《电磁场与电磁波》课程教学大纲

电磁场与电磁波（ElectromagneticFieldandWave）课程基本信息课程编号：04021569课程总学时：32实验学时：8学时课程性质：选修课程属性:基础类开设学期：第4学期适用专业：电子信息工程对先修的要求：高等数学，物理学对后续的支撑：高频线路，单片机原理等一、课程的教学理念、性质、目标和任务本课程是高等学校电子信息工程类各专业本科生必修的一门技术基础课，是学生设计嵌入式系统和电子类器件的基础理论。学习目标是为嵌入式系统硬件设计提供理论和技术支撑，解决电磁兼容和干扰问题，提高系统的可靠性。通过本课程的学习，使学生熟悉电磁场与电磁波的基本理论，掌握其规律，对一些基本的电磁场与电磁波问题能进行定性分析和定量计算。通过本课程的学习，学生也应掌握宏观电磁场的基本属性和运动规律，掌握宏观电磁场的基本求解方法，了解宏观电磁场的主要应用领域及其原理，训练分析问题、归纳问题的科学方法，培养用数学解决实际问题的能力。本课程中有大量的公式推导，对高等数学的微积分和多重积分有较高要求，因此应重视学生基础知识的学习。梳理本书内容，把常用的数学公式和计算罗列出来，让学生课下重点练习。二、课程目标及对毕业要求指标点的支撑序号课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求1理解并掌握电磁场与电磁波的基本概念和方法，并具有将其运用到电子信息工程专业领域的能力。指标点1.21.工程知识2能够在安全、法律、环境等现实约束条件下，从技术、经济角度对微波、天线、电磁兼容等设计方案的可行性进行评价。指标点7.27.环境和可持续发展三、教学内容及进度安排（一）理论教学序号教学内容学生学习预期成果课内学时教学方式支撑课程目标1第一部分矢量分析：正交坐标系；标量场的等值面及等值面方程，标量场的梯度；矢量线的微分方程；矢量场的不变特性，矢量线的特性；矢量场的散度和旋度；哈密顿算子▽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；两个零恒等式；无旋场与无散场；亥姆霍兹定理。重点：掌握标量场的梯度、矢量场的散度、旋度的概念和运算，及其对场的性质的描述。难点：建立微分形式的场方程。掌握标量场的等值面及等值面方程，标量场的梯度；矢量线的微分方程，矢量场的散度和旋度；哈密顿算子▽和拉普拉斯算子▽2；高斯散度公式和斯托克斯公式，两个零恒等式；亥姆霍兹定理。理解圆柱坐标系、球坐标系；方向导数、通量、环量；无旋场与无散场；格林定理。了解矢量场的不变特性，矢量线的特性。8采用启发式教学、鼓励学生自学、培养学生自学能力。贯彻少而精的原则，精选教学内容，精讲多练。目标12第二部分电磁场的基本规律：宏观电荷和电流是产生电磁场的场源；电荷守恒定律和全电流连续性原理是宏观电磁现象必须遵循的基本定律；电场强度库仑定律；安培力定律磁感应强度；静止自由空间电磁场基本方程的积分形式和微分形式；传导、极化、磁化；静止介质中电磁场基本方程的积分形式和微分形式；法拉第电磁感应定律、位移电流；麦克斯韦方程；根据电磁场基本方程的微分形式，导出电磁场在两种不同介质分界面的边界条件。重点：总结归纳电磁场运动规律的基本方程，并讨论物质对电磁场的三种响应——传导、极化和磁化，麦克斯韦方程以及电磁场在不同介质分界面的边界条件。难点：电磁场在不同介质分界面的边界条件的确定。掌握电荷守恒定律和全电流连续性原理是宏观电磁现象必须遵循的基本定律；电场强度库仑定律；安培力定律磁感应强度；传导、极化、磁化；法拉第电磁感应定律、位移电流；麦克斯韦方程；电磁场在两种不同介质分界面的边界条件。理解宏观电荷和电流是产生电磁场的场源；静止自由空间电磁场基本方程的积分形式和微分形式；传导、极化、磁化；静止介质中电磁场基本方程的积分形式和微分形式；根据电磁场基本方程的微分形式，导出电磁场在两种不同介质分界面的边界条件。了解媒质的特性。12强调数学知识应用，但不拘泥于数学知识的推导中。本部分主要是把第一章的基本知识应用到电磁场中去，属于知识的迁移。采用的方法同第一章。目标23求解边值问题的常用的方法和场的实验研究；边值问题解答的唯一性；镜象法计算简单的电场问题；分离变量法和有限差分法。重点和难点：积分法，镜像法，分离变量法。了解边值问题分类，有限差分法。理解唯一性定理。掌握积分法，镜像法，分离变量法求解边值。4讲授目标1实验教学序号实验名称学时实验教学内容学习要求课程目标1静电场仿真2（1）学习MATLAB的基本用法，了解MATLAB的目录结构和基本功能以及MATLAB在信号与系统中的应用。（2）点电荷静电场仿真、电偶极子的电场分布仿真。建立静电场中电场及电位空间分布的直观概念。课程目标12恒定电场仿真3高压直流电线表面的电场分布仿真。建立恒定电场中电场及电位空间分布的直观概念。课程目标23恒定磁场仿真3圆环电流周围引起的磁场分布仿真。建立恒定磁场中磁场空间分布的直观概念。课程目标2四、课程思政本部分主要是培养学生坚持民族自信，发展我国电磁领域的新兴技术。课程思政素材:序号立德树人（德育）素材对应章节教学方法1向科学大家学习全书从电磁学发展史出发，培养学生勇于探索、坚持不懈的科学精神。在电磁理论的建立过程中，有很多伟大的科学家，他们的努力和坚持推动了科技的进步和社会的发展。著名电磁科学家的个人修养、道德品质、科学精神是良好的德育素材。灵活搭建知识点和人文思政元素之间联系的桥梁，挖掘科学家所拥有的巨大教育力量，用他们正确的思想启迪学生，高尚的情操感染学生，优良的行为引导学生，培养学生勇于探索、坚持不懈的科学精神。五、教材及参考资料1.选用教材：（1）理论课教材：电磁场与电磁波第二版.曹祥玉编著.西安电子科技大学出版社，2017年（2）实验课教材：电磁场与电磁波教学指导.邹鹏等编著.清华大学出版社2016年。2.参考书：（1）电磁场与电磁波第三版.杨儒贵编著.高等教育出版社，2019年（2）电磁场与电磁波第四版.谢处方绕克谨编著.高等教育出版社2006年（3）电磁场与电磁波第二版.杨洪欣等编著.清华大学出版社2016年3.推荐网站：（1）西安电子科技大学，/faculty/hmlu/jiaoxuedagang/index.html（2）厦门大学，网/mfmw/emfeplan.html六、教学条件软件仿真需要计算机教室，安装matlab软件。课堂教学需要配备多媒体和安装matlab软件。七、课程考核、考核方式及成绩评定序号课程目标（支撑毕业要求指标点）考核内容平时成绩（40%）期末考试（60%）成绩比例%课堂表现（10%）作业（20%）实验（10%）11.2电磁波基础知识582203527.2电磁场复杂问题求解51284065合计10201060100（1）作业评分标准成绩课程目标优秀（90-100分）良好（80-89分）中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（<60分）课程目标1（8%）按时交作业，信号与系统概念理解正确，相关知识点论述清晰，能正确电磁场的基本公式、概念，会利用电磁场基本理论建立工程模型并求解。按时交作业，信号与系统概念理解正确，相关知识点论述比较清晰，能基本正确电磁场的基本公式、概念，基本会利用电磁场基本理论建立工程模型并求解。按时交作业，信号与系统概念理解基本正确，相关知识点论述基本清晰，会使用电磁场的基本公式、概念，理解电磁场基本理论，初步建立基本工程模型并求解。按时交作业，信号与系统基本概念理解一般，相关知识点论述一般，能初步理解电磁场的基本公式、概念，原则上会利用电磁场基本理论建立基本工程模型。不交或不按时交作业；有抄袭现象；或者基本概念不清晰；不能正确电磁场的基本公式、概念，了解利用电磁场基本理论建立基本工程模型。课程目标2（12%）按时交作业，基本概念理解正确，相关知识点论述清晰；能熟练使用电磁场理论分析、求解电磁场方程。按时交作业，基本概念理解正确，相关知识点论述比较清晰；能较为熟练使用电磁场理论分析、求解电磁场方程。按时交作业，基本概念理解基本正确，相关知识点论述基本清晰；基本能熟练使用电磁场理论分析、求解电磁场方程。按时交作业，基本概念理解一般，相关知识点论述一般；基本会使用电磁场理论分析、求解电磁场方程。不交或不按时交作业；有抄袭现象；或者基本概念不清晰；相关知识点论述不清晰；不能使用电磁场理论分析、求解电磁场方程。每次作业按百分制评分，以所有作业的平均成绩计入总成绩。实验环节考核与评价标准成绩课程目标优秀（90-100分）良好（80-89分）中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（<60分）课程目标1（2%）按照要求完成实验预习，并按照相关实验要求进行程序编写和调试，程序简洁明了，运行结果及分析正确。按照要求完成实验预习，并按照相关实验要求进行程序编写和调试，程序较为简洁，运行结果及分析正确。按照要求完成实验预习，并基本按照相关实验要求进行程序编写和调试，程序一般，运行结果及分析基本正确。基本按照相关实验要求进行程序编写和调试，程序较为一般，运行结果及分析基本正确。不按要求预习，不按要求进行程序编写和调试；程序编写不正确，运行结果及分析有误。课程目标2（8%）按照要求完成实验预习，并按照相关实验要求进行程序编写和调试，程序正确简洁，运行结果及分析正确，实验报告撰写规范。按照要求完成实验预习，并按照相关实验要求进行程序编写和调试，程序较为简洁，运行结果及分析正确，实验报告撰写较规范。按照要求完成实验预习，并基本按照相关实验要求进行程序编写和调试，程序一般，运行结果及分析基本正确，实验报告撰写欠规范。基本按照相关实验要求进行程序编写和调试，程序较为一般，运行结果及分析基本正确，实验报告撰写欠规范。不按要求预习，不按要求进行程序编写和调试；程序编写不正确，运行结果及分析有误，无实验报告。（3）课堂表现与评分标准课程目标考核内容评分标准90-100分80-89分70-79分60-69分<60分课程目标2（5%）考核学生课下预习、复习、课堂回答问题及讨论参与情况。遵守课堂纪律，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%；或能回答老师提出的问题，准确率大于90%遵守课堂纪律，认真参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于80%；或能回答老师提出的问题，准确率大于80%。遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于70%。遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于60%。遵守课堂纪律，但不能正常参与课堂教学活动，不能回答老师提出的问题。课程目标2（5%）考核学生课下预习、复习、课堂回答问题及讨论参与情况。遵守课堂纪律，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%；或能回答老师提出的问题，准确率大于90%遵守课堂纪律，认真参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于80%；或能回答老师提出的问题，准确率大于80%。遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于70%。遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于60%。遵守课堂纪律，但不能正常参与课堂教学活动，不能回答老师提出的问题。（4）期末考核与评分标准课程目标考核内容评分标准90-100分80-89分70-79分60-69分<60分课程目标1（20%）电磁场基本概念、定理和方程求解。掌握标量场的等值面及等值面方程，标量场的梯度；掌握矢量线的微分方程，矢量场的散度和旋度；熟练使用高斯散度公式和斯托克斯公式、两个零恒等式和亥姆霍兹定理求解基本工程问题，会求解电磁场的边值问题。基本掌握电磁场梯度、散度和旋度基本概念；基本掌握矢量线的微分方程；基本熟练使用高斯散度公式和斯托克斯公式、两个零恒等式和亥姆霍兹定理求解基本工程问题，基本会求解电磁场的边值问题。理解电磁场梯度、散度和旋度基本概念；理解矢量线的微分方程；会使用高斯散度公式和斯托克斯公式、两个零恒等式和亥姆霍兹定理求解基本工程问题，理解电磁场的边值问题。基本理解电磁场梯度、散度和旋度基本概念；基本会使用高斯散度公式和斯托克斯公式、两个零恒等式和亥姆霍兹定理求解基本工程问题，基本理解电磁场的边值问题。不理解电磁场梯度、散度和旋度基本概念；不会使用高斯散度公式和斯托克斯公式、两个零恒等式和亥姆霍兹定理求解基本工程问题，不会电磁场的边值问题。课程目标2（40%）恒定电场、静电场和恒定磁场的方程描述和求解。掌握电磁场的散度、旋度和极化等基本概念。掌握静电场高斯通量定理、泊松方程和拉普拉斯方程求解。掌握磁感应强度、磁场强度、磁化强度的定义及三者间关系和磁通连续性原理。基本掌握电磁场的散度、旋度和极化等基本概念。基本掌握静电场高斯通量定理、泊松方程和拉普拉斯方程求解。掌握磁感应强度、磁场强度、磁化强度的定义及三者间关系和磁通连续性原理。理解电磁场的散度、旋度和极化等基本概念。掌握静电场高斯通量定理、泊松方程和拉普拉斯方程求解。理解磁感应强度、磁场强度、磁化强度的定义及三者间关系和磁通