導(dǎo)言：作為寫(xiě)作愛(ài)好者，不可錯(cuò)過(guò)為您精心挑選的10篇電磁波的實(shí)際應(yīng)用，它們將為您的寫(xiě)作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

《電磁場(chǎng)與電磁波》是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的主干基礎(chǔ)課程，涉及大量的場(chǎng)論和矢量分析方面的數(shù)學(xué)知識(shí)，覆蓋內(nèi)容較廣，且有一定的深度。相對(duì)于應(yīng)用型課程，該課程的理論分析內(nèi)容較多，課程理解需要學(xué)生花費(fèi)較大的精力和時(shí)間，且需要能夠靜下心來(lái)思考電磁場(chǎng)問(wèn)題，因此，對(duì)于工科學(xué)生來(lái)說(shuō)普遍較難理解。然而，該課程講授的知識(shí)、理論和方法，在實(shí)際工程中具有一定的普適性，更容易與工程實(shí)例結(jié)合。以靜態(tài)場(chǎng)為例，靜態(tài)場(chǎng)是不隨時(shí)間變化的場(chǎng)，是時(shí)變場(chǎng)的特例，在靜態(tài)場(chǎng)部分的教學(xué)中主要做電容和互感的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，多導(dǎo)體的部分電容和互感是靜態(tài)場(chǎng)中非常重要的兩個(gè)概念。要求學(xué)生在掌握部分電容和互感的特性及測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用測(cè)試具體參數(shù)，對(duì)比測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果是否相吻合。再如麥克斯韋方程組，看似只是一組毫無(wú)新意、索然無(wú)味的方程，多數(shù)同學(xué)接觸到它都有一定的畏難情緒。但如果將“電磁隱形衣”“左手電磁材料”“磁懸浮”“無(wú)線電力傳輸”等實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合到課程教學(xué)中，課堂氛圍異常活躍，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情大大提高，對(duì)實(shí)際工程實(shí)例的思考更加深入徹底，甚至有學(xué)生在此基礎(chǔ)上開(kāi)始研究電磁理論新的應(yīng)用。

二、課堂教學(xué)與課外科技活動(dòng)結(jié)合

篇2

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）21-0010-02

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，作為通信傳輸技術(shù)基礎(chǔ)的電磁場(chǎng)理論得到越來(lái)越廣泛和深入的研究與應(yīng)用?！半姶艌?chǎng)與電磁波”是電氣、電子信息、通信等工科電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，它是在大學(xué)物理電磁學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究宏觀電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律和分析方法。這不但是為了后續(xù)課程的需要，也是深入理解和分析工程實(shí)際中的電磁問(wèn)題所必需掌握的基本知識(shí)，而且電磁場(chǎng)理論也是微波通信、衛(wèi)星通信、電磁兼容和生物電磁學(xué)等高新技術(shù)的理論基礎(chǔ)及交叉領(lǐng)域新學(xué)科的生長(zhǎng)點(diǎn)。[1，2]所以電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，無(wú)論是從當(dāng)前的學(xué)習(xí)出發(fā)，還是為了拓寬將來(lái)的專(zhuān)業(yè)面，都應(yīng)該重視這門(mén)課程，學(xué)好這門(mén)課程，打好專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)。此外，學(xué)好這門(mén)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思想、科學(xué)分析問(wèn)題的方法、復(fù)雜抽象的思維能力、勇于開(kāi)拓的創(chuàng)新精神等將起著十分重要的作用。[3，4]另外由于獨(dú)立學(xué)院學(xué)生普遍基礎(chǔ)不是很好，并且對(duì)抽象的理論課程的學(xué)習(xí)興趣不大，更加重了獨(dú)立學(xué)院重“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的教學(xué)工作。

一、“電磁場(chǎng)與電磁波”課程特點(diǎn)

1.基礎(chǔ)知識(shí)要求多

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是以大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、電路分析、數(shù)學(xué)物理方程、復(fù)變函數(shù)等為基礎(chǔ)，所涉及的內(nèi)容很廣 。大學(xué)物理中，電磁學(xué)部分內(nèi)容是“電磁場(chǎng)與電磁波”的物理基礎(chǔ)，而矢量分析、特殊函數(shù)等內(nèi)容是學(xué)好“電磁場(chǎng)與電磁波”課程必需的數(shù)學(xué)工具，由于涉及復(fù)雜偏微分和特殊函數(shù)的計(jì)算，難度不小。因此要學(xué)好這門(mén)課程，必須熟練掌握這些基礎(chǔ)課程的相關(guān)概念、理論和運(yùn)算等。同樣對(duì)擔(dān)任本課程教學(xué)的教師提出了較高的要求，即一方面需要有較好的物理、數(shù)學(xué)及電路知識(shí)；另一方面需要有比較全面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。同時(shí)，又需要對(duì)通信工程實(shí)際情況有較廣泛的了解。因此本課程的教學(xué)相對(duì)而言比較不易。

2.數(shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算多

課程涉及大量的物理知識(shí)以及各種數(shù)學(xué)方法，在學(xué)習(xí)過(guò)程中如何處理數(shù)學(xué)與物理的銜接，數(shù)學(xué)方法和物理概念的聯(lián)系以及理論分析與工程應(yīng)用的關(guān)系至關(guān)重要，這也是學(xué)生較難處理的問(wèn)題。

3.抽象的概念多

“電磁場(chǎng)與電磁波”每章內(nèi)容都會(huì)引入一些新的、較難理解的概念、定律。例如散度和旋度是兩個(gè)比較抽象的數(shù)學(xué)概念，學(xué)生們甚至在課程結(jié)束之后仍感到這兩個(gè)概念很抽象，不理解在電磁場(chǎng)與波學(xué)習(xí)中為什么始終與之打交道；靜電場(chǎng)中的自分布電容、互分布電容、廣義力、虛位移等；恒定磁場(chǎng)中的矢量磁位、標(biāo)量磁位；邊值問(wèn)題求解中的鏡像法、分離變量法等。這些新的概念及定律不僅抽象、難理解，而且所涉及的公式通常比較復(fù)雜，計(jì)算起來(lái)難度較大。基于以上特點(diǎn)，對(duì)于“電磁場(chǎng)與電磁波”這門(mén)課程，學(xué)生普遍認(rèn)為“難學(xué)”，教師普遍感到“難教”。

二、“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)存在的問(wèn)題

1.學(xué)習(xí)問(wèn)題

由“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的特點(diǎn)可知課程本身過(guò)于抽象，學(xué)生普遍反映難學(xué)難懂，表現(xiàn)為抽象的純理論和概念多，復(fù)雜的偏微分公式多，計(jì)算求解難度大，而對(duì)老師來(lái)說(shuō)教好這門(mén)課也具有相當(dāng)?shù)碾y度。另外，在學(xué)習(xí)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程過(guò)程中，學(xué)生常常難以將已經(jīng)學(xué)好的數(shù)學(xué)知識(shí)和電磁場(chǎng)內(nèi)容很好地結(jié)合。在學(xué)習(xí)“電磁場(chǎng)與電磁波”之前，學(xué)生一般都具備矢量場(chǎng)論的基本知識(shí)，但是在學(xué)習(xí)“電磁場(chǎng)與電磁波”的過(guò)程中卻難以將所學(xué)知識(shí)與電磁場(chǎng)理論融會(huì)貫通、學(xué)以致用。還有許多學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)起來(lái)備感吃力。

2.教材問(wèn)題

目前絕大多數(shù)教材都只強(qiáng)調(diào)經(jīng)典的理論知識(shí)，缺乏有應(yīng)用背景和緊密跟蹤最新前沿發(fā)展的內(nèi)容，這樣不但導(dǎo)致理論與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，也很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱忱。特別是對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)差的學(xué)生來(lái)說(shuō)，一看到大量的證明和數(shù)學(xué)推導(dǎo)問(wèn)題就失去了信心。

3.缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備

由于資金和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的匱乏，使得大部分高校在“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)中缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，導(dǎo)致無(wú)法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程。這樣原本就十分抽象的課程，完全變成了一門(mén)純理論教學(xué)的課程，也導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)中理論與實(shí)踐的脫節(jié)問(wèn)題。

4.課時(shí)問(wèn)題

隨著這些年的教學(xué)改革，大學(xué)生要求的總學(xué)分略有下降，而開(kāi)設(shè)課程又增多的趨勢(shì)導(dǎo)致“電磁場(chǎng)理論”的教學(xué)課時(shí)被極大壓縮，由以前的80學(xué)時(shí)被壓縮到40學(xué)時(shí)，導(dǎo)致教學(xué)自由度受到了較大的限制。

三、提高“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)質(zhì)量的方法

1.制訂教學(xué)大綱，確定教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)有的“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)，大部分都是一些純理論講解的內(nèi)容，而學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中經(jīng)常問(wèn)學(xué)這門(mén)課有什么用，學(xué)某一章節(jié)有什么用?？词且粋€(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但作為老師一定認(rèn)真思考，給學(xué)生一個(gè)滿意的答案。因?yàn)閺倪@個(gè)問(wèn)題上一方面反映了老師講課不能只是大談理論講解，另一方面也反映了現(xiàn)有教材在實(shí)際應(yīng)用方面的缺陷。對(duì)這個(gè)問(wèn)題回答的好壞直接關(guān)系到同學(xué)們學(xué)習(xí)的效果和興趣?；谝陨显蚝凸P者多年的“電磁場(chǎng)與電磁波”的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，自編內(nèi)部教材講義，此講義最大的特點(diǎn)是以通俗的語(yǔ)言來(lái)講解抽象的概念，以實(shí)際的例題來(lái)幫助理解重點(diǎn)理論，并且在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例。

由于“電磁場(chǎng)與電磁波”理論是人類(lèi)在認(rèn)識(shí)自然規(guī)律和生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)展起來(lái)的，在日常生活、科學(xué)研究和軍事等領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，例如在微波爐、磁懸浮列車(chē)、隱形轟炸機(jī)、移動(dòng)電話中的應(yīng)用等。這些在此講義的每一章的后面都是一個(gè)拓展知識(shí)的介紹，比如在第二章靜態(tài)電磁場(chǎng)的最后一節(jié)中，就針對(duì)磁懸浮列車(chē)和衛(wèi)星電推進(jìn)器做了詳細(xì)講解，提高了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。

2.循序漸進(jìn)的教學(xué)方法

電磁場(chǎng)與電磁波是利用場(chǎng)的觀點(diǎn)來(lái)研究空間某一物理量的確定值問(wèn)題，而矢量分析正是研究此問(wèn)題的重要教學(xué)工具。應(yīng)用矢量分析的方法，可以使電磁場(chǎng)的基本定律、公式以簡(jiǎn)潔的形式表述出來(lái)，且與坐標(biāo)的選擇無(wú)關(guān)。所以先要學(xué)習(xí)一下矢量分析的內(nèi)容，包括矢量運(yùn)算、三種坐標(biāo)系、矢量的散度和旋度等內(nèi)容。以后每個(gè)章節(jié)的教學(xué)，采用從易到難、從靜態(tài)場(chǎng)到時(shí)變場(chǎng)、從電場(chǎng)到磁場(chǎng)再到電磁場(chǎng)、從三維空間到四維空間的循序漸進(jìn)的教學(xué)順序。

首先，從較為容易掌握的靜電磁場(chǎng)開(kāi)始進(jìn)行學(xué)習(xí)，此章節(jié)的教學(xué)應(yīng)詳細(xì)地分析各種情況，其中包含對(duì)基本方程、邊值問(wèn)題等理論的推導(dǎo)以及物理含義的分析，以及靜電能量與力的分析等，而靜磁場(chǎng)的講解一定要和靜電場(chǎng)的知識(shí)進(jìn)行類(lèi)比學(xué)習(xí)。這樣就為時(shí)變電磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)波的傳播、波導(dǎo)等教學(xué)內(nèi)容打下一個(gè)比較好的基礎(chǔ)。后續(xù)各章節(jié)的教學(xué)，也應(yīng)注意與靜電磁場(chǎng)的理論進(jìn)行比較。從靜止電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)到研究運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定電荷產(chǎn)生的恒定電場(chǎng)，然后研究電流引入的恒定磁場(chǎng)，隨后進(jìn)行電磁感應(yīng)以及時(shí)變電磁場(chǎng)分析，并且在時(shí)變電磁場(chǎng)的分析中，推測(cè)電磁波的產(chǎn)生。之后講解均勻平面電磁波在無(wú)界空間的傳播、反射和透射，以及導(dǎo)行電磁波、電磁波輻射等知識(shí)，最后進(jìn)行傳輸線理論的講解。按照逐步深入方式，進(jìn)行知識(shí)的擴(kuò)充，使課程知識(shí)具有連貫性，學(xué)生也比較容易掌握。

3.巧妙使用類(lèi)比方法

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程體系中，小到一個(gè)公式，大到整個(gè)理論框架，都存在著對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系。通過(guò)這些知識(shí)點(diǎn)的類(lèi)比，不僅使學(xué)生學(xué)到了“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的精髓，也使他們體會(huì)到“電磁場(chǎng)與電磁波”課程體系中的對(duì)稱(chēng)美。類(lèi)比包含兩個(gè)方面的類(lèi)比，一是課程、領(lǐng)域之間的橫向類(lèi)比，例如與“大學(xué)物理”相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的類(lèi)比，“電磁場(chǎng)”和“流體力場(chǎng)”、“電磁波”和“機(jī)械橫波”的比較。由于電磁波與機(jī)械波都是橫波，都具有橫波的特性等方面的類(lèi)比，水波的傳播與電磁波能的傳播的類(lèi)比，電磁場(chǎng)與流體力場(chǎng)的類(lèi)比等等，類(lèi)比的教學(xué)策略進(jìn)行更加形象直觀的傳授，啟發(fā)創(chuàng)造性思維。另一個(gè)則是縱向類(lèi)比，譬如該課程本身的靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)和恒定電流場(chǎng)等的對(duì)比。這樣，既拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，也使學(xué)生通過(guò)類(lèi)比對(duì)電磁場(chǎng)波動(dòng)函數(shù)表達(dá)式有了深刻而又直觀的理解。

4.仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

對(duì)于電子信息、通信專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，基本上都會(huì)使用MATLAB軟件，并且場(chǎng)與波的分析往往涉及復(fù)雜的繪圖和大量的計(jì)算，將MATLAB仿真技術(shù)應(yīng)用到“電磁場(chǎng)與電磁波”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，十分有助于將抽象的理論變成容易理解、接受的結(jié)論，這必將有助于“電磁場(chǎng)與電磁波”的課堂教學(xué)。[5]比如，利用MATLAB編寫(xiě)的程序可以繪制三維矢量的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分布圖，給出了均勻平面波、矩形波導(dǎo)的傳輸模和截止模、電流元的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布圖，這將大大提高同學(xué)們的空間想象力和對(duì)這部分知識(shí)的理解能力。

5.適當(dāng)?shù)牧?xí)題練習(xí)

對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的學(xué)習(xí)，不但要有正確的教和學(xué)的方法，還要有適當(dāng)?shù)牧?xí)題練習(xí)。其實(shí)，習(xí)題都是針對(duì)某一知識(shí)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，在同學(xué)們做習(xí)題的過(guò)程中一方面幫助他們理解知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，另一方面也鞏固了課堂老師所講內(nèi)容。

在課堂教學(xué)中，不可能留出時(shí)間讓學(xué)生來(lái)學(xué)習(xí)題，只能有針對(duì)性地來(lái)講解有代表性的例題，做習(xí)題只讓同學(xué)們?cè)谡n下做，讓同學(xué)把遇到的問(wèn)題匯總起來(lái)，在集體答疑的時(shí)間來(lái)給同學(xué)們做詳細(xì)的解答。在講義中不但針對(duì)每一知識(shí)點(diǎn)精心設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例，而且還設(shè)計(jì)了一定量的習(xí)題要求同學(xué)們完成。

此外，習(xí)題不僅僅是計(jì)算，在每一章結(jié)束后給學(xué)生出了一些思考題，讓學(xué)生自己去查找資料來(lái)完成。比如假如存在磁單極子，麥克斯韋方程的形式是什么樣的？

四、總結(jié)

本文是筆者多年來(lái)在“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)中的一點(diǎn)體會(huì)，本課程涉及的基礎(chǔ)知識(shí)比較多，對(duì)教師的專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)的要求較高，同時(shí)需要教師密切結(jié)合本校學(xué)生的基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、課時(shí)、教學(xué)大綱的制訂等實(shí)際情況進(jìn)行分析。教學(xué)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要周密思考、認(rèn)真?zhèn)湔n，注意平時(shí)在科研項(xiàng)目中隨時(shí)積累，在教學(xué)中隨時(shí)涉獵其他專(zhuān)業(yè)的知識(shí)。教師的視野開(kāi)闊了，學(xué)生才能在電磁場(chǎng)領(lǐng)域的思維角度開(kāi)闊一些，能夠掌握宏觀電磁場(chǎng)與電磁波的基本性質(zhì)及基本規(guī)律，培養(yǎng)他們的抽象思維能力，分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]田雨波， 張貞凱.“電磁場(chǎng)理論”教學(xué)改革初探[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（1）：11-12.

[2]王家禮，朱滿座，路宏敏.電磁場(chǎng)與電磁波[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

篇3

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）06-0042-02

“電磁場(chǎng)與電磁波”作為光電信息類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠運(yùn)用場(chǎng)的觀點(diǎn)分析有關(guān)問(wèn)題，完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高專(zhuān)業(yè)水平，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)[1]。然而“電磁場(chǎng)與電磁波”卻是公認(rèn)的難學(xué)、難教的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一[2]。而且，南京郵電大學(xué)許多專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了“光波導(dǎo)理論與技術(shù)”、“光纖通信原理與系統(tǒng)”以及“光纖傳輸技術(shù)”等與電磁場(chǎng)與電磁波密切相關(guān)的專(zhuān)業(yè)課程，對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”的教學(xué)提出了更高的要求。

一、“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)現(xiàn)狀

1.內(nèi)容多，課時(shí)少，缺乏更新。為了適應(yīng)專(zhuān)業(yè)的發(fā)展和拓寬學(xué)生的知識(shí)面，相應(yīng)地增加了與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的課程，導(dǎo)致“電磁場(chǎng)與電磁波”課時(shí)減少?！半姶艌?chǎng)與電磁波”的教材大都是面向電子信息類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)，且專(zhuān)業(yè)課不斷追蹤學(xué)科發(fā)展前沿，而作為基礎(chǔ)課的“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)內(nèi)容得不到及時(shí)調(diào)整與擴(kuò)充。

2.知識(shí)面寬，理論性強(qiáng)，概念抽象。課程中重要原理、定理和公式比較多，需要許多數(shù)學(xué)、物理知識(shí)。且課程中許多物理場(chǎng)的數(shù)學(xué)描述，大多需要嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。另外，電磁場(chǎng)是一種抽象的物質(zhì)存在形式，課程中的概念比較抽象。

3.純理論教學(xué)，缺乏實(shí)踐與應(yīng)用。大多數(shù)開(kāi)設(shè)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的院校由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，只進(jìn)行純理論的教學(xué)，造成理論與實(shí)踐、應(yīng)用脫節(jié)。

4.考核方式陳舊。目前的考核方式基本上還是以考試為主、平時(shí)成績(jī)?yōu)檩o的考評(píng)機(jī)制。平時(shí)成績(jī)主要包括作業(yè)和出勤。但作業(yè)存在抄襲現(xiàn)象，出勤由于時(shí)間問(wèn)題也只能抽檢。造成平時(shí)成績(jī)的考核會(huì)出現(xiàn)比較大的偏差。

二、提高教學(xué)質(zhì)量的新方法

1.教學(xué)內(nèi)容。①合理調(diào)整適合光電信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)內(nèi)容。光電信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了“光波導(dǎo)理論與技術(shù)”、“光纖通信原理與系統(tǒng)”以及“光纖傳輸技術(shù)”等專(zhuān)業(yè)課程，與這些專(zhuān)業(yè)課程相關(guān)的“電磁場(chǎng)與電磁波”內(nèi)容有時(shí)變電磁場(chǎng)與電磁波傳播、導(dǎo)行電磁波、電磁波傳播模式、色散等，應(yīng)重點(diǎn)掌握這部分內(nèi)容，因此在學(xué)時(shí)的分配上，應(yīng)增加這部分知識(shí)的講授時(shí)間。而均勻平面電磁波的傳播是電磁波傳播部分的基礎(chǔ)，因而，也應(yīng)詳細(xì)講解與闡述。為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)有關(guān)專(zhuān)業(yè)課程，在講授導(dǎo)行電磁波這部分內(nèi)容時(shí)，可以穿插一些與其緊密相關(guān)的光波導(dǎo)方面的內(nèi)容。②緊密跟蹤學(xué)科發(fā)展前沿動(dòng)態(tài)。為了保證教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，“電磁場(chǎng)與電磁波”的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)緊密跟蹤學(xué)科前沿的發(fā)展動(dòng)態(tài)。只有這樣，教學(xué)內(nèi)容才不至于陳舊，落后于當(dāng)前學(xué)科的發(fā)展，才能不斷向前發(fā)展。近年來(lái)，隨著未來(lái)寬帶光網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和融合，高容量信息技術(shù)需求的高速發(fā)展，出現(xiàn)了微波光子技術(shù)。微波光子技術(shù)集中了微波技術(shù)和光子技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使微波與光子在概念、器件、電路和系統(tǒng)等方面有機(jī)結(jié)合。當(dāng)前，微波光子技術(shù)非常重要，發(fā)展也很迅速。因而，有必要在“電磁場(chǎng)與電磁波”的教學(xué)過(guò)程中，適當(dāng)補(bǔ)充一些與“電磁場(chǎng)與電磁波”教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的微波光子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容與前沿動(dòng)態(tài)，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)與研究興趣，同時(shí)，還能夠培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展需要的新時(shí)代的學(xué)生。

2.教學(xué)方法。①理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相互交叉教學(xué)。學(xué)生往往對(duì)知識(shí)的應(yīng)用比較感興趣，因而，在理論教學(xué)中應(yīng)緊密聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用。一開(kāi)始就要在緒論中介紹電磁波在電力工業(yè)、移動(dòng)通信、射頻識(shí)別、衛(wèi)星通信、雷達(dá)探測(cè)、隱身技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，提高學(xué)生對(duì)這門(mén)課的興趣。除此之外，還應(yīng)在理論教學(xué)過(guò)程中，緊密地穿插一些具體的應(yīng)用，特別是一些比較新的科技前沿的應(yīng)用。這樣可調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可豐富學(xué)生的科技知識(shí)，從而提高學(xué)習(xí)與教學(xué)效果。②適當(dāng)借鑒研究性教學(xué)。雖然教學(xué)手段在技術(shù)上不斷更新，卻仍然無(wú)法擺脫單純由教師講授的教學(xué)模式。而研究性教學(xué)是一種新的教學(xué)模式，它要求引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神[3]。適當(dāng)在“電磁場(chǎng)與電磁波”中應(yīng)用研究性教學(xué)方法，設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的研究型課題，引導(dǎo)學(xué)生在課堂上進(jìn)行思考和討論。也可以讓學(xué)生以分組的形式，課后利用網(wǎng)絡(luò)資源，尤其是圖書(shū)館的電子數(shù)據(jù)庫(kù)資源對(duì)研究性課題進(jìn)行研究。一方面可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和進(jìn)行綜合運(yùn)用的能力，提高學(xué)習(xí)效果；另一方面，可讓學(xué)生獲得研究的經(jīng)歷，為學(xué)生以后的工作和進(jìn)一步深造奠定基礎(chǔ)。③適當(dāng)安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)?！半姶艌?chǎng)與電磁波”課程在大部分院校中主要進(jìn)行理論教學(xué)，使學(xué)生感覺(jué)枯燥無(wú)味。為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣，可適當(dāng)安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在沒(méi)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的情況下，也可以利用Matlab等軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。Matlab擁有大量的二維、三維圖形函數(shù)以及豐富的圖形表現(xiàn)功能。利用Matlab可繪制電偶極子和同軸電纜線電場(chǎng)線、等勢(shì)線等。也可以進(jìn)行均勻平面電磁波、球面電磁波在自由空間傳播過(guò)程仿真，矩形波導(dǎo)的場(chǎng)量分布仿真等。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，能夠幫助學(xué)生理解抽象的物理內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的興趣，同時(shí)也能夠加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，鍛煉學(xué)生觀察和分析問(wèn)題的能力，從而培養(yǎng)他們的初步科研能力。④現(xiàn)代教學(xué)方法和傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合。在“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的教學(xué)中需要綜合利用多媒體和傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)手段。充分利用多媒體的強(qiáng)大圖形、動(dòng)畫(huà)功能，可把抽象的內(nèi)含的物理過(guò)程充分演示出來(lái)，有效地幫助學(xué)生透徹理解物理本質(zhì)并有效掌握所學(xué)內(nèi)容。另外，由于“電磁場(chǎng)與電磁波”課程具有較多的公式與定理，不僅要知道公式與定理本身的內(nèi)容，更應(yīng)知道公式的來(lái)龍去脈。而且，在公式的反復(fù)推導(dǎo)過(guò)程中，可達(dá)到復(fù)習(xí)的效果，牢固掌握以前所學(xué)的知識(shí)。公式的推導(dǎo)過(guò)程如果還利用多媒體，很容易使學(xué)生感覺(jué)枯燥無(wú)味、產(chǎn)生疲勞，而板書(shū)則可使推導(dǎo)過(guò)程達(dá)到最佳效果。

3.考核方式。適當(dāng)增加筆試以外的成績(jī)。可以課堂設(shè)置一些基本問(wèn)題，讓學(xué)生課后思考與復(fù)習(xí)，然后通過(guò)抽查的方式以督促學(xué)生學(xué)習(xí)。也可以針對(duì)不同的學(xué)生設(shè)置不同的問(wèn)題。對(duì)學(xué)生不定時(shí)進(jìn)行隨堂小測(cè)試，以消除因作業(yè)存在抄襲帶來(lái)成績(jī)?cè)u(píng)定的偏差。另外還可以適當(dāng)布置Matlab仿真小實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)考察學(xué)生的Matlab仿真。通過(guò)增加筆試以外的成績(jī)?cè)u(píng)定，這樣可較真實(shí)地考察出學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論的掌握情況以及解決實(shí)際問(wèn)題的能力，也可提高學(xué)生的積極性，杜絕個(gè)別學(xué)生想通過(guò)抄襲蒙混過(guò)關(guān)的現(xiàn)象。

為提高光電信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的教學(xué)質(zhì)量，不僅要求教師在教學(xué)中不斷探索新的教學(xué)方法以激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且要求教師本身還要不斷地提高自己的業(yè)務(wù)水平，特別是科研水平。只有這樣，才能不斷提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)適合社會(huì)需要的新型人才。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類(lèi)號(hào)：U675.74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）03-0139-02

引言

雷達(dá)既是艦船日常航行中定位、導(dǎo)航和避碰的主要設(shè)備，又是艦艇海上作戰(zhàn)時(shí)搜索警戒、火炮控制和導(dǎo)彈制導(dǎo)的重要裝備，因此作戰(zhàn)艦艇根據(jù)不同的任務(wù)和使命裝備有十幾種甚至幾十種雷達(dá)，這些雷達(dá)的作用距離對(duì)艦船的航行安全有一定的影響，同時(shí)對(duì)艦艇的作戰(zhàn)效能也有制約作用。雷達(dá)的作用距離除了與雷達(dá)本身戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能、天線高度、目標(biāo)高度、目標(biāo)反射電磁波的性能等條件有關(guān)外，還與傳輸電磁波的大氣狀況密切相關(guān)。對(duì)于處于海面上的艦載雷達(dá)而言，大氣對(duì)電磁波的吸收衰減作用使雷達(dá)的作用距離減??；大氣對(duì)電磁波的折射作用，會(huì)出現(xiàn)負(fù)折射和超折射等異常折射現(xiàn)象，其中次折射也會(huì)使雷達(dá)的作用距離減小，而超折射則會(huì)使雷達(dá)的作用距離增大。特別是當(dāng)超折射嚴(yán)重而出現(xiàn)波導(dǎo)現(xiàn)象時(shí)，雷達(dá)的作用距離將成倍地增大，實(shí)現(xiàn)所謂超視距探測(cè)。這種現(xiàn)象在我國(guó)沿海的各海區(qū)都經(jīng)常出現(xiàn)，如在黃海北部活動(dòng)的艦船，有時(shí)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離會(huì)比正常情況增大2～3倍。同樣，這種電磁波超視距傳播現(xiàn)象在世界各地海域都存在，尤其是在中東一帶更是頻繁地出現(xiàn)。由此可見(jiàn)，氣象因素對(duì)雷達(dá)作用距離的影響程度是很大的，如果能夠準(zhǔn)確掌握氣象因素對(duì)雷達(dá)作用距離的影響規(guī)律，將有利的條件加以充分地利用，對(duì)艦船的軍事行動(dòng)具有重要的意義。

1 氣象因素對(duì)大氣折射的影響

1.1大氣折射的類(lèi)型及其存在條件

通常，對(duì)流層中空氣的折射率不為1，在地面附近其值一般在1.00025～1.00045之間變化。對(duì)于頻率在1～100GHz范圍內(nèi)的電磁波，大氣折射率n或折射指數(shù)N可表示為大氣溫度T（單位：K）、大氣壓力P（單位：hPa）和水氣壓e（單位：hPa）之間的函數(shù)[1]：

（1）

當(dāng)電磁波傳播距離很短時(shí)，可近似認(rèn)為地球表面為平面，但若傳播距離較長(zhǎng)時(shí)，就必須考慮地球曲率的影響，為了將地球處理成平面，通常使用進(jìn)行了地球曲率訂正的大氣修正折射率m和大氣修正折射指數(shù)M，其表達(dá)式為

（2）

式中：R= 6.371×106m為平均地球半徑，h為地表以上高度（單位：m）。式（2）可簡(jiǎn)化為：

（3）

由于大氣層大氣分布的不均勻性，上下大氣層的折射率不同，因而電磁波通過(guò)不同折射率的大氣層時(shí)將產(chǎn)生折射，折射的程度和方向?qū)⑷Q于大氣層折射率垂直梯度的大小和正負(fù)。大氣折射指數(shù)隨高度變化的垂直梯度可通過(guò)折射率對(duì)高度求導(dǎo)得到，即將式（1）、（2）各物理量對(duì)高度求導(dǎo)：

（4）

（5）

式中：分別為大氣壓力、大氣溫度、水氣壓隨高度變化的垂直梯度。

當(dāng)大氣折射指數(shù)垂直梯度dN/dh>0時(shí)，電磁波的傳輸軌跡將背著地球向上彎曲，此時(shí)的大氣為負(fù)折射；當(dāng)dN/dh=0時(shí)，電磁波的傳輸軌跡不發(fā)生彎曲而沿直線傳播，此時(shí)的大氣為零折射；當(dāng)dN/dh

1.2異常大氣折射的形成規(guī)律

由式（4）可知，大氣折射指數(shù)垂直梯度與大氣溫度、壓力、濕度的垂直梯度相關(guān)，其中水氣壓梯度前的系數(shù)最大，因而對(duì)大氣折射指數(shù)垂直梯度的影響最大，大氣溫度梯度的影響次之，大氣壓力梯度的影響最小。因此在分析氣象要素對(duì)大氣折射的影響程度時(shí)，可先考慮水氣壓梯度的變化，其次考慮大氣溫度梯度的變化，至于大氣壓力梯度的影響可忽略不計(jì)。

在海洋環(huán)境中[2]，一般情況下在大氣較穩(wěn)定的晴好天氣里，此時(shí)大氣往往有一個(gè)比較穩(wěn)定的逆溫層，并且大氣濕度隨高度遞減，容易出現(xiàn)超折射或波導(dǎo)現(xiàn)象。典型的天氣有：

（1）在晴朗無(wú)風(fēng)的天氣背景下，海面夜間輻射降溫，形成一個(gè)近地層的輻射逆溫層。

（2）干暖氣團(tuán)從陸地平移到濕冷的海面上空時(shí)，形成近地層大氣溫度下冷上暖，濕度下濕上干的狀況。

（3）雨后造成近地層下層大氣又冷又濕的情況。

（4）夏季海面水汽蒸發(fā)，使海面上很小高度范圍內(nèi)的大氣濕度隨高度銳減。

只有當(dāng)大氣溫度隨高度迅速下降或大氣濕度隨高度遞增時(shí)，才能夠形成負(fù)折射現(xiàn)象。負(fù)折射一般發(fā)生在高緯度寒冷的陸地和冰山附近，當(dāng)有冷濕氣團(tuán)移到溫暖的海面上空時(shí)候。

2 大氣折射對(duì)雷達(dá)作用距離的影響

當(dāng)電磁波在無(wú)折射的大氣中傳播時(shí)，其路徑為一直線，此時(shí)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離受地球曲率的影響，其大小為[3]：

（6）

式中：R為地球平均半徑；h、H分別為雷達(dá)天線和目標(biāo)的高度。

由于受大氣折射的影響，電磁波的實(shí)際傳播路徑為一彎曲的曲線，采用修正地球半徑的方法對(duì)式（6）進(jìn)行修正，即把在地球上成曲線傳播的射線轉(zhuǎn)化為在另一假定半徑為Re（ Re稱(chēng)為等效地球半徑）的地球上成直線傳播，則在一般大氣條件下雷達(dá)的目標(biāo)能見(jiàn)距離公式為：

（7）

等效地球半徑Re與地球平均半徑R的關(guān)系[4]，可以通過(guò)二者與電磁波傳播路徑曲率半徑ρ、大氣折射率垂直梯度、電磁波發(fā)射仰角θ等之間的關(guān)系推出：

（8）

設(shè)稱(chēng)為等效地球半徑系數(shù)。則，式（7）變?yōu)椋?/p>

（9）

3 雷達(dá)作用距離的預(yù)測(cè)方法

充分利用我國(guó)在沿海主要港灣都設(shè)有氣象觀測(cè)站和雷達(dá)站這個(gè)有利條件，長(zhǎng)期系統(tǒng)地觀測(cè)海上來(lái)往艦船及當(dāng)時(shí)的氣象條件，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行登記、積累和整理，統(tǒng)計(jì)分析各種氣象條件下等效地球半徑系數(shù)K和雷達(dá)探測(cè)距離的變化規(guī)律。

3.1 等效地球半徑系數(shù)K

測(cè)量大氣折射率梯度的方法很多。由于大氣折射率是大氣溫度、氣壓和濕度的函數(shù)，采用系留探測(cè)儀器和無(wú)線電探空技術(shù)測(cè)量大氣溫度、氣壓和濕度的垂直變化后可間接得到大氣折射率梯度。也可以通過(guò)微波折射率儀直接測(cè)得。前一種方法主要適用于高度較高的中低空情況；而對(duì)于貼近海面的情況，由于高度較低探空儀的滯后性及測(cè)量誤差達(dá)不到精度要求，因此只能采用體積小、精度高、響應(yīng)速度快、采樣率和自動(dòng)化程度高的微波折射率儀直接測(cè)量大氣折射率。

微波折射率儀的工作原理是測(cè)量通過(guò)腔體的空氣折射指數(shù)的變化δn引起的諧振頻f 的變化δf[5]，腔體是兩端局部開(kāi)口的圓柱形諧振腔體，能保證氣流自由通過(guò)。微波折射率儀通過(guò)測(cè)量這一頻率變化量得到空氣折射指數(shù)。測(cè)量時(shí)，微波折射率儀需做勻速升降運(yùn)動(dòng)（升降速度約為0.1m/s）以測(cè)量不同高度上的大氣折射率。此種方法對(duì)于高度在海面上30m范圍內(nèi)的氣象要素觀測(cè)尤為合適，且適用于氣象臺(tái)、海洋調(diào)查船或艦載直升機(jī)上使用。

為全面系統(tǒng)地積累相關(guān)資料，氣象臺(tái)需每天定時(shí)多次進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)測(cè)出的大氣折射率梯度dn/df計(jì)算出相應(yīng)的K值，將長(zhǎng)期觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出其隨地理環(huán)境、季節(jié)、時(shí)間、氣象條件等因素的變化規(guī)律。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)氣象臺(tái)當(dāng)天的實(shí)測(cè)結(jié)果，算出等效地球半徑系數(shù)K值，再結(jié)合天氣的變化趨勢(shì)和K值變化規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行修正，最后用（9）式計(jì)算出雷達(dá)能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離。

3.2經(jīng)驗(yàn)公式

由雷達(dá)站長(zhǎng)期系統(tǒng)地實(shí)際觀測(cè)海上往來(lái)艦船，并按月、日、時(shí)和艦船類(lèi)型、氣象等情況，將獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)加以整理，從而得出雷達(dá)在該海區(qū)作用距離隨季節(jié)、月、日、時(shí)變化的規(guī)律，并根據(jù)實(shí)測(cè)的雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)雷達(dá)能見(jiàn)距理論計(jì)算公式加以修正，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，等效地球半徑系數(shù)K=4/3，將此值和地球平均半徑值代入，得到雷達(dá)能見(jiàn)距公式：

（10）

受氣象因素的影響，實(shí)際觀測(cè)的雷達(dá)作用距離與式（10）計(jì)算的結(jié)果有出入，可以用加修正量K′的方法對(duì)式（10）進(jìn)行修正。即：

（11）

系數(shù)K′隨季節(jié)和天氣的變化而變化，它是根據(jù)該海區(qū)實(shí)際觀測(cè)統(tǒng)計(jì)的中位值計(jì)算而得。表1是根據(jù)某年我們?cè)谀澈^(qū)連續(xù)21個(gè)月觀測(cè)的3405個(gè)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析后，得出的該海區(qū)各月雷達(dá)發(fā)現(xiàn)距離修正系數(shù)K′。

由于K′值是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還應(yīng)該根據(jù)當(dāng)時(shí)的氣象條件進(jìn)一步分析和修正。如果在各海區(qū)都能堅(jiān)持長(zhǎng)期不間斷地測(cè)定、積累各種氣象條件下的K′值，將結(jié)果存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)當(dāng)時(shí)的季節(jié)、日期、時(shí)間以及氣象條件等，由計(jì)算機(jī)得出相應(yīng)的K′值通報(bào)艦艇，將更加有利于實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)的作用距離是艦艇海上作戰(zhàn)時(shí)的重要指標(biāo)，掌握不同海區(qū)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的距離規(guī)律，并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出可能的目標(biāo)能見(jiàn)距離，在軍事上具有重要的意義。例如，在艦艇實(shí)施導(dǎo)彈攻擊時(shí)，既要求在盡可能遠(yuǎn)的距離上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并實(shí)施攻擊，又不能使雷達(dá)過(guò)早開(kāi)機(jī)而暴露自己。此時(shí)預(yù)測(cè)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離就顯得尤為重要，將直接影響到作戰(zhàn)的成效。因此世界各國(guó)對(duì)雷達(dá)能見(jiàn)距離的預(yù)報(bào)都非常重視。早在20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)就明確規(guī)定，海戰(zhàn)中氣象部門(mén)要為艦艇部隊(duì)提供海上雷達(dá)能見(jiàn)距離的預(yù)報(bào)。我們也應(yīng)該充分重視并系統(tǒng)研究氣象因素對(duì)雷達(dá)作用距離的影響，進(jìn)一步建立和完善氣象和雷達(dá)觀測(cè)體系，形成數(shù)據(jù)收集積累、統(tǒng)計(jì)、總結(jié)和預(yù)報(bào)制度，使艦艇在雷達(dá)使用中做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，提高作戰(zhàn)效能。本文對(duì)氣象因素對(duì)雷達(dá)作用距離的影響及其預(yù)測(cè)方法的分析研究還處于初級(jí)階段，有待于今后進(jìn)一步的深入研究。

參考文獻(xiàn)

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篇5

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是電子信息類(lèi)本科各專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)核心基礎(chǔ)課。學(xué)好這門(mén)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思想、科學(xué)分析問(wèn)題的方法、復(fù)雜抽象的思維能力、勇于開(kāi)拓的創(chuàng)新精神等將起著十分重要的作用，并且引導(dǎo)學(xué)生思考學(xué)習(xí)麥克斯韋方程組過(guò)程中的科學(xué)方法論-對(duì)稱(chēng)性思想，這對(duì)他們?nèi)蘸蠊ぷ鲗?shí)踐具有強(qiáng)大的指導(dǎo)性意義。

一、“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)現(xiàn)狀

由于電磁現(xiàn)象比較復(fù)雜和抽象，研究它需要的數(shù)學(xué)工具多且難，教學(xué)過(guò)程中感到困難，特別是利用理論解題和實(shí)際應(yīng)用更覺(jué)得難。

1.在學(xué)習(xí)中存在的狀況

一是推導(dǎo)和計(jì)算難。課程中所涉及的公式多、表達(dá)式復(fù)雜、數(shù)學(xué)要求強(qiáng)。再推導(dǎo)中運(yùn)用到矢量運(yùn)算、微積分方程以及復(fù)數(shù)運(yùn)算，過(guò)程繁雜，往往顧此失彼，學(xué)習(xí)吃力。二是概念抽象。該課程理論性強(qiáng)，概念抽象，對(duì)一些定理及概念，比如說(shuō)惟一性定律、內(nèi)自感、外自感等等概念難理解，物理概念不熟悉，學(xué)習(xí)難度大。三是解題困難。很多學(xué)生反應(yīng)上課認(rèn)真聽(tīng)講，下課花大量時(shí)間推導(dǎo)公式，可遇到習(xí)題又像到另外一個(gè)世界，完全無(wú)從下手。長(zhǎng)此以往，失去學(xué)習(xí)的興趣。

2.在教學(xué)過(guò)程中存在的狀況

第一，電磁場(chǎng)與電磁波課程涉及大量的公式推導(dǎo)，部分教師尤其是青年教師往往注重?cái)?shù)學(xué)計(jì)算，而忽略了其物理意義，容易使該課程失去其意義。第二，課程系統(tǒng)性強(qiáng)，注重介紹其理論基礎(chǔ)知識(shí)，忽略與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，容易讓學(xué)生產(chǎn)生“學(xué)習(xí)這門(mén)課有何用”的疑惑，不能調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

基于以上特點(diǎn)，對(duì)于電磁場(chǎng)與電磁波這門(mén)課，學(xué)生普遍認(rèn)為“難學(xué)”，教師普遍感到“難教”。

二、教學(xué)方法的探討

1.理論聯(lián)系實(shí)際，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性

電磁場(chǎng)與電磁波以三大實(shí)驗(yàn)定律(庫(kù)侖定律、安培定律和法拉第電磁感應(yīng)定律)和兩個(gè)基本假說(shuō)(有旋電場(chǎng)的假說(shuō)和位移電流的假說(shuō))為基礎(chǔ)，歸納總結(jié)出宏觀電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律―麥克斯韋方程組，然后再?gòu)柠溈怂鬼f方程組（即時(shí)變場(chǎng)）出發(fā)，回顧靜態(tài)場(chǎng)，這時(shí)我們可以把靜態(tài)場(chǎng)歸結(jié)為時(shí)變場(chǎng)的一種特殊情況，用麥克斯韋方程組和其輔助方程來(lái)解決我們所遇到的具體的電磁問(wèn)題。這樣就使我們電磁場(chǎng)與電磁波這門(mén)課的內(nèi)容簡(jiǎn)化為對(duì)麥克斯韋方程組的理解和應(yīng)用，學(xué)起來(lái)也就簡(jiǎn)單容易，更有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在強(qiáng)調(diào)對(duì)概念的理解上，應(yīng)該增加與實(shí)際相聯(lián)系的內(nèi)容和問(wèn)題，用課本的理論來(lái)解釋日程生活中的事例，以調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

比如在講解靜態(tài)場(chǎng)時(shí)，由電磁學(xué)的庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)定律和安培定律分別引出靜電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)的概念，并掌握靜態(tài)場(chǎng)的方程及其物理意義，并介紹靜電場(chǎng)的最常見(jiàn)的一個(gè)應(yīng)用就是帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，像控制電子或是質(zhì)子的軌跡。很多裝置，例如陰極射線示波器、回旋加速器、噴墨打印機(jī)以及速度選擇器等都是基于這一原理的。隨著學(xué)生對(duì)靜態(tài)場(chǎng)的逐漸了解，問(wèn)題也就解決了。在介紹時(shí)變場(chǎng)時(shí)，重點(diǎn)放在麥克斯韋方程組及其物理意義上，引導(dǎo)學(xué)生從該方程組出發(fā)，推導(dǎo)出波動(dòng)方程、邊界條件等方程。又比如，在學(xué)習(xí)均勻平面波的傳播時(shí)，應(yīng)該幫助學(xué)生建立起電磁波的概念，并對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中遇到的電磁波傳播問(wèn)題進(jìn)行討論，再向?qū)W生提出幾個(gè)應(yīng)用問(wèn)題：為什么海水中需要用長(zhǎng)波通信？防輻射孕婦裝為什么能起到防輻射作用？為什么在微波爐加熱不能用金屬托盤(pán)？收音機(jī)和電視的天線架設(shè)為什么不同？為什么隱形飛機(jī)雷達(dá)探測(cè)不到？等等，引導(dǎo)學(xué)生去尋找電磁波的應(yīng)用，在工程實(shí)踐、科學(xué)研究、日常生活，乃至現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中都能找到電磁場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)例。通過(guò)這部分理論知識(shí)的講授，學(xué)生對(duì)這些問(wèn)題有了較深的認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)發(fā)現(xiàn)提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程，學(xué)生對(duì)本課程的興趣越來(lái)越濃厚，學(xué)習(xí)目的也非常明確了。

2.板書(shū)與現(xiàn)代教學(xué)手段相結(jié)合

多媒體計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)以其豐富的媒體表現(xiàn)形式、強(qiáng)大的教學(xué)交互功能和方便自由的自主性學(xué)習(xí)特性，對(duì)于提高學(xué)生的知識(shí)水平、培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維有著傳統(tǒng)教學(xué)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。但運(yùn)用多媒體進(jìn)行教學(xué)不能完全拋棄傳統(tǒng)板書(shū)，尤其是“電磁場(chǎng)與電磁波”課程公式多，推導(dǎo)復(fù)雜，兩者應(yīng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，并把多媒體教學(xué)作為一種輔助教學(xué)手段。當(dāng)進(jìn)行公式的推導(dǎo)與分析時(shí)，應(yīng)采用板書(shū)為主要方式，學(xué)生容易對(duì)復(fù)雜公式理解和接受，同時(shí)又引導(dǎo)思路，而不是一頁(yè)幻燈片過(guò)去，學(xué)生不知道講解了什么。但在介紹一些抽象的概念時(shí)，利用多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)制作的CAI課件相結(jié)合，把復(fù)雜抽象的內(nèi)容用生動(dòng)形象的方式表達(dá)出來(lái)，圖文并茂，形象直觀，可以幫助學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。

下面以介紹波導(dǎo)的場(chǎng)結(jié)構(gòu)教學(xué)為例，教師可以在教學(xué)過(guò)程中插入波導(dǎo)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)畫(huà)效果，其截圖如圖1，通過(guò)動(dòng)畫(huà)效果演示不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)波導(dǎo)的積極性和主動(dòng)性，而且能夠鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生的好奇心、求知欲、想象力、創(chuàng)新欲望和探索精神。

圖1 波導(dǎo)的場(chǎng)結(jié)構(gòu)

3.梳理知識(shí)系統(tǒng)，學(xué)會(huì)舉一反三

電磁場(chǎng)與電磁波解題困難，其主要原因是其求解過(guò)程不僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，更主要是一個(gè)物理問(wèn)題。只有把其中內(nèi)含的物理過(guò)程分析明白，運(yùn)用好數(shù)學(xué)知識(shí)，才能充分理解問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，找到正確的求解方法。對(duì)于大三學(xué)生來(lái)說(shuō)，有必要增加對(duì)前面相關(guān)內(nèi)容的回顧，如矢量的通量、環(huán)量及矢量運(yùn)算等。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，要加強(qiáng)前面知識(shí)的回顧和應(yīng)用，比如介紹動(dòng)態(tài)位函數(shù)時(shí)，先回顧靜態(tài)場(chǎng)中位函數(shù)的引入、位函數(shù)滿足的方程、以及位函數(shù)的定義表達(dá)式以及應(yīng)用，進(jìn)而推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)位以及滯后位的相關(guān)理論，有利于學(xué)習(xí)的連貫性。又例如在介紹平面波時(shí)，結(jié)合波動(dòng)方程分析平面波的傳播、入射和反射等波動(dòng)特性等等。鼓勵(lì)學(xué)生在做具體的題目時(shí)，做完后反思這題所涉及的知識(shí)及能力要求符合教學(xué)大綱的哪一部分內(nèi)容，跳出題海戰(zhàn)術(shù)，學(xué)會(huì)舉一反三，更有助于加深學(xué)生對(duì)于電磁場(chǎng)與電磁波的認(rèn)識(shí)。

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程難學(xué)難教，而掌握本課程的理論基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)電子信息工程與通信工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)又非常重要。我們將進(jìn)一步合理運(yùn)用新的教學(xué)手段，提高教學(xué)質(zhì)量，在理論教學(xué)中注意結(jié)合具體的應(yīng)用問(wèn)題講述，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極思考。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫玉發(fā)，尹成友，郭業(yè)才等.電磁場(chǎng)與電磁波[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2006

篇6

0 引言

“電磁場(chǎng)與電磁波”是通信工程專(zhuān)業(yè)、電子工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)專(zhuān)業(yè)主干課，因?yàn)榇蠖嚯娮有畔⒌膫鞑ザ际峭ㄟ^(guò)電磁場(chǎng)和電磁波來(lái)傳遞的，所以電磁波技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于通信技術(shù)、廣播電播、電視技術(shù)、雷達(dá)測(cè)試技術(shù)、遙測(cè)遙控監(jiān)測(cè)技術(shù)等眾多領(lǐng)域中，同時(shí)信息安全技術(shù)問(wèn)題、電磁兼容、電子對(duì)抗和電磁屏蔽等技術(shù)問(wèn)題的研究也必須依賴于電磁場(chǎng)理論。一些重要的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明都是以電磁場(chǎng)理論的研究為基礎(chǔ)的，如指南針、電話、電報(bào)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等，特別是無(wú)線電技術(shù)，完全是在電磁場(chǎng)理論研究的基礎(chǔ)上發(fā)明、發(fā)展起來(lái)的。而且，隨著我國(guó)信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)在通信工程專(zhuān)業(yè)、信息工程專(zhuān)業(yè)、信息對(duì)抗專(zhuān)業(yè)和信息安全專(zhuān)業(yè)等人才的培養(yǎng)過(guò)程中顯得尤為重要。

1 現(xiàn)狀

“電磁場(chǎng)與電磁波”的主要內(nèi)容包括：矢量分析、靜態(tài)場(chǎng)分析、動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)的概念、原理、分析方法和相關(guān)應(yīng)用，電磁波在無(wú)界空間中的傳播，電磁波在有界空間中的傳播，這是是一門(mén)難度系數(shù)較大的課程，與前期相關(guān)課程聯(lián)系緊密，如求解場(chǎng)的大小和方向時(shí)涉及到高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理學(xué)的知識(shí)，同時(shí)還要求學(xué)生具有一定的空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力?？偟膩?lái)說(shuō)來(lái)說(shuō)其難點(diǎn)主要體現(xiàn)在要求學(xué)生具有較高的空間想象力和較強(qiáng)的數(shù)學(xué)計(jì)算能力。

1.1 學(xué)習(xí)中的問(wèn)題

學(xué)生在學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在兩方面：一是，推導(dǎo)和計(jì)算難，課程中所涉及的公式多、表達(dá)式復(fù)雜、數(shù)學(xué)要求強(qiáng)。如果再在推導(dǎo)中運(yùn)用到矢量運(yùn)算、微積分方程以及復(fù)數(shù)運(yùn)算，過(guò)程繁雜，往往顧此失彼，學(xué)習(xí)吃力。二是，概念抽象，該課程理論性強(qiáng)，概念抽象，對(duì)一些定理及概念，比如說(shuō)惟一性定律、內(nèi)自感、外自感等等概念難理解，物理概念不熟悉，學(xué)習(xí)難度大。三是，解題困難，很多學(xué)生反應(yīng)上課認(rèn)真聽(tīng)講，下課花大量時(shí)間推導(dǎo)公式，可遇到習(xí)題又像到另外一個(gè)世界，完全無(wú)從下手。長(zhǎng)此以往，失去學(xué)習(xí)的興趣。

1.2 在教學(xué)中中存在的問(wèn)題

第一電磁場(chǎng)與電磁波課程涉及大量的公式推導(dǎo)，部分教師尤其是青年教師往往注重?cái)?shù)學(xué)計(jì)算，而忽略了其物理意義，容易使該課程失去其意義。第二，課程系統(tǒng)性強(qiáng)，注重介紹其理論基礎(chǔ)知識(shí)，忽略與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，容易讓學(xué)生產(chǎn)生“學(xué)習(xí)這門(mén)課有何用”的疑惑，不能調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。第三，由于電磁場(chǎng)與電磁波先修課程高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理，由于一些原因在電磁場(chǎng)與電磁波的教學(xué)中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)知識(shí)銜接的問(wèn)題。

2 改革的思路

電磁系列課程教學(xué)內(nèi)容和方法的改革必須從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行：教育觀念和理念的更新；專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課地位與內(nèi)涵的再認(rèn)識(shí)；課程體系和教學(xué)內(nèi)容的改革；考試制度及方法的改革；網(wǎng)絡(luò)課程和雙語(yǔ)教學(xué)的初步嘗試。通過(guò)這些方面的研究和實(shí)踐，以取得較好的改革效果，電磁系列課程教學(xué)改革的實(shí)踐應(yīng)該采用全方位、立體化、多視角的教學(xué)模式，發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，確定學(xué)生的主體地位；想盡一切方法，采取一切手段，努力幫助學(xué)生開(kāi)拓思路，激發(fā)潛能；在教給學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)和學(xué)習(xí)方法的同時(shí)，全面培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。

提高學(xué)生興趣，興趣是最好的老師。比如，在剛開(kāi)始學(xué)習(xí)均勻平面波的傳播時(shí)，讓學(xué)生們自由討論現(xiàn)實(shí)生活中遇到的電磁波傳播問(wèn)題，再向?qū)W生提出幾個(gè)應(yīng)用問(wèn)題：為什么海水中潛艇之間的通信困難？如何防止室內(nèi)電子設(shè)備受外界電磁波干擾？為什么在微波爐中牛肉能熟，而盛牛肉的盤(pán)子確不會(huì)烤焦？中波廣播天線架設(shè)為什么與地面垂直？學(xué)生帶著這些問(wèn)題學(xué)習(xí)，當(dāng)遇到這些問(wèn)題，他們無(wú)法解決時(shí)，就想盡快知道解決問(wèn)題的辦法。通過(guò)這部分理論知識(shí)的講授，學(xué)生對(duì)這些問(wèn)題有了較深的認(rèn)識(shí)。經(jīng)過(guò)了這樣多次提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程，學(xué)生們對(duì)本課程的興趣越來(lái)越濃厚，學(xué)習(xí)目的也非常明確了。

3 改革的方法

改變教學(xué)重點(diǎn)，對(duì)于靜態(tài)場(chǎng)問(wèn)題，不做大量的講解分析。通信工程專(zhuān)業(yè)在后續(xù)學(xué)習(xí)中，更多的是應(yīng)用電磁場(chǎng)的傳播分析問(wèn)題。大量的靜態(tài)分析不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，而且讓學(xué)生一開(kāi)始就陷入茫然畏難之中，后面更實(shí)用的內(nèi)容反而不能取得較好的教學(xué)效果。但靜態(tài)場(chǎng)是動(dòng)態(tài)場(chǎng)的基礎(chǔ)，所以不能直接從教學(xué)中劃出，實(shí)際教學(xué)中采用的辦法是，僅僅討論點(diǎn)電荷的散度，旋度，其他復(fù)雜情況不做討論。而麥克斯韋方程不做過(guò)多的推導(dǎo)，直接給出結(jié)論，視其為“公理”，后續(xù)內(nèi)容全部從麥克斯韋方程出發(fā)進(jìn)行分析。

對(duì)于一些抽象的現(xiàn)象用Flas播放，對(duì)于一些復(fù)雜公式則在黑板上板書(shū)推導(dǎo)。如講解經(jīng)典的Maxwell方程組時(shí)，Maxwell方程組第二方程即法拉第電磁感應(yīng)定律，借助一個(gè)Flas演示發(fā)電機(jī)的工作原理，生動(dòng)形象，Maxwell方程組的第一方程提出了位移電流的假設(shè)，如果從理論上講解會(huì)比較容易混淆，把Maxwell測(cè)試位移電流的實(shí)驗(yàn)用Flas或Ansoft Maxwell軟件演示， 學(xué)生一看就明白了，且調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

篇7

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）15-0118-02

電磁場(chǎng)與電磁波是電子信息類(lèi)本科各專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程，所涉及的內(nèi)容是電子信息類(lèi)本科學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的必要組成部分，對(duì)學(xué)生專(zhuān)業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)和提高起很大的作用。所以，2014年成功申報(bào)成為長(zhǎng)春理工大學(xué)優(yōu)秀課程。本文主要總結(jié)《電磁場(chǎng)與電磁波》優(yōu)秀課程建設(shè)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和方法及教學(xué)手段等，分別從理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等進(jìn)行探討。

一、《電磁場(chǎng)與電磁波》教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

1.教學(xué)大綱的調(diào)整和修訂。①根據(jù)培養(yǎng)方案提高學(xué)生實(shí)踐能力的要求，《電磁場(chǎng)與電磁波》在內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)上做了一些調(diào)整，為此修訂教學(xué)大綱，學(xué)時(shí)數(shù)由原來(lái)的理論64學(xué)時(shí)改為到理論48學(xué)時(shí)+實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，使學(xué)生既能掌握基本理論又能打下應(yīng)用基礎(chǔ)，同時(shí)既突出基礎(chǔ)性和知識(shí)體系的完整性，盡量避開(kāi)繁雜的推導(dǎo)，注意理論與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，使學(xué)生易于接受。②為了加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)力度，增設(shè)8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，編寫(xiě)實(shí)用的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，保證工科學(xué)生工程能力的提高。實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次分明，學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣得到提高，達(dá)到最佳實(shí)驗(yàn)效果。

2.課程內(nèi)容體現(xiàn)學(xué)科前沿技術(shù)，理論與工程不脫節(jié)。《電磁場(chǎng)與電磁波》的前修課程是高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、大學(xué)物理，是學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程微波技術(shù)、天線、光技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、電氣技術(shù)、電子對(duì)抗等的基礎(chǔ)，在學(xué)科建設(shè)與發(fā)展中起著承上啟下的作用。因此，本課程在專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)中的定位為：承上啟下，重在基礎(chǔ)，開(kāi)拓創(chuàng)新，引領(lǐng)未來(lái)。電磁場(chǎng)主要讓學(xué)生掌握分布參數(shù)系統(tǒng)的主要理論、分析方法、長(zhǎng)線理論及常用傳輸線，為以后從事微波電子應(yīng)用技術(shù)、通信工程準(zhǔn)備必要的理論基礎(chǔ)。該課程理論嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、獨(dú)立分析能力和解決問(wèn)題的能力及理論聯(lián)系實(shí)際的能力，都有很重要的作用。

從課程內(nèi)容上，主要從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面體現(xiàn)學(xué)科前沿：①《電磁場(chǎng)與電磁波》課程的工程性很強(qiáng)，因此教師在課堂理論教學(xué)中，經(jīng)常從電子與信息科學(xué)領(lǐng)域、電磁科學(xué)領(lǐng)域取得一系列重大成就出發(fā)，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，引入課堂講解，通過(guò)講解例題、建立習(xí)題、精選前沿內(nèi)容作為選修內(nèi)容方式，將相關(guān)內(nèi)容引入本門(mén)教材和教學(xué)內(nèi)容中。同時(shí)，建立網(wǎng)絡(luò)課程，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)，不斷充實(shí)課程資源，完善網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，不斷收集最新的科技成果補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中。②加強(qiáng)《電磁場(chǎng)與電磁波》課程實(shí)踐課和理論課的結(jié)合與滲透，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)密切相關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，保證理論教學(xué)為實(shí)踐教學(xué)打好堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，讓理論課教師參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)，及時(shí)與學(xué)生溝通，了解學(xué)生掌握知識(shí)的情況與興趣所向。與上述教學(xué)內(nèi)容改革相適應(yīng)，自編出版相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教材《電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》，并在教學(xué)中采用。

二、教學(xué)方法改革

針對(duì)《電磁場(chǎng)與電磁波》課程理論性強(qiáng)，抽象，公式多，這種情況，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中對(duì)《電磁場(chǎng)與電磁波》課程的教學(xué)方法進(jìn)行改革和探索，采用多種有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的方法，總結(jié)一些有成效的舉措和經(jīng)驗(yàn)。

1.采取小班授課，讓學(xué)生積極參與。針對(duì)學(xué)院通信系大珩班的高要求，對(duì)大珩班采用小班授課，在教學(xué)過(guò)程中采用提問(wèn)、討論、測(cè)驗(yàn)等方式，同時(shí)給學(xué)生有在同學(xué)面前講解習(xí)題、大量練習(xí)的機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)主動(dòng)性，教學(xué)效果非常明顯。

2.采用隱性分層，分類(lèi)指導(dǎo)。根據(jù)不同學(xué)生認(rèn)知水平的差異，結(jié)合“以學(xué)生的發(fā)展為本”的前提，采用隱性分層法教學(xué)，遵循“因材施教”的原則，面向全體學(xué)生，為每個(gè)學(xué)生提供適合各自發(fā)展水平和接受能力的電磁場(chǎng)相關(guān)教學(xué)，使各層次學(xué)生學(xué)有所成，感受到學(xué)習(xí)《電磁場(chǎng)與電磁波》的樂(lè)趣。

3.采用實(shí)例進(jìn)入課堂，提高課堂效率。對(duì)于大班授課的課堂，在課程建設(shè)過(guò)程中，加大理論課堂教學(xué)投入，把可以在課堂上演示電磁波的相關(guān)內(nèi)容制成動(dòng)畫(huà)，把前沿科學(xué)技術(shù)制成視頻帶入課堂，使課堂內(nèi)容直觀、充實(shí)。

4.采用理論實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。加強(qiáng)《電磁場(chǎng)與電磁波》課實(shí)踐課和理論課相結(jié)合與滲透，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)密切相關(guān)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，保證理論教學(xué)為實(shí)踐教學(xué)打好堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，讓理論課教師參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)，及時(shí)與學(xué)生溝通，了解學(xué)生掌握知識(shí)的情況與興趣所向。

三、教學(xué)手段改革

1.電磁場(chǎng)與電磁波程采用全方位、立體化、多視角的教學(xué)模式，發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，確定學(xué)生的主體地位。結(jié)合“電磁場(chǎng)與電磁波”課程理論性強(qiáng)、信息量大、概念抽象等特點(diǎn)，采用多媒體教學(xué)方法，通過(guò)形象化的動(dòng)態(tài)過(guò)程演示，根據(jù)《電磁場(chǎng)與電磁波》課程內(nèi)容的發(fā)展修改課件，加入錄像實(shí)例等，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

2.教學(xué)過(guò)程中需要規(guī)范的板書(shū)，使課堂的條理性和層次性更加清晰，因此進(jìn)一步把傳統(tǒng)授課手段和多媒體教學(xué)等現(xiàn)代教育技術(shù)手段恰當(dāng)?shù)亟M合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，達(dá)到理想的教學(xué)效果。

3.不斷豐富網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，把相關(guān)教學(xué)課件、教案、大綱等上傳到網(wǎng)絡(luò)課程，在課后鞏固環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)，充分利用網(wǎng)上教學(xué)資源，進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)，真正提高教學(xué)效果。

4.完善試卷和成績(jī)分析。根據(jù)長(zhǎng)春理工大學(xué)《長(zhǎng)春理工大學(xué)關(guān)于試卷評(píng)閱與歸檔的管理辦法》，課程組要求教師明確試卷評(píng)閱教師責(zé)任，采取統(tǒng)一評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和集體流水閱卷的方式進(jìn)行評(píng)卷。閱卷完成后，必須進(jìn)行試卷和成績(jī)科學(xué)、客觀的分析，組織課程組教師對(duì)考試結(jié)果進(jìn)行總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)教學(xué)。堅(jiān)持對(duì)試卷歸檔，統(tǒng)一管理，保證試卷歸檔的完整性與準(zhǔn)確性。近3年，《電磁場(chǎng)與電磁波》考試成績(jī)分布基本合理，成績(jī)單記載清楚、規(guī)范。試卷和成績(jī)分析科學(xué)、客觀，并能反饋指導(dǎo)教學(xué)，較好地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)

電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)是理論課教學(xué)的一個(gè)重要組成部分。根據(jù)教學(xué)的基本要求以及電子學(xué)人才培養(yǎng)的需要，課程組整合實(shí)驗(yàn)課程和教學(xué)內(nèi)容，形成從基礎(chǔ)訓(xùn)練到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使學(xué)生能夠在理論課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，由淺入深地學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)與電磁波的相關(guān)知識(shí)，為射頻電路設(shè)計(jì)、無(wú)線通信技術(shù)、光纖通信、衛(wèi)星通信等相關(guān)領(lǐng)域的課程學(xué)習(xí)和科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.修訂實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。為了適應(yīng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的要求，實(shí)驗(yàn)教材既有實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)內(nèi)容，又有實(shí)驗(yàn)操作的教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次分明，既包括基本部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、設(shè)計(jì)性部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也包括綜合性部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，添加探究創(chuàng)新的部分內(nèi)容，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，激發(fā)創(chuàng)造性的思維，達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.加強(qiáng)《電磁場(chǎng)與電磁波》課實(shí)驗(yàn)課和理論課的結(jié)合與滲透。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，讓理論課教師參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)，保證理論教學(xué)為實(shí)踐教學(xué)打好堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。

3.利用網(wǎng)絡(luò)資源，建立開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。利用國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)中心的優(yōu)勢(shì)，建立開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以利用網(wǎng)上預(yù)約系統(tǒng)自主預(yù)約，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)考核方法、儀器設(shè)備使用手冊(cè)、器件數(shù)據(jù)手冊(cè)等教學(xué)資源制成網(wǎng)絡(luò)課程上傳至網(wǎng)絡(luò)，讓學(xué)生自主下載學(xué)習(xí)、交流，開(kāi)闊思路。

五、優(yōu)秀課程教材及相關(guān)資料建設(shè)和選取

1.教材選用國(guó)家“十五”、“十一五”規(guī)劃等教材。①謝處方、饒克謹(jǐn)，《電磁場(chǎng)與電磁波》（第四版），北京：高等教育出版社，2006年普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。②蔡立娟、陳宇，《電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》，長(zhǎng)春理工大學(xué)校內(nèi)教材，2010年。

2.參考教材。①鐘順時(shí)，《電磁場(chǎng)基礎(chǔ)》，北京：清華大學(xué)出版社，2006年，21世紀(jì)高等學(xué)校電子信息工程型規(guī)劃教材；②焦其祥等，《電磁場(chǎng)與電磁波》，北京：科學(xué)出版社，2005年，21世紀(jì)高等院校教材；③王新穩(wěn)、李萍，《微波技術(shù)與天線》，北京：電子工業(yè)出版社，2002年，21世紀(jì)高等學(xué)校電子信息類(lèi)教材；④馮慈璋，《電磁場(chǎng)》，北京：高等教育出版社，1999年，高等學(xué)校教材。

3.為了提高學(xué)生對(duì)理論課程的理解，課程梯隊(duì)提供大量的輔助教學(xué)資料。例如，制作《電磁場(chǎng)與電磁波》教學(xué)課件，推薦課外輔導(dǎo)書(shū)、指導(dǎo)光盤(pán)等，建立習(xí)題庫(kù)等。為了促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，擴(kuò)充知識(shí)面，學(xué)院資料室向?qū)W生全面開(kāi)放。學(xué)院資料室現(xiàn)藏書(shū)兩萬(wàn)余冊(cè)，期刊一百余種，其中與本課程相關(guān)書(shū)籍或期刊500余種，許多參考書(shū)配有參考課件、光盤(pán)，可供學(xué)生課堂內(nèi)外使用，效果良好。另外，學(xué)校網(wǎng)絡(luò)資源豐富，學(xué)生可以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源和多媒體課件，收集、閱讀相關(guān)知識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣。

長(zhǎng)春理工大學(xué)《電磁場(chǎng)與電磁波》優(yōu)秀課課程組將繼續(xù)在教學(xué)中不斷摸索、前進(jìn)，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，服務(wù)學(xué)生與社會(huì)。

參考文獻(xiàn)：

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篇8

Abstract: the working principle of the analysis of geological radar, familiar with the principle of geological radar data processing and interpretation, by some engineering foundation raft concrete defect master the practical application of geological radar, and compares with conventional detection methods, thus a more in-depth understanding of geological radar in the application of mass concrete defect detection.

Key words: geological radar; Nondestructive testing; Concrete; defects

中圖分類(lèi)號(hào)：P412.25文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-2104(2013)

1引言：

地質(zhì)雷達(dá)(ground probing/penetrating radar，簡(jiǎn)稱(chēng)GPR)是一種新型地下探測(cè)與混凝土無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。其主要原理就是用天線發(fā)射高頻電磁波，傳感器接受目標(biāo)介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)分布與波形隨所穿透介質(zhì)的電性質(zhì)和幾何形態(tài)而變化。因此根據(jù)接收到波的雙程走時(shí)、波幅與波形資料的分析處理，可以推斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實(shí)際狀態(tài)。雷達(dá)在工業(yè)與民用建筑無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用主要包括混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸、鋼筋分布、空洞、裂縫、不密實(shí)度及其它隱蔽工程探測(cè)等方面，這些項(xiàng)目所要求探測(cè)深度一般在幾米內(nèi)，但要求分辨率較高。

2地質(zhì)雷達(dá)的工作原理：

地質(zhì)雷達(dá)利用無(wú)線電波檢測(cè)地下介質(zhì)分布和對(duì)不可見(jiàn)目標(biāo)或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部形態(tài)和位置，其理論基礎(chǔ)為高頻電磁波理論：高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，通過(guò)發(fā)射天線被定向送入被測(cè)介質(zhì)，經(jīng)存在電性差異的目標(biāo)體或界面反射后返回并由接收天線接收。反射電磁波經(jīng)過(guò)一系列的處理和分析之后可以得到探測(cè)介質(zhì)的有關(guān)信息。其檢測(cè)原理如下圖所示。

圖1雷達(dá)探傷原理示意圖

地質(zhì)雷達(dá)在混凝土檢測(cè)中基本參數(shù)如下：「1

2.1電磁波旅行時(shí)間：

其中為檢測(cè)目標(biāo)體的埋深；為發(fā)射、接收天線間的距離（可忽略）；為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

2.2電磁波在介質(zhì)中的傳播速度：

其中為電磁波在真空中傳播速度（0.29979m/ns）;為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率（一般為1）。

2.3電磁波反射系數(shù)：

電磁波在介質(zhì)傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到介電常數(shù)存在明顯差異的現(xiàn)象時(shí)，電測(cè)波產(chǎn)生的反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)：

其中為第一層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；為第二層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

由此可知,界面兩側(cè)介質(zhì)電磁特性差異越大，反射波幅越強(qiáng)；波從介電常數(shù)大的介質(zhì)進(jìn)入介電常數(shù)小的介質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)為正，反射波振幅與入射波同向；反之，反射系數(shù)為負(fù)，反射波振幅為反向。從反射波振幅和相位上可以判定反射界面兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)。

本次檢測(cè)涉及的介質(zhì)為空氣、混凝土、鋼筋，幾種介質(zhì)物性存在明顯差異，其形成的反射是地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的基本前提。

2.4地質(zhì)雷達(dá)記錄時(shí)間和勘察深度的關(guān)系：

其中為檢測(cè)目標(biāo)體的埋深；為雷達(dá)記錄時(shí)間。

3資料處理：

地質(zhì)雷達(dá)(GPR)數(shù)據(jù)處理是地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，由于混凝土各組成成分對(duì)電磁波不同程度的吸收和反射，以及本身的不均勻性等，使得雷達(dá)脈沖回到接收天線時(shí)波幅減小，波形也與原始發(fā)射波形有較大的變化。另外，不同程度的各種干擾和隨機(jī)噪聲，也歪曲了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理工作，以改善數(shù)據(jù)資料，為最終地質(zhì)解釋提供清晰可辨的雷達(dá)探測(cè)圖像。數(shù)據(jù)處理的一般流程如下：

圖2 資料處理流程示意圖

4資料解釋原則：

對(duì)雷達(dá)剖面圖像進(jìn)行解釋的基礎(chǔ)是提取反射目標(biāo)，只要被測(cè)介質(zhì)中存在電性差異，就可以在雷達(dá)剖面中找到相應(yīng)的反射波，根據(jù)相鄰道上反射波的對(duì)比，把不同道上同一個(gè)反射波的同相相位“連接”起來(lái)形成“同相軸”。地質(zhì)雷達(dá)資料解釋依據(jù)主要是雷達(dá)波同相軸的連續(xù)性和波形的變化、相位的變化。

5混凝土缺陷檢測(cè)：

因甲方對(duì)某工程筏板基礎(chǔ)混凝土澆筑質(zhì)量存在懷疑，特委托我公司檢測(cè)該筏板基礎(chǔ)混凝土是否存在空洞、氣泡、不密實(shí)、鋼筋位移等缺陷，并指出缺陷的具置以及大小，我公司采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)該筏板進(jìn)行無(wú)損探測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)前應(yīng)了解探測(cè)目標(biāo)體與其所在環(huán)境條件，例如目標(biāo)體深度、尺度、要求分辨率、目標(biāo)體電性與周?chē)橘|(zhì)電性以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是否存在大體積金屬構(gòu)件或電磁波反射界面等，這些是確定雷達(dá)測(cè)試能否進(jìn)行以及選擇雷達(dá)配置與參數(shù)的重要因素。

5.1測(cè)量?jī)x器：本次檢測(cè)采用的是SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)（美國(guó)GSSI公司），數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為為外接筆記本。

5.2天線選擇：天線中心頻率的選擇需要兼顧目標(biāo)深度、目標(biāo)最小尺度、分辨率要求及場(chǎng)地條件等因素，「2選用1.5GHz屏蔽天線（美國(guó)GSSI公司）。

5.3測(cè)線布置：本次被測(cè)目標(biāo)為筏板，測(cè)試應(yīng)按網(wǎng)格狀布置，為避免漏測(cè)，測(cè)線間距應(yīng)小于被測(cè)缺陷水平尺度，依據(jù)預(yù)計(jì)缺陷大小，采用0.5m×0.5m網(wǎng)格。

5.4測(cè)試方式：本次檢測(cè)采用剖面法，即發(fā)射天線和接收天線以固定間隔沿測(cè)線同步移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中，得到由一個(gè)個(gè)記錄組成的剖面圖，橫坐標(biāo)為天線走程，縱坐標(biāo)為由雷達(dá)脈沖“雙程走時(shí)”換算來(lái)的目標(biāo)深度。為更好地對(duì)目標(biāo)體界面進(jìn)行連續(xù)追蹤，采用連續(xù)采樣。

5.5資料解釋?zhuān)寒?dāng)混凝土密實(shí)時(shí)，反射波衰減速度基本一致，波振幅比較均一、同相軸比較連續(xù)?；炷撩軐?shí)或沒(méi)有空腔時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)不會(huì)有特別強(qiáng)的反射信號(hào)，雷達(dá)圖像中表現(xiàn)為無(wú)多次波（圖3a）；

圖3a正常筏板混凝土 圖3b 存在帶狀氣泡筏板混凝土

當(dāng)混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫時(shí)，裂縫處由于空氣的存在反射波衰減速度較慢，在圖像上會(huì)顯示同相軸錯(cuò)斷的特征。同理，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)空腔或氣泡時(shí)，圖像上會(huì)顯示出同相軸局部錯(cuò)斷的形態(tài)，地質(zhì)雷達(dá)會(huì)有明顯的強(qiáng)反射信號(hào)（圖3b、圖3c）；

圖3c 有空洞筏板混凝土圖3e 不密實(shí)筏板混凝土

當(dāng)混凝土不密實(shí)時(shí)，反射信號(hào)同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，較分散（圖3e）；

當(dāng)混凝土內(nèi)部有鋼筋且鋼筋走向和雷達(dá)天線移動(dòng)方向垂直時(shí)，則在圖像上會(huì)顯示出大的圓弧特征（圖3f）。若鋼筋走向與天線移動(dòng)方向平行，則會(huì)顯示出波形粗黑的特征（圖3g）。

圖3f鋼筋垂直天線方向 圖3g鋼筋平行天線方向

5.6檢測(cè)結(jié)果：該工程多處筏板距表皮10～20mm范圍內(nèi)存在帶狀氣泡，局部位置存在空洞及疏松，但未發(fā)現(xiàn)裂縫。鋼筋間距及保護(hù)層厚度比較均勻，與設(shè)計(jì)值無(wú)較大偏差。

6比對(duì)試驗(yàn)：

采用微破損試驗(yàn)與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)缺陷結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，依據(jù)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)鉆取芯樣，經(jīng)觀測(cè)，空洞、不密實(shí)位置及幾何形態(tài)與雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果基本相符，氣泡位置及分布與雷達(dá)探測(cè)結(jié)果相同。采用鋼筋測(cè)定儀對(duì)鋼筋位置進(jìn)行檢測(cè)并配合現(xiàn)場(chǎng)剔鑿驗(yàn)證，結(jié)果與地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果基本相符。這就充分驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)大體積混凝土準(zhǔn)確性。

7結(jié)語(yǔ)：

相對(duì)于鉆芯法、電磁感應(yīng)法，雷達(dá)法是一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。其具有對(duì)混凝土穿透力強(qiáng)、探測(cè)深度大等優(yōu)勢(shì)，并且可通過(guò)改變頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)深度和分辨率的調(diào)換。所發(fā)射雷達(dá)波具有極化特性，可以確定缺陷的形狀、位置及走勢(shì)，且成像迅速連續(xù)、結(jié)果易于保存，更擅于直觀、快速和實(shí)時(shí)的完成大體積混凝土的檢測(cè)。因此，雷達(dá)技術(shù)在工程中的應(yīng)用對(duì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)的發(fā)展與創(chuàng)新是有意義的。

篇9

[中圖分類(lèi)號(hào)] U459.2 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2014）-4-104-1

1工程概況

某高速公路起點(diǎn)樁號(hào)為K125+500，終點(diǎn)樁號(hào)為K132+550，線路全長(zhǎng)共計(jì)7.05km，在整個(gè)高速公路施工中，設(shè)置兩座大橋，四座分離式立交橋。高速公路路徑填筑長(zhǎng)度約為6.1km。為保障高速公路運(yùn)行安全，在高速公路施工過(guò)程中，委托專(zhuān)業(yè)公司對(duì)該高速公路東橋段擋土墻、西南段滑坡位置段防護(hù)結(jié)構(gòu)及其他段擋土墻進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)高速公路擋土墻及滑坡體進(jìn)行施工質(zhì)量評(píng)估。在該工程擋土墻檢測(cè)中，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)工作。

2地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)屬于一種新興的高效淺層地理探測(cè)新技術(shù)，與傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)相比，地質(zhì)雷達(dá)具備探測(cè)速度快，重量輕，便于攜帶，探測(cè)精度高，圖像直觀等優(yōu)勢(shì)，在混凝土結(jié)構(gòu)、巖土工程及其他領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

在應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行擋土墻檢測(cè)時(shí)，通過(guò)雷達(dá)主機(jī)控制，雷達(dá)脈沖源裝置產(chǎn)生周期性毫微秒電磁波信號(hào)，并直接將電磁波信號(hào)反饋給發(fā)射天線，通過(guò)發(fā)射天線耦合到擋土墻信號(hào)在傳播路徑中遇到的介質(zhì)非均勻體時(shí)，如電磁波信號(hào)在傳輸中遇到孔洞、不密實(shí)等狀況，會(huì)產(chǎn)生電磁波反射波信號(hào)，接收天線在接收到電磁波反射信號(hào)后傳輸給接收機(jī)，應(yīng)用接收機(jī)對(duì)接收到的電磁波信號(hào)進(jìn)行整形與放大等處理，經(jīng)由電纜傳輸?shù)嚼走_(dá)主機(jī)，雷達(dá)主機(jī)將處理后電磁波信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)度信號(hào)幅度大小進(jìn)行編碼，并以波形堆積圖、灰色電平圖、彩色電平圖等進(jìn)行顯示，判斷擋土墻施工質(zhì)量。由此可以看出，地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，是通過(guò)對(duì)檢測(cè)體發(fā)射電磁波，電磁波在進(jìn)入墻體時(shí)，電磁波會(huì)產(chǎn)生發(fā)射、折射及繞射等現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)電磁波形、幅度、發(fā)射波走時(shí)等進(jìn)行擋土墻結(jié)構(gòu)及擋土墻幾何形態(tài)判斷。其工作原理可以用圖1來(lái)描述。

3地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在高速公路擋土墻質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

根據(jù)該高速公路工程概況，采取地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)該高速公路擋土墻質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估與研究。

3.1前期準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備工作質(zhì)量直接影響著地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)備工作的主要內(nèi)容包括兩個(gè)方面：其一，了解地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)區(qū)域情況。通過(guò)安排專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘探，獲取該高速公路地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)周邊狀況。在該高速公路擋土墻區(qū)域內(nèi)，地下水位較高，地下水較為豐富，多在擋墻與填土連接位置存在著滲排水現(xiàn)象，部分區(qū)域形成了排水通道，嚴(yán)重?fù)p壞了擋墻背填土，影響擋土墻安全性；擋土墻在墻底設(shè)置有的一排擋土墻泄水孔，擋土墻中部沒(méi)有設(shè)置泄水孔，泄水孔排水存在著不通暢問(wèn)題；擋土墻砂漿受到較為嚴(yán)重的剝落，砂漿連接力不足；道路排水溝運(yùn)行狀態(tài)良好；在檢測(cè)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)擋土墻墻背地面下沉現(xiàn)象。其二，天線選型，在進(jìn)行隧道襯砌檢測(cè)中，需要應(yīng)用屏蔽天線。頻率低天線發(fā)射雷達(dá)波主頻較低，分辨率偏低，精度一般，能量衰減速度慢，探測(cè)深度值較大，頻率高天線發(fā)射雷達(dá)波主頻較高，分辨率及探測(cè)精度較好，能量衰減速度較快，在深度較淺探測(cè)中效果突出。如表1為部分頻率天線應(yīng)用效果表。

為此，天線選型時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際擋土墻厚度進(jìn)行天線選型，在該高速公路擋土墻檢測(cè)中選擇900MHz天線進(jìn)行探測(cè)。

3.2擋土墻檢測(cè)數(shù)據(jù)采集

在該高速公路工程中，共設(shè)置兩條測(cè)量線，分別設(shè)置于東橋段擋土墻、西南段滑坡位置段防護(hù)結(jié)構(gòu)位置。在地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)之前，需要設(shè)置檢測(cè)參數(shù)：將地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)行走速度控制在5km/h左右，設(shè)置900MHz天線記錄長(zhǎng)度為15ns，設(shè)置512個(gè)時(shí)間采樣點(diǎn)，綜合實(shí)際情況，采取由淺入深性增益，應(yīng)用連續(xù)檢測(cè)方式。

為保證地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)中，其檢測(cè)圖像測(cè)點(diǎn)與實(shí)際檢測(cè)里程對(duì)應(yīng)性，需要進(jìn)行里程標(biāo)記設(shè)置，在隧道邊墻中以間隔5m的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)記設(shè)置，從而方便里程核對(duì)。在地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)中，操作人員需設(shè)置雷達(dá)參數(shù)，在雷達(dá)記錄中間隔5m作一次標(biāo)記，在探測(cè)過(guò)程中，保持天線移動(dòng)速度均勻。在該高速公路擋土墻探測(cè)中，以汽車(chē)搭載測(cè)試平臺(tái)，保證測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與可靠性。

3.3數(shù)據(jù)處理及反饋

在采集探測(cè)數(shù)據(jù)后，應(yīng)用專(zhuān)業(yè)處理軟件進(jìn)行處理，通過(guò)頻譜分析、濾波去噪、增強(qiáng)振幅等措施，提高數(shù)據(jù)可分析性，通過(guò)研究異常特征及面層相位特征，對(duì)各個(gè)檢測(cè)段探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，找出擋土墻中存在的病害，判斷病害類(lèi)型、深度、范圍及所在里程等。通過(guò)雷達(dá)圖像研究法發(fā)現(xiàn)擋土墻填土較為疏松，存在著孔洞等質(zhì)量問(wèn)題，為施工提出意見(jiàn)。

3.4檢測(cè)結(jié)果

在該高速公路擋土墻檢測(cè)中應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)擋土墻厚度滿足設(shè)計(jì)要求，然而在擋土墻施工中，部分位置存在著松散不密實(shí)問(wèn)題，部分擋土墻存在著連續(xù)孔洞質(zhì)量問(wèn)題，研究其成因并提出處理建議，提高工程擋土墻質(zhì)量。

4結(jié)語(yǔ)

高速公路擋土墻施工質(zhì)量直接影響著高速公路運(yùn)行的安全性及整體效益，在進(jìn)行高速公路擋土墻質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，可以應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在應(yīng)用中探測(cè)精度較高，圖像直觀，操作方便，綜合效益較好。結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)擋土墻質(zhì)量檢測(cè)及具體應(yīng)用進(jìn)行研究。實(shí)踐證明，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以有效發(fā)現(xiàn)擋土墻中存在質(zhì)量問(wèn)題，從而提出科學(xué)建議，保障高速公路安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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[2]汪貴春.擋墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究[D].重慶交通大學(xué)，2009.

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1 概述

物位是工業(yè)過(guò)程監(jiān)控的重要目標(biāo)參數(shù)，在熱電廠內(nèi)各種罐體、料倉(cāng)、水池的連續(xù)物位測(cè)量中，雷達(dá)和超聲波兩種原理的物位計(jì)應(yīng)用廣泛。在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師們對(duì)雷達(dá)和超聲波物位計(jì)的選型依據(jù)業(yè)主的要求以及自身的經(jīng)驗(yàn)，故兩者在應(yīng)用場(chǎng)合沒(méi)有較明確的界限劃分。針對(duì)這兩種物位計(jì)的選擇應(yīng)用，作者談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

2 原理簡(jiǎn)述

2.1 雷達(dá)物位計(jì)

雷達(dá)物位計(jì)按其工作方式，主要分為脈沖式和連續(xù)調(diào)頻式。

脈沖式雷達(dá)物位計(jì)，采用微波“發(fā)射反射接收”的原理：從天線發(fā)射出的電磁波信號(hào)，在被測(cè)物料表面產(chǎn)生反射，反射的回波信號(hào)被雷達(dá)系統(tǒng)接收，通過(guò)電子單元計(jì)算出發(fā)射至接收的行程時(shí)間（t）。因電磁波的物理特性與可見(jiàn)光相似，取光速（c）作為傳播速度，進(jìn)而可換算得出物位值（如圖1所示）：L=E-D=E-c.t/2。

連續(xù)調(diào)頻式（FMCW）雷達(dá)物位計(jì)的測(cè)量原理有別于脈沖式，電磁波信號(hào)被液面反射后，回波被天線接收，接收到的回波頻率與此時(shí)發(fā)射信號(hào)波的頻率相比，兩者存在差異，此頻率差的大小與到液面的距離成正比。如圖2所示：

2.2 超聲波物位計(jì)

與脈沖式雷達(dá)物位計(jì)相似，超聲波物位計(jì)也是利用波的反射原理，通過(guò)時(shí)差法進(jìn)行物位測(cè)量。兩者之間的差別僅為雷達(dá)采用的為電磁波，其傳播無(wú)需介質(zhì)，而超聲波物位計(jì)采用的為機(jī)械波。由于機(jī)械波的物理特性決定其傳播必須借助一定介質(zhì)，所以當(dāng)介質(zhì)的壓力、溫度、密度、濕度等條件恒定時(shí)，超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度是一個(gè)常數(shù)。因此，當(dāng)超聲波發(fā)射遇到物面后，傳播路徑上的介質(zhì)密度發(fā)生變化，超聲波被反射，測(cè)量超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間，即可換算出超聲波通過(guò)的路程，從而得到了物位的數(shù)據(jù)。

3 特性及選型注意事項(xiàng)

3.1 雷達(dá)物位計(jì)

雷達(dá)物位計(jì)選型，需綜合考慮介質(zhì)的介電常數(shù)、料倉(cāng)高度、物料形態(tài)及穩(wěn)定性等方面的因素，從而選擇確定物位計(jì)工作方式、微波頻率、波束角以及天線型式。

3.1.1 介電常數(shù)

由于電磁波的衰減系數(shù)與介質(zhì)的介電常數(shù)的平方根成反比，因此，被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)越大，電磁波的衰減越少，物位計(jì)接受到的反射信號(hào)也就越強(qiáng)，即測(cè)量可以得到更好的保證。以E+H MicropilotM FMR50系列雷達(dá)物位計(jì)為例，表1和圖3顯示，同型號(hào)雷達(dá)，對(duì)于低介電常數(shù)介質(zhì)，其測(cè)量的量程范圍明顯縮小。特別針對(duì)A類(lèi)介質(zhì)，普通的安裝方式甚至不能滿足測(cè)量要求。

3.1.2 物料形態(tài)及穩(wěn)定性

當(dāng)物料為固體或粉末狀態(tài)時(shí)，由于折射、漫散射等影響，使有效的回波減少，雜波增加。同樣，當(dāng)測(cè)量波動(dòng)表面時(shí)，也存在有效回波檢測(cè)困難的情況。

3.1.3 措施

不論是介電常數(shù)還是物料形態(tài)穩(wěn)定性的問(wèn)題，通過(guò)雷達(dá)的檢測(cè)原理即可確定，要保證測(cè)量的可靠性，必需減少信號(hào)衰減，增加有效回波數(shù)量。

根據(jù)電磁波的特性，當(dāng)波束角確定時(shí)，電磁波的頻率越高，在單位面積上積聚的能量越大，電磁波的衰減越小，從而雷達(dá)物位計(jì)的測(cè)量精度也就越高。在實(shí)際運(yùn)用中，脈沖式雷達(dá)物位計(jì)采用的電磁波段主要為C段（低頻）和K段（高頻）兩種，兩者主要性能對(duì)比如表2。

通常，波束角的大小與天線的尺寸成反比，天線越大，波束角越小，相同頻率的波在單位面積上聚集的能量也就越大。針對(duì)固體、粉末類(lèi)介質(zhì)，且儲(chǔ)罐條件比較復(fù)雜的場(chǎng)合，在選擇高頻雷達(dá)的同時(shí)，應(yīng)采用大尺寸天線（例如拋物面天線）以提高測(cè)量精度。

由于外界雜波的干擾對(duì)普通非接觸式雷達(dá)的信號(hào)判斷及處理能力提出很高的要求，采用導(dǎo)波雷達(dá)或者增加導(dǎo)波管（液體測(cè)量）的方式較好地解決了微波傳輸穩(wěn)定性的問(wèn)題。除此之外，因電磁波的回波時(shí)間不因介電常數(shù)的變化而變化，僅為信號(hào)強(qiáng)度有差，所以導(dǎo)波式測(cè)量是低介電常數(shù)介質(zhì)物位測(cè)量的優(yōu)選方式。

連續(xù)調(diào)頻式雷達(dá)物位計(jì)，因其獨(dú)特的信號(hào)分析處理技術(shù)，具有高靈敏度、良好的穩(wěn)定性和信號(hào)自動(dòng)校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，被視為是復(fù)雜條件物位測(cè)量的優(yōu)選方案，特別適用于極度粉塵并伴有高溫場(chǎng)合以及超低介電常數(shù)介質(zhì)的物位測(cè)量。精度可達(dá)±0.5mm，測(cè)量范圍可達(dá)100m。由于采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，物位計(jì)功耗較大（5～10W），為常規(guī)脈沖式雷達(dá)物位計(jì)的10倍左右，常規(guī)采用220VAC四線制接線方式。但隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已有應(yīng)用良好的24VDC兩線制產(chǎn)品，例如西門(mén)子SITRANS LR560等。

3.2 超聲波物位計(jì)

超聲波液位計(jì)，因聲波的傳播速度與傳播介質(zhì)的溫度、壓力以及被測(cè)介質(zhì)的特性等均有關(guān)系，受外界因素的制約較大，常被用于簡(jiǎn)單工況穩(wěn)定物位的測(cè)量。

3.2.1 常見(jiàn)影響因素

所有外界因素，對(duì)超聲波信號(hào)而言，其最終的體現(xiàn)均為信號(hào)的衰減。常見(jiàn)的影響因素及其程度如表3。

3.2.2 測(cè)量范圍計(jì)算

超聲波物位計(jì)，與雷達(dá)物位計(jì)相比，因其聲波自身的物理特性決定，其測(cè)量范圍（一般不超15m）要小于雷達(dá)。在工程實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)分析外界因素對(duì)信號(hào)的衰減影響，比較物位計(jì)理論測(cè)量值，得出可實(shí)際應(yīng)用的測(cè)量范圍。以E+H Prosonic M FMU4x系列為例：

測(cè)量熱電廠渣倉(cāng)料位，固體物料表面因素衰減約40dB，粉塵影響約10dB，假設(shè)無(wú)其余因素影響，查圖4，F(xiàn)MU43的可用測(cè)量約4.8m。若此量程能滿足工藝檢測(cè)要求，則可采用超聲波，否則需另選物位計(jì)。

3.3 特性比較

超聲波測(cè)量鑒于被測(cè)介質(zhì)的密度，其受溫度和壓力的影響較大，不同密度下超聲波傳播速度不同，信號(hào)修正困難。另外，超聲波的發(fā)生是通過(guò)壓電晶體的機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)外界壓力太大時(shí)會(huì)影響超聲波的產(chǎn)生，所以不可用于壓力較高或負(fù)壓的場(chǎng)合，通常只用在常壓容器。一般情況下，超聲波液位計(jì)使用溫度不可超過(guò)80℃，壓力需在0.3MPa以內(nèi)。而雷達(dá)受此影響不大，可以用在高溫、高壓工況下。

由于機(jī)械波易受傳播介質(zhì)的影響，能量衰減也相對(duì)較大，在氣態(tài)或者不均勻介質(zhì)中表現(xiàn)更明顯。在相同能量下，電磁波的傳播性比超聲波要好很多，因此雷達(dá)物位計(jì)的可使用量程范圍也比超聲波要大，特別現(xiàn)在采用高頻和連續(xù)調(diào)頻技術(shù)，使得其量程范圍進(jìn)一步增大。

因雷達(dá)物位計(jì)對(duì)環(huán)境和介質(zhì)本身產(chǎn)生的擾動(dòng)分辨能力更強(qiáng)，也就可以更好地消除干擾，使得其能更好地保證測(cè)量精度。相比而言，超聲波物位計(jì)因易受外界干擾影響，實(shí)際的測(cè)量精度較差。

3.4 選型應(yīng)用

在熱電廠中，物位的測(cè)量主要為煤、石灰石、渣、灰等固體或粉末類(lèi)介質(zhì)，以及部分水、油、酸堿液態(tài)介質(zhì)，對(duì)于上述介質(zhì)的物位測(cè)量，分析雷達(dá)和超聲波物位計(jì)的原理和特點(diǎn)，選型如下：

（1）因雷達(dá)采用電磁波，不需要傳播媒介，可以應(yīng)用于真空工況。例如導(dǎo)波雷達(dá)，現(xiàn)被用于凝汽器熱井水位的測(cè)量，而超聲波則不適用。

（2）煤粉倉(cāng)、灰渣庫(kù)等低介電常數(shù)并伴有粉塵的固態(tài)或粉末狀態(tài)物料，因聲波會(huì)有很大的衰減，所以一般不應(yīng)選用超聲波物位計(jì)。選用雷達(dá)時(shí)，應(yīng)選擇高頻雷達(dá)，并選用例如拋物面天線等此類(lèi)的大尺寸小波束角天線。當(dāng)安裝條件允許時(shí)，也可采用纜式（小量程采用桿式）天線來(lái)降低介質(zhì)特性本身以及外界干擾對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響，但應(yīng)做好天線端部固定工作。

（3）對(duì)于液氨、濃鹽酸等易揮發(fā)或擴(kuò)散形成霧氣的儲(chǔ)罐液位測(cè)量，或者是液面可能產(chǎn)生泡沫（例如循環(huán)水池）時(shí)，導(dǎo)波雷達(dá)將是很好的選擇，但需要注意儲(chǔ)罐的尺寸，若為小型儲(chǔ)罐，則建議采用高頻非接觸雷達(dá)+導(dǎo)波管的測(cè)量型式。

（4）針對(duì)高壓加熱器水位、汽包水位等高溫高壓且存在汽水共騰工況的液位測(cè)量，可選用高溫高壓型同軸導(dǎo)波雷達(dá)。同軸探頭，加上氣相補(bǔ)償、等時(shí)采樣等技術(shù)的應(yīng)用，使得在沸騰的腔體內(nèi)，雷達(dá)也能有穩(wěn)定可靠的讀數(shù)。西門(mén)子LG200、E+H FMP54等產(chǎn)品均已在電廠此類(lèi)場(chǎng)合的液位測(cè)量中得到很好的應(yīng)用。

（5）由于雷達(dá)物位計(jì)產(chǎn)生高頻電磁波的電子電路相對(duì)復(fù)雜，使得產(chǎn)品價(jià)格較高。因此，在精度要求不是特別高或測(cè)量理想液面（例如平靜光滑的脫鹽水儲(chǔ)罐、點(diǎn)火油罐等液位）時(shí)，超聲波物位計(jì)就體現(xiàn)了很好的性價(jià)比。另外，若為統(tǒng)一選型，減少物位計(jì)的種類(lèi)考慮，經(jīng)濟(jì)型低頻雷達(dá)也是較好的選擇方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)和超聲波兩種類(lèi)型的物位計(jì)均是工業(yè)物位測(cè)量的良好解決方案，其選型應(yīng)用需根據(jù)過(guò)程工況、介質(zhì)特性決定，并結(jié)合安裝條件、使用環(huán)境等外界因素。經(jīng)濟(jì)適用、更好的性價(jià)比是設(shè)計(jì)人員選型的重要依據(jù)，也是現(xiàn)代工廠精細(xì)化管理追求良好效益的基礎(chǔ)條件。

參考文獻(xiàn)

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