《微波技术与天线》课程教学改革探索

2022-09-11

随着信息时代的到来。作为信息主要载体的高频电磁波——微波。不仅在卫星通信、计算机通信、移动通信、雷达等领域得到了广泛的应用。而且深入到了各行各业。甚至在人们的日常生活也扮演着角色。因此对于电子信息与通信工程专业的学生来说。电磁场、微波技术与天线类课程在目前及今后都是不可缺少的[1]。

1 课程特点

“微波技术与天线”课程主要涉及微波技术、天线与电波传播和微波应用系统等方面内容, 该课程具有如下特点。

(1) 理论体系严谨。数学基础要求高:本课程是电磁场理论的延伸。继承了其许多特点:以Maxwell方程组为核心。推导出电磁波在理想传输线、导波系统以及自由空间中的传播特性。并以此建立不同形状天线辐射与接收的原理;以空间三维矢量场为对象。通过分析矢量的散度、旋度与边界条件建立各种场合的场分布特性。因此要求学生应该熟练掌握高等数学、复变函数和矩阵理论等课程知识。

(2) 内容复杂而抽象。波导理论介绍矩形波导、圆波导、同轴线等的物理构成及工作原理。其场结构在三维空间分布;微波元器件中。各种连接匹配元件、功率分配元器件、谐振器件等都是日常较少见的器件。其三维结构以及内部的场在三维空间分布;另外。各种线天线、面天线的三维结构。馈电原理、辐射方向图等都比较抽象。要求学生有一定的空间想象能力和抽象思维能力。

(3) 分析方法多样。目前微波技术分析方法有:传统的场分析方法和微波中的“化场为路”的方法。场分析法。从麦克斯韦方程出发。求出满足边界条件的波动解。得出空间各点的电场和磁场的表达式。进而分析电磁波传输特性。“化场为路”方法又称为等效电路法:把传输线等效为分布参数电路。建立传输线方程。求出满足边界条件的电压、电流的分布。分析传输线的阻抗、反射系数及驻波比等传输特性。

(4) 工程性强。本课程多方面体现与工程应用紧密联系。如:雷达、导航、遥感、微波通信等系统的应用。

2 教学中存在的问题

教学中存在的问题主要表现为:

(1) 教学方法比较传统单一。目前大部份高校还是采用传统的“一支粉笔、一块黑板”的教学方式。板书将占课时的很大比重。虽然这对于理论推导比较严谨的课程来说有助于让学生充分理解公式的由来。但讲课的效率无法充分提高。

(2) 在过于偏重理论教学, 实践教学所占比重较小, 在有限的课时教学中传统方式仅仅能将基本的、重要的概念、原理、方法教授给学生, 而对微波技术的发展前沿讲座、更深一层次的教学知识点、探索性发散性的学科问题涉及较少。

(3) 缺少学科建设及科研经费, 造成实验室先进仪器设备相对匮乏。不能提供给学生开放式教学所必需的环境。

(4) 对学生的考核标准过于单一, 很大程度上存在着“分数定高低”的现象, 对于一部分学有余力、对科研抱有浓厚兴趣的学生, 很难有效提高他们的实验室动手能力, 不利于培养学生的自主学习能力。

(5) 学时紧张:“微波技术与天线”课程由原来的“微波技术”和“天线”2门课程合并而成。学时数由最初的120学时减少到现在48学时。

3 教学方法改革

3.1 及时更新课程内容, 提高学生学习兴趣

微波技术课程内容比较抽象, 学生在学习中不易建立概念, 也会因怀疑课程的实用性从而减少学习的动力。针对这些问题, 应多注重对于课程内容实际应用背景的介绍, 比如介绍未来移动通信技术中的射频技术等, 以提高学生的学习兴趣。积极改革教学内容组织方式。

3.2 灵活运用多种教学手段

例如在微波元器件、天线等章节中有很多器件结构图、原理图。若每图必画。费时费力且不太可能。因此。可采用挂图、幻灯机或投影仪等教学手段来节省课堂板书时间。还可采用传统媒体与现代媒体相结合的教学手段。如采用MATLAB、HFSS等结构仿真软件辅以计算机仿真教学。进行多媒体教学组合设计。使图、文、音、像并茂。让学生多感官配合。促使学生主动发展。这样不但可以提高教学效率。活跃课堂气氛。而且可适当增大每节课的容量。延缓一下实践性教学课时增加与理论教学时数减少的矛盾。

3.3 开展互动式教学与研究式教学

开展互动式教学, 在授课过程中, 鼓励学生提问, 每一章结束后都进行分组讨论培养学生的独立思考、分析问题、解决问题的能力。开放式、研究式的讨论, 使学生总结归纳所学内容, 用一条龙“串”起来, 写出“小论文”形式的学习笔记。这些措施促进了学生的积极性和自信心的提高, 帮助学生克服了畏难情绪, 增强了对自己将来从事微波科研工作的兴趣和信心。

3.4 将实践性教学与启发式教学相结合

理论教学中应加强实验教学环节。实验室设备条件差的。为节省设备经费, 可采取硬件平台与软件辅助相结合, 学生实际动手操作与演示相结合的方法。开发基于仿真实验平台的实验内容。如从测量微波的基本参量入手, 将“电磁场与电磁波”实验与“微波技术”实验有机结合, 使学生加深对书本知识的理解;采用计算机仿真软件HFSS。可以设计高频波段的微波元器件以及各种天线。可以获得元器件的S矩阵、天线的方向图、阻抗匹配图等。让学生切实感受到微波元件的设计方法。并顺势加强启发式教学, 鼓励学生多去“试一试”, 让其在“试一试”的过程中得到进步。

3.5 积极进行网上教学改革试验

充分利用利用网络教学来补充课堂教育, 将网络教育与课堂教育有机地融合起来。开设了答疑邮箱, 通过邮件往复方便而又及时地解答了学生的大量问题;开通教学博客, 提供电子教材和波导场结构的多媒体演示, 以激发学生的学习热情;同时积极指导学生利用网络资源了解本学科发展的最新动态和当前研究的热点问题, 进行自主探究、发现学习、协商讨论学习以及创造性学习。