“信息電子技術(shù)中的場與波”教學(xué)改革探討

沈長圣,孫小菡,柏寧豐

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210096)

“信息電子技術(shù)中的場與波”是工科電子信息類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課,是在學(xué)習(xí)了“電磁場與電磁波”等課程基礎(chǔ)上,深入研究微波與光波領(lǐng)域的重要課程。其特點是理論與工程性及實踐性較強。課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握微波與光導(dǎo)波的基本概念、基本理論和分析方法。其講授的內(nèi)容涵蓋了微波與光導(dǎo)技術(shù)所涉及的各個方面的知識。

由于“信息電子技術(shù)中的場與波”所涉及的電磁波比較抽象,所以學(xué)生普遍反映比較難學(xué)。隨著教學(xué)改革的不斷深入和發(fā)展,要求學(xué)生學(xué)習(xí)的課程門數(shù)不斷增加,而總學(xué)時不變,這必然使每門課程的平均學(xué)時有所下降。本課程從64個學(xué)時壓縮到48個學(xué)時。如何讓學(xué)生面對課時少、內(nèi)容多及課程難度大的現(xiàn)況,更好地掌握相關(guān)的微波與光導(dǎo)波知識,是我們目前面臨的一個重要課題。

1 課程特點

微波與光波的波長相差3～4個數(shù)量級,它們的傳播特性也是不同的。一直以來,微波與光波被分開獨立研究,處理方法也各有特點,因此微波技術(shù)和光波技術(shù)歷來被分作兩門課程。到20世紀80年代,隨著微電子、激光與通信技術(shù)的發(fā)展,微波與光波技術(shù)的交叉越來越明顯,將微波技術(shù)與光導(dǎo)波技術(shù)組織在一門課程中教學(xué)已逐漸成為一種實際需要[1］。

本課程是由微波技術(shù)、光波技術(shù)兩門課程合并一起的課程:主要內(nèi)容包括傳輸線理論和圓圖的應(yīng)用;波導(dǎo)理論如矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、同軸線和光波導(dǎo)等的物理構(gòu)成及其工作原理;諧振腔的結(jié)構(gòu)和特征參數(shù)等。其中場結(jié)構(gòu)在三維空間分布,要求學(xué)生具有一定的空間想象能力和抽象思維能力。公式推導(dǎo)和計算繁多,學(xué)生需要較堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

2 教學(xué)方法改革

2009年開始,本課程進行了教學(xué)改革。具體措施是在星期一由一位資深教授主講基本概念,使學(xué)生對基本知識全面掌握;在星期四,學(xué)生分成兩個班,兩位教師分別講解公式推導(dǎo)、物理概念、例題講解和具體應(yīng)用等等,使學(xué)生領(lǐng)會知識的內(nèi)涵和應(yīng)用。這種教學(xué)改革將微波技術(shù)與光導(dǎo)波技術(shù)內(nèi)容真正組織在一門課程中。例如對金屬波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)的尺寸、工作模式、解法、導(dǎo)波模式和場分布等進行比較;對于金屬波導(dǎo)在確定邊界條件下求解矢量波動方程,不能用幾何光學(xué)方法處理,一般是主模工作(或少數(shù)幾個高次模工作);而對于介質(zhì)波導(dǎo),可用場解法、幾何光學(xué)方法處理,可多模工作;對于金屬波導(dǎo),在邊界以外沒有電磁波存在,導(dǎo)波模的截止對應(yīng)于β=0,即純橫向諧振而無縱向傳播(波矢的縱向分量為零,只有橫向分量),金屬邊界側(cè)向封閉,不可能產(chǎn)生能量的橫向泄漏或輻射;當波導(dǎo)發(fā)生彎曲和變形等不均勻性時,在其附近將產(chǎn)生高階模式;而對于介質(zhì)波導(dǎo),場充滿整個空間,在不同的區(qū)域滿足不同的條件,具有不同性質(zhì)(芯區(qū)為橫向振蕩、縱向傳播;包層區(qū)為橫向衰減、縱向傳播),導(dǎo)波模的截止對應(yīng)于β=k0n2,此時仍有縱向傳播,只是開始出現(xiàn)橫向泄漏或輻射,因為其為開放式結(jié)構(gòu),泄漏模和輻射模完全可能存在,不勻均性將引起能量的橫向泄漏或輻射。

本課程組由一名資源教授帶領(lǐng)兩位年輕教師,實現(xiàn)了合理的教學(xué)梯隊結(jié)構(gòu)。課程組多次研究改進教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式、教學(xué)管理以及教學(xué)研究等,及時糾正并規(guī)范教學(xué)中所出現(xiàn)的問題,使年輕教師的教學(xué)水平得到較快地提高。

3 教學(xué)手段改革

1)加強背景知識介紹

“信息電子技術(shù)中的場與波”從內(nèi)容上來看,數(shù)學(xué)工具使用較多,對于先修的基礎(chǔ)課如“復(fù)變函數(shù)”、“線性代數(shù)”和“電磁場理論”等要求較高。由于傳輸線理論和導(dǎo)波場論等非常抽象,我們在講授中較多注重課程內(nèi)容實際應(yīng)用背景的介紹,以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時鼓勵一部分學(xué)有余力的學(xué)生提前進入實驗室參加到科研工作,培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

2)計算機技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)在,科學(xué)計算語言,如Matlab和Math CAD等,已在大學(xué)教育和科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用[2］。Matlab語言提供了問題求解、模擬和實現(xiàn)結(jié)果的可視化的可能[3］,能使學(xué)生可深入理解導(dǎo)波模場的空間分布。圖1所示為用Matlab畫出了矩形波導(dǎo)中的場分布,由圖可以很直觀地看出場在各個方向的變化情況。

圖1 矩形波導(dǎo)中場分布

3)網(wǎng)上教學(xué)改革試驗

充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)來補充課堂教育,將網(wǎng)絡(luò)教育與課堂教育有機地融合起來。我們還開設(shè)了答疑郵箱,通過郵件與學(xué)生交流答疑,同時指導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源了解本學(xué)科發(fā)展的最新動態(tài)和當前研究的熱點問題。我們已經(jīng)建設(shè)了一個“信息電子技術(shù)中的場與波”課程教學(xué)網(wǎng)站(http:∥esr-poc.seu.edu.cn/luntan/)。

4 結(jié)語

通過對學(xué)生的調(diào)查反饋表明,學(xué)生對于教學(xué)改革是比較認可和支持的。學(xué)生的考試成績的提高也反映出學(xué)生對所學(xué)課程的理解和掌握情況。通過課程教學(xué)方法和手段的改革,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了課堂教學(xué)效率。

[1］陳抗生.微波與光導(dǎo)波技術(shù)教程[M］.杭州:浙江大學(xué)出版社,2000

[2］梁振光.Matlab在“電磁場”教學(xué)中的應(yīng)用[J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,2004,26(3):105-106

[3］田雨波,張貞凱.“電磁場理論”教學(xué)改革初探[J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,2008,30(1):11-13