖文并茂的多媒體手段呈現(xiàn)，能從多角度吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)生興趣。且使用多媒體教學(xué)，擴(kuò)展了教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效率。適當(dāng)?shù)陌鍟虒W(xué)配合形象生動(dòng)的多媒體展示，可以達(dá)到最佳的教學(xué)效果。
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源越來越豐富，可以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，擴(kuò)展課堂教學(xué)空間，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足。學(xué)生可上網(wǎng)搜索相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，拓寬學(xué)習(xí)渠道，開拓學(xué)習(xí)思路，加深對(duì)課堂知識(shí)的掌握。還可將課程的資料上傳至網(wǎng)絡(luò)，讓學(xué)生利用課余時(shí)間查閱、學(xué)習(xí)，方便學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。通過網(wǎng)絡(luò)途徑，積極引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源了解學(xué)科發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)以及熱點(diǎn)問題，進(jìn)行自主的探究式學(xué)習(xí)，將理論運(yùn)用于實(shí)際。
二、教學(xué)內(nèi)容體系的優(yōu)化
從我校學(xué)生的實(shí)際情況出發(fā)，通過多方比較，我們最終選擇了鄭鈞編著的《電磁場(chǎng)與電磁波》作為主要教材，該教材由淺入深，內(nèi)容編排較為合理和連貫，理論的系統(tǒng)性和邏輯性較好?！峨姶艌?chǎng)與電磁波》課程是先修課程《大學(xué)物理》的延續(xù)，需注意前后課程的銜接，同時(shí)避免授課內(nèi)容的重復(fù)性。以往課程教學(xué)中，根據(jù)教材的內(nèi)容編排講授會(huì)導(dǎo)致對(duì)靜態(tài)場(chǎng)的授課時(shí)間較多，可是其基本理論學(xué)生在學(xué)習(xí)《大學(xué)物理》時(shí)卻已學(xué)過，學(xué)生覺得沒有吸引力，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果欠佳。時(shí)變場(chǎng)的內(nèi)容是本課程的授課重點(diǎn)，同時(shí)也是考核的重點(diǎn)，課時(shí)卻相對(duì)不足，很難保證教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。因此，有必要對(duì)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，縮減靜態(tài)場(chǎng)授課學(xué)時(shí)，增加時(shí)變場(chǎng)授課學(xué)時(shí)，這樣的課時(shí)分配更顯合理性。對(duì)靜態(tài)場(chǎng)的教學(xué)，教師以講解重難點(diǎn)為主，學(xué)生課下自學(xué)部分內(nèi)容為輔。時(shí)變場(chǎng)授課內(nèi)容包括電磁感應(yīng)、麥克斯韋方程組、波動(dòng)方程，時(shí)諧電磁場(chǎng)，到平面波的傳播及平面邊界的入射，波導(dǎo)及天線，學(xué)時(shí)數(shù)的增多使得時(shí)變場(chǎng)的學(xué)習(xí)更為系統(tǒng)和全面，學(xué)生可以較為牢固地掌握時(shí)變場(chǎng)的分析思路和計(jì)算方法，從而系統(tǒng)地了解電磁場(chǎng)與電磁波的理論。
三、案例式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力
電磁場(chǎng)理論有廣泛的應(yīng)用背景，因此在課堂授課中教師可以增加與理論密切相關(guān)的應(yīng)用背景知識(shí)，列舉一些工程實(shí)踐和日常生活中電磁理論應(yīng)用的案例。案例式教學(xué)是將理論聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生直接了解理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，不僅活躍課堂的氛圍，避免學(xué)生分散注意力，而且有助于開闊學(xué)生的思路，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到本課程的重要性，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。我們選取了如電磁輻射與電磁污染、靜電復(fù)印工作原理、醫(yī)學(xué)中的微波治療、磁共振成像技術(shù)、噴墨打印機(jī)、靜電屏蔽、多普勒雷達(dá)等內(nèi)容作為案例，進(jìn)一步結(jié)合課堂教學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納講解，讓學(xué)生從案例中更深刻地了解教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維與創(chuàng)新思維。也可以介紹學(xué)科發(fā)展前沿，比如“電磁隱形衣”“電磁黑洞”等，結(jié)合課程內(nèi)容提出問題進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。
總之，在電子信息迅速發(fā)展、電磁應(yīng)用越來越廣泛的背景下，課題組教師經(jīng)過多年的不懈努力，《電磁場(chǎng)與電磁波》課程教學(xué)實(shí)踐取得了一定成效，教學(xué)效果得到明顯改善。當(dāng)然，還有許多工作需要進(jìn)一步完善，我們一定會(huì)在今后的教學(xué)實(shí)踐中繼續(xù)改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]袁明輝，莫禮東.CAI在《電磁場(chǎng)理論》教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015，（2）：134-135.
在巖溶隧道施工時(shí)，由于受工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變性和目前勘查技術(shù)水平的影響，若不能預(yù)先了解隧道掌子面前方的不良地質(zhì)情況（斷層、破碎帶、溶洞、暗河、軟弱地層等）， 貿(mào)然施工極有可能帶來無法預(yù)估的后果[1][2]。因此，在隧道開挖過程中，進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就顯得尤為重要。
采用科學(xué)先進(jìn)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的手段有很多種，其中地質(zhì)雷達(dá)以其分辨率高、快速經(jīng)濟(jì)，靈活方便，圖像易識(shí)別和結(jié)果處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，以及減少隧道施工的盲目性，近年來在國內(nèi)隧道施工中使用的較為廣泛。
二、基本理論
（一）地質(zhì)雷達(dá)工作原理
地質(zhì)雷達(dá)是用頻率介于106-109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法[3]。其工作原理如圖一所示，高頻電磁波以寬頻帶、短脈沖形式，通過發(fā)射天線送入地下，經(jīng)過有電性差異的地下巖層或或目標(biāo)體反射后返回地面，被接收天線所接收。該法稱為電磁波反射定位探測(cè)法，因此遵循幾何光學(xué)原理[4]。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播的時(shí)候，其波形、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與路徑將隨所穿過的介質(zhì)的電性特征和幾何形態(tài)而變化。因此了解地層的基本信息特征，可以根據(jù)電磁波反射信號(hào)的振幅、時(shí)頻、相位等特征進(jìn)行分析?？纱笾麓_定地下界面或存在異常的空間位置及結(jié)構(gòu)（見下圖）。
（二）電池波的傳播特征
地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)過程中，雷達(dá)電池波可近似的認(rèn)為它為均勻平面電池波。在其傳播過程中，它的電池分量瞬時(shí)波動(dòng)方程為[5]：
（三）地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)方法
影響地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度、分辨率以及精度的主要因素包括兩方面。一是探測(cè)對(duì)象所處環(huán)境的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等因素。二是主要與探測(cè)時(shí)所采用的頻率大小、采樣速度等有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，采用恰當(dāng)?shù)姆椒夹g(shù)，是探測(cè)成功與否的關(guān)鍵因素。
因掌子面和隧道圍巖條件的不同，所以，井字形、十字形和一字形等是常用的布置形式，如情況特殊可密雷達(dá)測(cè)線條數(shù)和重復(fù)掃描來提高探測(cè)結(jié)果的精確性[6]。測(cè)量方式分為點(diǎn)測(cè)和連續(xù)測(cè)量。點(diǎn)測(cè)方式是通過電腦鍵盤發(fā)送信號(hào)觸發(fā)指令給雷達(dá)主機(jī)，每按一次采集鍵便可采集一道數(shù)據(jù)，此后逐點(diǎn)移動(dòng)天線，直至所有測(cè)線完成。連續(xù)測(cè)量方式是只需拖動(dòng)天線，系統(tǒng)將依據(jù)掃描速度的設(shè)定自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，此種方法較簡單，不用進(jìn)行人工干預(yù)。
地質(zhì)雷達(dá)是具有操作簡單、經(jīng)濟(jì)、快速等優(yōu)勢(shì)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的反應(yīng)較為明顯，這主要體現(xiàn)在掌子面前方富水、溶洞、夾泥溶槽等。但是需要提出的是雷達(dá)，圖像的解釋具有多解性，電磁波的干擾因素也往往較多，因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中要注意以下幾點(diǎn)：
1.隧道所在地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造需要仔細(xì)研究，分析出該地區(qū)不良地質(zhì)體的類型、特點(diǎn)等。此外，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集也很重要，對(duì)用物探設(shè)備進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)有著指導(dǎo)意義。綜合以上兩點(diǎn)，可以等到精度較高的預(yù)報(bào)結(jié)果。
2.雷達(dá)圖像具有多解性，在數(shù)據(jù)處理后期的解釋應(yīng)與測(cè)區(qū)實(shí)際的地質(zhì)情況相結(jié)合，我們常常會(huì)遇到各種不同類型的干擾，不同類的的干擾在雷達(dá)軟件解譯出來的波形中也有不同的表現(xiàn)形式，因此，要想達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的目的，需注意排除圖像中的干擾因素。
參考文獻(xiàn)：
[1]王夢(mèng)恕.對(duì)巖溶地區(qū)隧道施工水文地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的意見[J].鐵道勘察，2004（1）：7-9，18
[2]呂喬森，羅學(xué)東，任浩.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在穿河隧道中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，2009，29（2）：189-193
[3]白冰，周健.探地雷達(dá)測(cè)試技術(shù)發(fā)展概況及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（4）：527-531
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）17-0115-02
電磁場(chǎng)理論為眾多交叉學(xué)科領(lǐng)域及新技術(shù)的理論基礎(chǔ)和重要的發(fā)源地?！半姶艌?chǎng)與電磁波”課程涵蓋的內(nèi)容是信息類專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)于通信工程的學(xué)生尤為重要。“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是通信工程專業(yè)的必修課程，開設(shè)此課程讓學(xué)生通曉和掌握電磁場(chǎng)與電磁波的基本規(guī)律、基本特性、分析方法及其應(yīng)用，為后繼專業(yè)課程學(xué)習(xí)及今后的工作奠定必要基礎(chǔ)。
一、教師和學(xué)生明確課程的教學(xué)地位及教學(xué)目的
針對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程難教難學(xué)的現(xiàn)狀，應(yīng)從教師和學(xué)生兩個(gè)方面改進(jìn)教學(xué)。教師要把課程的目標(biāo)定位弄清楚，就是要使學(xué)生能夠掌握電磁場(chǎng)與電磁波的知識(shí)的同時(shí)，也要注重各種能力的培養(yǎng)（如邏輯推理、科學(xué)思維、創(chuàng)新意識(shí)等）。課堂教學(xué)是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，要加強(qiáng)教師本身的能力和素質(zhì)，還要真心地?zé)釔劢虒W(xué)工作，所以上課要有熱情，掌握節(jié)奏，有張有弛，要讓學(xué)生思考與老師同步。老師要準(zhǔn)備好課堂教學(xué)，上課要突出“講”字，不能背書。課堂講解要留有懸念，講透就是失敗者了。電磁場(chǎng)與電磁波課程強(qiáng)化場(chǎng)與波的基本概念和基本理論，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)知識(shí)的重要性，把學(xué)生的主觀能動(dòng)性發(fā)揮出來。作為教師還應(yīng)該關(guān)注科技動(dòng)態(tài)，不斷充實(shí)自己，做到與時(shí)俱進(jìn)。
學(xué)生方面，學(xué)生需理解電磁場(chǎng)理論，而不是簡單地了解。要充分認(rèn)識(shí)電磁場(chǎng)與電磁波理論在現(xiàn)代通信中的重要性，努力克服困難來掌握電磁場(chǎng)與電磁波的基本理論知識(shí)，不斷提高自己的各種能力，才能在未來的學(xué)習(xí)和工作中具備一定的優(yōu)勢(shì)。一名合格的電子、通信、信息工程類專業(yè)的大學(xué)生，應(yīng)學(xué)好電磁場(chǎng)理論，以處理本專業(yè)中出現(xiàn)的最基本的電磁場(chǎng)問題。
二、電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)體系的變化
為了使學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)與電磁波的課程變得容易些，教材前面補(bǔ)充了一些數(shù)學(xué)矢量分析和場(chǎng)論的內(nèi)容，這樣就補(bǔ)充了學(xué)習(xí)場(chǎng)的分析方法、解決電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，能更好地建立場(chǎng)的概念。通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)宏觀電磁場(chǎng)與電磁波的基本概念和規(guī)律有深入完整的理解。掌握麥克斯韋方程組的含義及其應(yīng)用，了解媒質(zhì)的電磁特性及電磁邊界條件，學(xué)會(huì)定量計(jì)算簡單電磁場(chǎng)和電磁波問題的基本方法，具備對(duì)簡單工程電磁場(chǎng)問題的分析能力。教學(xué)中會(huì)遇到一些困難，如概念抽象、理解困難、公式多、運(yùn)算難、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高、內(nèi)容繁雜、信息量大、基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系的距離遠(yuǎn)等。針對(duì)這些困難在教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)整。改變以往電磁場(chǎng)分析和電磁波傳播理論兩大部分組成的內(nèi)容，我們要建立電磁場(chǎng)和電磁波的整體概念，采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的混合教學(xué)模式，來突出電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，歸納總結(jié)出宏觀電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律即經(jīng)典麥克斯韋方程組，討論靜態(tài)場(chǎng)、時(shí)變場(chǎng)以及電磁波的傳播與輻射特性。教學(xué)圍繞基本知識(shí)點(diǎn)展開，從多個(gè)途徑、多個(gè)角度盡可能將科學(xué)內(nèi)涵表述清楚。教師要重視緒論課，也就是第一堂課一定要講得精彩，牢牢抓住同學(xué)們的注意力，激發(fā)電磁場(chǎng)學(xué)習(xí)和探索的興趣和欲望。緒論課介紹電磁場(chǎng)相關(guān)內(nèi)容，如什么是電磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)理論的作用、電磁場(chǎng)理論的用途、發(fā)展、為什么學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)課程、怎樣學(xué)好電磁場(chǎng)課程等。還要推薦參考書和相關(guān)網(wǎng)站，以及讀書時(shí)的注意事項(xiàng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁科學(xué)領(lǐng)域特別是電子與信息科學(xué)領(lǐng)域取得一系列重大成就，課程針對(duì)這些問題進(jìn)行嘗試，如增加應(yīng)用實(shí)例、科研成果，將能反映近代科學(xué)技術(shù)的成就和一些對(duì)學(xué)生有重要意義的工程內(nèi)容，引入本門課程的課堂教學(xué)之中。
三、教學(xué)方法改革
教師要有先進(jìn)的教學(xué)思想，提高自身的業(yè)務(wù)能力，改進(jìn)教學(xué)方法，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和愛好。在教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)介紹本課程的定位、內(nèi)容、特點(diǎn)、與其他課程的關(guān)系以及學(xué)習(xí)方法等。教師在上課時(shí)要有激情，必須真心地?zé)釔劢虒W(xué)工作。教學(xué)過程不僅僅是傳授知識(shí)，更要重視學(xué)生能力的培養(yǎng)，如分析能力、運(yùn)用能力和解決問題能力。學(xué)習(xí)要以思考為基礎(chǔ)，而思考是由懷疑和答案組成的。知道的越多懷疑就越多，于是問題也就增加了，所以發(fā)問會(huì)使人進(jìn)步，問題和答案一樣重要。電磁場(chǎng)理論博大精深，傾畢生心血也未必能講好，教師應(yīng)積極開展教改、教研活動(dòng)，注意教學(xué)團(tuán)隊(duì)的培養(yǎng)，要經(jīng)常交流教學(xué)情況，討論課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。組織教學(xué)改革和教學(xué)研究等方面的研討，吸收并掌握國內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)理念，了解課程發(fā)展動(dòng)態(tài)。講課過程就是自己學(xué)習(xí)的過程、發(fā)現(xiàn)知識(shí)缺陷的過程、提高進(jìn)步的過程、享受人生的過程。教師要把發(fā)展學(xué)生獨(dú)立思考和判斷能力始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把獲得專業(yè)知識(shí)放在首位。鼓勵(lì)學(xué)生追求知識(shí)，培養(yǎng)他們提出問題的習(xí)慣。加強(qiáng)教學(xué)過程中的互動(dòng)效果和學(xué)生的參與程度，引導(dǎo)學(xué)生多思考，多問為什么，任意表達(dá)，敢于標(biāo)新立異，打破陳規(guī)，懷疑一切。建設(shè)“電磁場(chǎng)與電磁波”網(wǎng)絡(luò)課程。網(wǎng)絡(luò)信息量大，可在課堂上實(shí)時(shí)地補(bǔ)充相關(guān)教學(xué)資料，圖文并茂，形象生動(dòng)，學(xué)生不會(huì)疲倦。教師可以通過網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)和輔導(dǎo)，豐富素材，使網(wǎng)絡(luò)課件內(nèi)容具有前沿性、實(shí)用性、綜合性和系統(tǒng)性，有利于不斷提高課程教學(xué)質(zhì)量。還要加強(qiáng)電子教材的制作，使電子教材資源的數(shù)量和質(zhì)量得到提高，同時(shí)完善“電磁場(chǎng)與電磁波”試題庫、在線測(cè)試與答疑等。
四、考試方法的改革
對(duì)該課程概念抽象、理論公式復(fù)雜、知識(shí)點(diǎn)多等特點(diǎn)，老師們?cè)谕瓿烧n程教學(xué)時(shí)，要制定合適的教學(xué)大綱，選定合適的教材，采用適合學(xué)生的教學(xué)方法和考試方式等，這樣對(duì)學(xué)生而言，既能學(xué)習(xí)知識(shí)又能培養(yǎng)能力?？荚囶}不出難題、怪題，出些概念題、基本知識(shí)題。對(duì)于學(xué)習(xí)努力的學(xué)生，考試時(shí)得到高分是有利的，可以減少學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的恐懼心理，同時(shí)增加親近感，有付出就有回報(bào)，這樣就可以讓更多的學(xué)生選擇上電磁場(chǎng)課，客觀上普及了電磁場(chǎng)知識(shí)。而且好分?jǐn)?shù)對(duì)就業(yè)有利，今后學(xué)生在工作中遇到電磁場(chǎng)問題時(shí)不回避，增加解決問題的信心。注重平時(shí)基本概念和分析計(jì)算方法的訓(xùn)練及考核。加強(qiáng)平時(shí)環(huán)節(jié)，避免讓學(xué)生出現(xiàn)期末一考定乾坤的現(xiàn)象。需要我們考試采用多樣形式，閉卷筆試是一種常用考試手段，但不唯一?？梢约訌?qiáng)平時(shí)習(xí)題的訓(xùn)練，來提高平時(shí)的成績，再如開展小測(cè)驗(yàn)、教與學(xué)的交流、課堂教學(xué)討論等，每學(xué)期再加上期中考試，檢驗(yàn)學(xué)生前半學(xué)期的學(xué)習(xí)效果，減輕學(xué)生期末考試的壓力。這樣平時(shí)作業(yè)占總成績的10%，平時(shí)表現(xiàn)5%，面試小測(cè)驗(yàn)的成績占總成績的10%，期中考試成績占總成績的20%，加起來可達(dá)到45%，學(xué)生對(duì)期末考試的壓力將會(huì)大大減少，對(duì)待學(xué)習(xí)自己也會(huì)倍感輕松的。
五、結(jié)束語
“電磁場(chǎng)與電磁波”在通信工程專業(yè)建設(shè)中有著重要的地位。通過教學(xué)上的改革，使學(xué)生感到枯燥乏味的“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)變得生動(dòng)有趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐和改革，有了滿足培養(yǎng)學(xué)生要求的“電磁場(chǎng)與電磁波”的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)大綱、考試題庫等材料。通信工程專業(yè)的“電磁學(xué)與電磁波”是專業(yè)基礎(chǔ)課程，教師進(jìn)行反復(fù)摸索，現(xiàn)已形成具有專業(yè)性、基礎(chǔ)性、前沿性的教學(xué)方法和教學(xué)手段，當(dāng)然，還有不完善的地方，這需在今后的教學(xué)中繼續(xù)完善。對(duì)于學(xué)生而言，掌握好本課程的理論，需要從場(chǎng)與波的角度理解和掌握，對(duì)后續(xù)專業(yè)課程有很大的幫助，能夠深入分析與解釋物理現(xiàn)象的本質(zhì)，學(xué)生學(xué)好“電磁場(chǎng)與電磁波”會(huì)對(duì)相關(guān)學(xué)科中不斷出現(xiàn)的新內(nèi)容有一定的理解能力，有利于增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。
參考文獻(xiàn)：
中圖分類號(hào):U416文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2010)07-0028-03
在橋梁病害中,由于橋頭引道高填土產(chǎn)生不均勻沉降,致使許多橋梁橋面與引道路面銜接處不夠平整順適,從而使車輛駛過橋頭時(shí),產(chǎn)生輕微或嚴(yán)重跳車。橋后臺(tái)背沉降也是目前國內(nèi)城市道路較常見的病害,而且隨著城市道路橋梁建設(shè)的加快,交通流量的增加,這個(gè)問題越來越突出。橋頭沉降跳車不但影響車速,影響行車質(zhì)量,也會(huì)影響橋梁使用壽命;由于路面瀝青材料的老化,極易造成上部的瀝青混凝土砼鋪裝層由于沉降而破壞,這種破壞的直接結(jié)果是路面開裂,地表水沿裂縫下滲直接沖刷臺(tái)背填土,導(dǎo)致臺(tái)背填土變形或者流失,最終使得該處路基發(fā)生沉降,破壞了受力結(jié)構(gòu),出現(xiàn)空洞、路面沉陷的嚴(yán)重問題。
近年來地質(zhì)雷達(dá)在路面、橋面的探測(cè)工作中得到越來越廣泛的應(yīng)用,它具有探測(cè)精度高,探測(cè)時(shí)間短,探測(cè)深度可控等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是在地質(zhì)雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用中,仍然存在著一些問題。例如讀圖難度較大,需要大量工程經(jīng)驗(yàn)等。因此,本文在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上,對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié),并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用進(jìn)行了全面的描述。
一、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理
探地雷達(dá)作為路面檢測(cè)的一項(xiàng)新技術(shù),具有連續(xù)無損探測(cè)、高效、高精度等優(yōu)點(diǎn)。該方法既能準(zhǔn)確地提供城市道路面層和基層的厚度參數(shù),同時(shí)又可以探測(cè)路基內(nèi)存在的病害隱患及其結(jié)構(gòu)缺陷,有助于道路養(yǎng)護(hù)管理部門及時(shí)發(fā)現(xiàn)和盡早處理,確保道路行車的安全暢通。探地雷達(dá)由主機(jī)、天線和配套軟件等幾部分組成,根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性,發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻脈沖電磁波,當(dāng)其遇到地下不均勻體(界面)時(shí)會(huì)反射一部分電磁波,其反射系數(shù)主要取決于地下介質(zhì)的介電常數(shù),雷達(dá)主機(jī)通過對(duì)此部分的反射波進(jìn)行適時(shí)接收和處理,達(dá)到探測(cè)識(shí)別地下目標(biāo)物的目的,如圖1、圖2所示:
電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的,因此根據(jù)探地雷達(dá)記錄上的地面反射波與地下反射波的時(shí)間差ΔT,即可據(jù)下式算出基層異常的埋藏深度H:
H=V?ΔT/2 (1)
式中,H即為目標(biāo)層厚度;V是電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度,其大小由下式表示:
式中,C是電磁波在大氣中的傳播速度,約為3×108 km/s;ε為相對(duì)介電常數(shù),取決于地下各層構(gòu)成物質(zhì)的介電常數(shù)。
雷達(dá)波反射信號(hào)的振幅與反射系統(tǒng)成正比,在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中,反射系數(shù)可表示為:
式中:ε1、ε2分別為上下介質(zhì)的介電常數(shù)。
由上式可知,反射信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于上、下層介質(zhì)的電性差異,電性差越大,反射信號(hào)越強(qiáng),對(duì)于非磁性介質(zhì),電磁波的反射特性僅與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。城市道路為層狀結(jié)構(gòu),均為非磁性介質(zhì),各層介質(zhì)的介電常數(shù)有明顯的差異,它們之間能形成良好的電磁波反射界面。探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波脈沖向下傳播遇到這些反射界面時(shí),就會(huì)產(chǎn)生發(fā)射。當(dāng)結(jié)構(gòu)層發(fā)生破損(如出現(xiàn)空洞、裂縫、脫空等),在雷達(dá)資料中便會(huì)出現(xiàn)明顯的特征反射,如:脫空時(shí)將產(chǎn)生夾層反射,空洞會(huì)產(chǎn)生繞射等;當(dāng)結(jié)構(gòu)層因透水性問題而使某層含水量增大,或出現(xiàn)軟弱夾層時(shí),介電常數(shù)將明顯增大,在資料中就可以得到高含水性的反射;且探地雷達(dá)具有極高的探測(cè)精度,在道路的結(jié)構(gòu)層劃分、病害檢測(cè)、隱患調(diào)查中具有良好的檢測(cè)效果。
各類巖石、各類土的電磁學(xué)性質(zhì)有了很多的研究和測(cè)定?？諝馐亲匀唤缰须娮杪首畲?、介電常數(shù)最小的介質(zhì),電磁波速最高,衰減最小。水是自然界中介電常數(shù)最大的介質(zhì),電磁波速最低。干燥的巖石、土和混凝土其電磁參數(shù)雖有差異,但差異不大,基本上多數(shù)屬于高阻介質(zhì),介常數(shù)在4～9之間,屬中等波速介質(zhì)。但是由于各類巖土不同的孔隙率和飽水程度,顯現(xiàn)出較大的電磁學(xué)性質(zhì)差異。這些差異表現(xiàn)在介電常數(shù)和電導(dǎo)率方面,決定了不同巖性對(duì)應(yīng)不同的波速和不同的衰減。
二、應(yīng)用實(shí)例
勘察所用儀器為意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS_K2-0型雷達(dá),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,選用400MHz天線工作,具體測(cè)試參數(shù)見表1:
(一)簡介
浙江省某橋建于1988年,全橋長273米,主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁,橋墩為鋼筋混凝土空心墩。
(二)測(cè)線布置與工作量完成情況
沿車輛通行方向南測(cè)引道布置測(cè)線5條,測(cè)線號(hào)分別為:02線、03線、04線、05線、11線;沿紹興路方向北測(cè)引道布置測(cè)線5條,側(cè)線號(hào)分別為:06線、07線、08線、09線、10線,測(cè)線長均為30米。測(cè)線布置示意圖如圖3所示:
工作量完成情況:
縱測(cè)線:10條×30米/條=300米。
(三)勘察結(jié)果分析
所有結(jié)果均在普通模式下查找存在缺陷的位置。進(jìn)行Move to Start處理,并在map_cl_01模式下觀察道路層狀結(jié)構(gòu)的完整性。在map_cl_01模式下路面瀝青面層呈藍(lán)色,墊層呈紅色,基層呈現(xiàn)紅藍(lán)交替的層狀結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象是由于瀝青面層與墊層介電常數(shù)差異較大,且墊層介電常數(shù)大于瀝青面層,反射雷達(dá)波反相且反射強(qiáng)烈。
02～05線:02～06線典型區(qū)段如圖4所示。02～06線不存在明顯的缺陷,圖中可見,地基層厚實(shí),反射強(qiáng)烈,同相軸連續(xù),說明路面下結(jié)構(gòu)狀況良好。
06線:06線位置如圖5所示。06線自起始點(diǎn)12米以后的部分尚在施工,路面未鋪裝。從圖5中可以看到在12米處雷達(dá)圖像出現(xiàn)明顯的跳動(dòng),且同性軸出現(xiàn)錯(cuò)位,與實(shí)際情況符合很好。
07～09線:07～09線位置如圖6所示。07～09線不存在明顯的缺陷,其典型區(qū)段如圖6所示。圖中可見,地基層厚實(shí),反射強(qiáng)烈,同相軸連續(xù),說明路面下結(jié)構(gòu)狀況良好。
10線:10線位置如圖7所示。從圖7中可見,在路面下距起始點(diǎn)7m存在疑似金屬管線物體,物體呈現(xiàn)正相雷達(dá)反射且反射強(qiáng)烈,反射曲線呈近似雙曲線,圖中13.5～16m處0.5～1.5m深處存在似高含水區(qū)。其它位置雷達(dá)探測(cè)圖如圖8的典型區(qū)段。從圖8中可見,同相軸連續(xù),說明路面下結(jié)構(gòu)狀況良好。
三、結(jié)論
根據(jù)以上的雷達(dá)探測(cè)圖像分析并結(jié)合已有的對(duì)垂直于行車方向進(jìn)行探測(cè)所得結(jié)果得出如下結(jié)論:該橋橋臺(tái)后背基本完好,部分存在疑似沉陷、松散、高含水等區(qū)域等缺陷。該探測(cè)結(jié)果與后期鉆孔取樣所得結(jié)果符合很好。因此,本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是成功的。
地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)具有經(jīng)濟(jì),高效,非破壞性等優(yōu)點(diǎn),探測(cè)精度高,分辨率高。在公路橋橋面破損長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面必將有廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
