《電磁場與電磁波》課程教學(xué)大綱

電磁場與電磁波（ElectromagneticFieldandWave）課程基本信息課程編號：04021569課程總學(xué)時：32實驗學(xué)時：8學(xué)時課程性質(zhì)：選修課程屬性:基礎(chǔ)類開設(shè)學(xué)期：第4學(xué)期適用專業(yè)：電子信息工程對先修的要求：高等數(shù)學(xué)，物理學(xué)對后續(xù)的支撐：高頻線路，單片機(jī)原理等一、課程的教學(xué)理念、性質(zhì)、目標(biāo)和任務(wù)本課程是高等學(xué)校電子信息工程類各專業(yè)本科生必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，是學(xué)生設(shè)計嵌入式系統(tǒng)和電子類器件的基礎(chǔ)理論。學(xué)習(xí)目標(biāo)是為嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計提供理論和技術(shù)支撐，解決電磁兼容和干擾問題，提高系統(tǒng)的可靠性。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉電磁場與電磁波的基本理論，掌握其規(guī)律，對一些基本的電磁場與電磁波問題能進(jìn)行定性分析和定量計算。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生也應(yīng)掌握宏觀電磁場的基本屬性和運(yùn)動規(guī)律，掌握宏觀電磁場的基本求解方法，了解宏觀電磁場的主要應(yīng)用領(lǐng)域及其原理，訓(xùn)練分析問題、歸納問題的科學(xué)方法，培養(yǎng)用數(shù)學(xué)解決實際問題的能力。本課程中有大量的公式推導(dǎo)，對高等數(shù)學(xué)的微積分和多重積分有較高要求，因此應(yīng)重視學(xué)生基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)。梳理本書內(nèi)容，把常用的數(shù)學(xué)公式和計算羅列出來，讓學(xué)生課下重點練習(xí)。二、課程目標(biāo)及對畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐序號課程目標(biāo)支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點畢業(yè)要求1理解并掌握電磁場與電磁波的基本概念和方法，并具有將其運(yùn)用到電子信息工程專業(yè)領(lǐng)域的能力。指標(biāo)點1.21.工程知識2能夠在安全、法律、環(huán)境等現(xiàn)實約束條件下，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度對微波、天線、電磁兼容等設(shè)計方案的可行性進(jìn)行評價。指標(biāo)點7.27.環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展三、教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)度安排（一）理論教學(xué)序號教學(xué)內(nèi)容學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果課內(nèi)學(xué)時教學(xué)方式支撐課程目標(biāo)1第一部分矢量分析：正交坐標(biāo)系；標(biāo)量場的等值面及等值面方程，標(biāo)量場的梯度；矢量線的微分方程；矢量場的不變特性，矢量線的特性；矢量場的散度和旋度；哈密頓算子▽和拉普拉斯算子▽2，格林定理；高斯散度公式和斯托克斯公式；兩個零恒等式；無旋場與無散場；亥姆霍茲定理。重點：掌握標(biāo)量場的梯度、矢量場的散度、旋度的概念和運(yùn)算，及其對場的性質(zhì)的描述。難點：建立微分形式的場方程。掌握標(biāo)量場的等值面及等值面方程，標(biāo)量場的梯度；矢量線的微分方程，矢量場的散度和旋度；哈密頓算子▽和拉普拉斯算子▽2；高斯散度公式和斯托克斯公式，兩個零恒等式；亥姆霍茲定理。理解圓柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系；方向?qū)?shù)、通量、環(huán)量；無旋場與無散場；格林定理。了解矢量場的不變特性，矢量線的特性。8采用啟發(fā)式教學(xué)、鼓勵學(xué)生自學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力。貫徹少而精的原則，精選教學(xué)內(nèi)容，精講多練。目標(biāo)12第二部分電磁場的基本規(guī)律：宏觀電荷和電流是產(chǎn)生電磁場的場源；電荷守恒定律和全電流連續(xù)性原理是宏觀電磁現(xiàn)象必須遵循的基本定律；電場強(qiáng)度庫侖定律；安培力定律磁感應(yīng)強(qiáng)度；靜止自由空間電磁場基本方程的積分形式和微分形式；傳導(dǎo)、極化、磁化；靜止介質(zhì)中電磁場基本方程的積分形式和微分形式；法拉第電磁感應(yīng)定律、位移電流；麥克斯韋方程；根據(jù)電磁場基本方程的微分形式，導(dǎo)出電磁場在兩種不同介質(zhì)分界面的邊界條件。重點：總結(jié)歸納電磁場運(yùn)動規(guī)律的基本方程，并討論物質(zhì)對電磁場的三種響應(yīng)——傳導(dǎo)、極化和磁化，麥克斯韋方程以及電磁場在不同介質(zhì)分界面的邊界條件。難點：電磁場在不同介質(zhì)分界面的邊界條件的確定。掌握電荷守恒定律和全電流連續(xù)性原理是宏觀電磁現(xiàn)象必須遵循的基本定律；電場強(qiáng)度庫侖定律；安培力定律磁感應(yīng)強(qiáng)度；傳導(dǎo)、極化、磁化；法拉第電磁感應(yīng)定律、位移電流；麥克斯韋方程；電磁場在兩種不同介質(zhì)分界面的邊界條件。理解宏觀電荷和電流是產(chǎn)生電磁場的場源；靜止自由空間電磁場基本方程的積分形式和微分形式；傳導(dǎo)、極化、磁化；靜止介質(zhì)中電磁場基本方程的積分形式和微分形式；根據(jù)電磁場基本方程的微分形式，導(dǎo)出電磁場在兩種不同介質(zhì)分界面的邊界條件。了解媒質(zhì)的特性。12強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)知識應(yīng)用，但不拘泥于數(shù)學(xué)知識的推導(dǎo)中。本部分主要是把第一章的基本知識應(yīng)用到電磁場中去，屬于知識的遷移。采用的方法同第一章。目標(biāo)23求解邊值問題的常用的方法和場的實驗研究；邊值問題解答的唯一性；鏡象法計算簡單的電場問題；分離變量法和有限差分法。重點和難點：積分法，鏡像法，分離變量法。了解邊值問題分類，有限差分法。理解唯一性定理。掌握積分法，鏡像法，分離變量法求解邊值。4講授目標(biāo)1實驗教學(xué)序號實驗名稱學(xué)時實驗教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)要求課程目標(biāo)1靜電場仿真2（1）學(xué)習(xí)MATLAB的基本用法，了解MATLAB的目錄結(jié)構(gòu)和基本功能以及MATLAB在信號與系統(tǒng)中的應(yīng)用。（2）點電荷靜電場仿真、電偶極子的電場分布仿真。建立靜電場中電場及電位空間分布的直觀概念。課程目標(biāo)12恒定電場仿真3高壓直流電線表面的電場分布仿真。建立恒定電場中電場及電位空間分布的直觀概念。課程目標(biāo)23恒定磁場仿真3圓環(huán)電流周圍引起的磁場分布仿真。建立恒定磁場中磁場空間分布的直觀概念。課程目標(biāo)2四、課程思政本部分主要是培養(yǎng)學(xué)生堅持民族自信，發(fā)展我國電磁領(lǐng)域的新興技術(shù)。課程思政素材:序號立德樹人（德育）素材對應(yīng)章節(jié)教學(xué)方法1向科學(xué)大家學(xué)習(xí)全書從電磁學(xué)發(fā)展史出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索、堅持不懈的科學(xué)精神。在電磁理論的建立過程中，有很多偉大的科學(xué)家，他們的努力和堅持推動了科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展。著名電磁科學(xué)家的個人修養(yǎng)、道德品質(zhì)、科學(xué)精神是良好的德育素材。靈活搭建知識點和人文思政元素之間聯(lián)系的橋梁，挖掘科學(xué)家所擁有的巨大教育力量，用他們正確的思想啟迪學(xué)生，高尚的情操感染學(xué)生，優(yōu)良的行為引導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索、堅持不懈的科學(xué)精神。五、教材及參考資料1.選用教材：（1）理論課教材：電磁場與電磁波第二版.曹祥玉編著.西安電子科技大學(xué)出版社，2017年（2）實驗課教材：電磁場與電磁波教學(xué)指導(dǎo).鄒鵬等編著.清華大學(xué)出版社2016年。2.參考書：（1）電磁場與電磁波第三版.楊儒貴編著.高等教育出版社，2019年（2）電磁場與電磁波第四版.謝處方繞克謹(jǐn)編著.高等教育出版社2006年（3）電磁場與電磁波第二版.楊洪欣等編著.清華大學(xué)出版社2016年3.推薦網(wǎng)站：（1）西安電子科技大學(xué)，/faculty/hmlu/jiaoxuedagang/index.html（2）廈門大學(xué)，網(wǎng)/mfmw/emfeplan.html六、教學(xué)條件軟件仿真需要計算機(jī)教室，安裝matlab軟件。課堂教學(xué)需要配備多媒體和安裝matlab軟件。七、課程考核、考核方式及成績評定序號課程目標(biāo)（支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點）考核內(nèi)容平時成績（40%）期末考試（60%）成績比例%課堂表現(xiàn)（10%）作業(yè)（20%）實驗（10%）11.2電磁波基礎(chǔ)知識582203527.2電磁場復(fù)雜問題求解51284065合計10201060100（1）作業(yè)評分標(biāo)準(zhǔn)成績課程目標(biāo)優(yōu)秀（90-100分）良好（80-89分）中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（<60分）課程目標(biāo)1（8%）按時交作業(yè)，信號與系統(tǒng)概念理解正確，相關(guān)知識點論述清晰，能正確電磁場的基本公式、概念，會利用電磁場基本理論建立工程模型并求解。按時交作業(yè)，信號與系統(tǒng)概念理解正確，相關(guān)知識點論述比較清晰，能基本正確電磁場的基本公式、概念，基本會利用電磁場基本理論建立工程模型并求解。按時交作業(yè)，信號與系統(tǒng)概念理解基本正確，相關(guān)知識點論述基本清晰，會使用電磁場的基本公式、概念，理解電磁場基本理論，初步建立基本工程模型并求解。按時交作業(yè)，信號與系統(tǒng)基本概念理解一般，相關(guān)知識點論述一般，能初步理解電磁場的基本公式、概念，原則上會利用電磁場基本理論建立基本工程模型。不交或不按時交作業(yè)；有抄襲現(xiàn)象；或者基本概念不清晰；不能正確電磁場的基本公式、概念，了解利用電磁場基本理論建立基本工程模型。課程目標(biāo)2（12%）按時交作業(yè)，基本概念理解正確，相關(guān)知識點論述清晰；能熟練使用電磁場理論分析、求解電磁場方程。按時交作業(yè)，基本概念理解正確，相關(guān)知識點論述比較清晰；能較為熟練使用電磁場理論分析、求解電磁場方程。按時交作業(yè)，基本概念理解基本正確，相關(guān)知識點論述基本清晰；基本能熟練使用電磁場理論分析、求解電磁場方程。按時交作業(yè)，基本概念理解一般，相關(guān)知識點論述一般；基本會使用電磁場理論分析、求解電磁場方程。不交或不按時交作業(yè)；有抄襲現(xiàn)象；或者基本概念不清晰；相關(guān)知識點論述不清晰；不能使用電磁場理論分析、求解電磁場方程。每次作業(yè)按百分制評分，以所有作業(yè)的平均成績計入總成績。實驗環(huán)節(jié)考核與評價標(biāo)準(zhǔn)成績課程目標(biāo)優(yōu)秀（90-100分）良好（80-89分）中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（<60分）課程目標(biāo)1（2%）按照要求完成實驗預(yù)習(xí)，并按照相關(guān)實驗要求進(jìn)行程序編寫和調(diào)試，程序簡潔明了，運(yùn)行結(jié)果及分析正確。按照要求完成實驗預(yù)習(xí)，并按照相關(guān)實驗要求進(jìn)行程序編寫和調(diào)試，程序較為簡潔，運(yùn)行結(jié)果及分析正確。按照要求完成實驗預(yù)習(xí)，并基本按照相關(guān)實驗要求進(jìn)行程序編寫和調(diào)試，程序一般，運(yùn)行結(jié)果及分析基本正確?；景凑障嚓P(guān)實驗要求進(jìn)行程序編寫和調(diào)試，程序較為一般，運(yùn)行結(jié)果及分析基本正確。不按要求預(yù)習(xí)，不按要求進(jìn)行程序編寫和調(diào)試；程序編寫不正確，運(yùn)行結(jié)果及分析有誤。課程目標(biāo)2（8%）按照要求完成實驗預(yù)習(xí)，并按照相關(guān)實驗要求進(jìn)行程序編寫和調(diào)試，程序正確簡潔，運(yùn)行結(jié)果及分析正確，實驗報告撰寫規(guī)范。按照要求完成實驗預(yù)習(xí)，并按照相關(guān)實驗要求進(jìn)行程序編寫和調(diào)試，程序較為簡潔，運(yùn)行結(jié)果及分析正確，實驗報告撰寫較規(guī)范。按照要求完成實驗預(yù)習(xí)，并基本按照相關(guān)實驗要求進(jìn)行程序編寫和調(diào)試，程序一般，運(yùn)行結(jié)果及分析基本正確，實驗報告撰寫欠規(guī)范?；景凑障嚓P(guān)實驗要求進(jìn)行程序編寫和調(diào)試，程序較為一般，運(yùn)行結(jié)果及分析基本正確，實驗報告撰寫欠規(guī)范。不按要求預(yù)習(xí)，不按要求進(jìn)行程序編寫和調(diào)試；程序編寫不正確，運(yùn)行結(jié)果及分析有誤，無實驗報告。（3）課堂表現(xiàn)與評分標(biāo)準(zhǔn)課程目標(biāo)考核內(nèi)容評分標(biāo)準(zhǔn)90-100分80-89分70-79分60-69分<60分課程目標(biāo)2（5%）考核學(xué)生課下預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、課堂回答問題及討論參與情況。遵守課堂紀(jì)律，積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準(zhǔn)確率大于90%；或能回答老師提出的問題，準(zhǔn)確率大于90%遵守課堂紀(jì)律，認(rèn)真參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準(zhǔn)確率大于80%；或能回答老師提出的問題，準(zhǔn)確率大于80%。遵守課堂紀(jì)律，上課狀態(tài)一般，能回答老師提出的問題，準(zhǔn)確率大于70%。遵守課堂紀(jì)律，上課狀態(tài)一般，能回答老師提出的問題，準(zhǔn)確率大于60%。遵守課堂紀(jì)律，但不能正常參與課堂教學(xué)活動，不能回答老師提出的問題。課程目標(biāo)2（5%）考核學(xué)生課下預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、課堂回答問題及討論參與情況。遵守課堂紀(jì)律，積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準(zhǔn)確率大于90%；或能回答老師提出的問題，準(zhǔn)確率大于90%遵守課堂紀(jì)律，認(rèn)真參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準(zhǔn)確率大于80%；或能回答老師提出的問題，準(zhǔn)確率大于80%。遵守課堂紀(jì)律，上課狀態(tài)一般，能回答老師提出的問題，準(zhǔn)確率大于70%。遵守課堂紀(jì)律，上課狀態(tài)一般，能回答老師提出的問題，準(zhǔn)確率大于60%。遵守課堂紀(jì)律，但不能正常參與課堂教學(xué)活動，不能回答老師提出的問題。（4）期末考核與評分標(biāo)準(zhǔn)課程目標(biāo)考核內(nèi)容評分標(biāo)準(zhǔn)90-100分80-89分70-79分60-69分<60分課程目標(biāo)1（20%）電磁場基本概念、定理和方程求解。掌握標(biāo)量場的等值面及等值面方程，標(biāo)量場的梯度；掌握矢量線的微分方程，矢量場的散度和旋度；熟練使用高斯散度公式和斯托克斯公式、兩個零恒等式和亥姆霍茲定理求解基本工程問題，會求解電磁場的邊值問題?；菊莆针姶艌鎏荻取⑸⒍群托然靖拍?；基本掌握矢量線的微分方程；基本熟練使用高斯散度公式和斯托克斯公式、兩個零恒等式和亥姆霍茲定理求解基本工程問題，基本會求解電磁場的邊值問題。理解電磁場梯度、散度和旋度基本概念；理解矢量線的微分方程；會使用高斯散度公式和斯托克斯公式、兩個零恒等式和亥姆霍茲定理求解基本工程問題，理解電磁場的邊值問題?；纠斫怆姶艌鎏荻取⑸⒍群托然靖拍?；基本會使用高斯散度公式和斯托克斯公式、兩個零恒等式和亥姆霍茲定理求解基本工程問題，基本理解電磁場的邊值問題。不理解電磁場梯度、散度和旋度基本概念；不會使用高斯散度公式和斯托克斯公式、兩個零恒等式和亥姆霍茲定理求解基本工程問題，不會電磁場的邊值問題。課程目標(biāo)2（40%）恒定電場、靜電場和恒定磁場的方程描述和求解。掌握電磁場的散度、旋度和極化等基本概念。掌握靜電場高斯通量定理、泊松方程和拉普拉斯方程求解。掌握磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度的定義及三者間關(guān)系和磁通連續(xù)性原理。基本掌握電磁場的散度、旋度和極化等基本概念?；菊莆侦o電場高斯通量定理、泊松方程和拉普拉斯方程求解。掌握磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度的定義及三者間關(guān)系和磁通連續(xù)性原理。理解電磁場的散度、旋度和極化等基本概念。掌握靜電場高斯通量定理、泊松方程和拉普拉斯方程求解。理解磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度的定義及三者間關(guān)系和磁通