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摘要：针对《电磁场与电磁波》具有概念抽象、理论性强、公式推导繁琐和知识点多等课程特点。通过以Matlab软件对电磁波在不同媒质中的传播进行了模拟仿真为例，说明在该门课程的教学中引入Matlab软件，不仅可以把繁琐的理论计算简单化，而且可以把抽象的概念形象化与图像化，有助于学生直观地分析与理解，激发了学生的学习该课程的兴趣，丰富了教学内容，从而达到提高该课程教学效果的目的。
关键词：电磁场与电磁波；Matlab；教学
本文引用格式：王晓华,等.Matlab在《电磁场与电磁波》教学中的应用研究[J].教育现代化,2019,6(87):215-216,229.
一 引言
《电磁场与电磁波》是高等学校电子信息工程、电子信息科学与技术和通信工程等专业的基础核心课程之一[1]。该课程是一门兼具高等数学与物理学知识的课程，具有概念抽象、理论性强、公式推导繁琐和知识点多等特点[2]。要求学生具有较强的空间想象、抽象思维和逻辑推理等能力。然而，高等教育从精英教育逐步走向大众教育后，学生理论功底越来越薄落、自主学习意识越来越不强，再加上高校课程改革导致课时减少，造成该课程是一门典型的“难教”、“难学”和“难考”的课程。如何破除这一难题，提高教学效果，成为亟待解决的问题。目前，学生计算机自有率高，利用学生对可视化与动态软件的兴趣，在该门课程的教学中可以引入Matlab软件。Matlab软件易学通用，不仅具有很强的数值计算与数据分析的能力，而且拥有数据转化为图形可视化的能力。将其引入这门课程的教学中，可以把繁琐的理论计算简单化，抽象的概念形象化，从而提高该课程的教学效果。
二 Matlab软件介绍
Matlab软件是美国MathWorks公司出品的一款商业数学软件，实际上是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简写。它作为一款集科学计算、数字信号处理、图形图像处理、动态仿真等功能于一体的交互式程序仿真开发工具，具有以下突出优点[3]。
（一）计算能力强
该软件包含了大量计算算法，拥有600多个可用于工程计算的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。这些函数能解决矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算等。高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来。
（二）绘图功能强
该软件具有完备的图形处理功能，能实现计算结果和编程的可视化。具有方便的数据可视化功能，可以将向量和矩阵等数据用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。例如二维曲线和三维曲面的可视化、图象处理、动画、表达式作图等。还有其它软件没有的图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等图形处理功能。可用于科学计算和工程绘图，保证了不同层次用户的要求。
（三）简学易用
该软件是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，且语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合非计算机专业的科技人员学习和掌握。
（四）模块工具丰富
该软件对科学计算、数字信号处理、图形图像处理、神经网络、控制、力学等许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，功能丰富的模块集和工具箱，都是由特定领域的专家开发的，用户不需要自己编写代码，可以直接使用这些模块集和工具箱学习和应用。当然，该软件还能满足这些领域用户的特殊要求，具有可扩展的特征，用户可以自己编写代码，从而扩充特殊函数工具库，开发出特殊功能的模块集和工具箱。
三 Matlab软件电磁仿真应用实例
《电磁场与电磁波》课程主要涉及源与场的关系，它以Maxwell方程组为核心，主要讲述有关宏观电磁场的基本概念、基本原理、运动规律以及电磁波传播规律等内容[4]。在该教材中，电磁波是时变的电磁场，对电磁波传播规律的学习是以前面的电磁场的知识为基础。因此，掌握电磁波传播规律的知识是该课程学习的关键所在。本文根据电磁波传播规律，通过Matlab软件对电磁波在理想介质、弱导电媒质和良导体中的传播进行了模拟仿真，从而有助学生理解电磁波传播在不同媒质中传播的关系与特性[5,6]。
均匀平面波实际上并不存在，它是电磁波的一种理想情况，但能反映电磁波的主要性质，故一般用均匀平面波研究电磁波传播规律的问题。假设某均匀平面波在一种均匀媒质（介电常数ε、磁导率μ和电导率σ）中传播，电场沿x方向极化，该均匀平面波沿+z轴方向传播，电场和磁场可表示为[4]：
用Matlab软件编程仿真，图1为均匀平面波在理想介质中的传播仿真图。从图1中可以发现，电场变化方向、磁场变化方向与电磁波传播方向遵循右手螺旋关系。另外，由于该媒质为理想介质，电磁波在无损耗的理想介质中没有衰减的传播，且磁场与电场同相位。
图2为均匀平面波在弱导电媒质中的传播仿真图。从图2中可以发现，电场变化方向、磁场变化方向与电磁波传播方向仍遵循右手螺旋关系。在弱导电媒质中，位移电流起主要作用，传导电流的影响很小。因此，弱导电媒质非理想介质，电磁波在其中传播是有一定衰减的，且磁场的相位稍滞后于电场相位。
图3为均匀平面波在良导体中的传播仿真图。从图3中可以发现，电场变化方向、磁场变化方向与电磁波传播方向也遵循右手螺旋关系。在良导体中，电导率σ很大，传导电流起主要作用，位移电流的影响很小。因此，在良导体中，高频电磁波的衰减常数非常大，电磁波传播很短距离后就衰减完了的，且磁场的相位滞后于电场45º。
四 结束语
本文利用《电磁场与电磁波》的课程特点和Matlab软件的优点，通过对电磁波在理想介质、弱导电媒质和良导体中的传播进行了Matlab软件模拟仿真，从而有助学生理解电磁波传播在不同媒质中传播的关系与特性。充分说明在该门课程的教学中引入Matlab软件，不仅可以丰富教学内容，而且可以帮助学生直观地分析与理解抽象的概念和规律，从而提高该课程的教学效果。
参考文献
[1]教育部高等学校电子信息科学与工程类专业教学指导分委员会.高等学校电子信息科学与工程类本科指导性专业规范（试行）[M].北京：高等教育出版社,2010.
[2]田雨波,张贞凯,李峰.《电磁场理论》教学的体会与思考[J].武汉大学学报理学版,2012,58(s2):127-129.
[3]王正盛.MATLAB与科学计算[M].北京:国防工业出版社,2011.
[4]谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2006.
[5]李小燕,张禹.基于Matlab实现电磁场与电磁波模拟[J].电气电子教学学报,2016,38(4):144-147.
[6]张莹,李灿苹,王骥等.电磁波在不同介质中传播的MATLAB仿真教学实践[J].教育现代化,2019,6(10):108-111.
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