“信息電子技術(shù)中場(chǎng)與波”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

沈長圣，柏寧豐，丁德勝，孫小菡

(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(chǎng)與波”是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其任務(wù)是使學(xué)生掌握微波與光導(dǎo)波的基本概念、理論和分析方法。該課程的理論性強(qiáng)，要求學(xué)生物理概念準(zhǔn)確，具有較強(qiáng)的抽象思維能力，涉及到大量數(shù)學(xué)公式和復(fù)雜的分析手段，我院該課程組曾對(duì)“微波與光導(dǎo)波”和“場(chǎng)與路理論”等相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重新組織，采用多媒體和Matlab工程應(yīng)用軟件等來形象生動(dòng)地演示“場(chǎng)與波”。通過課程教學(xué)方法和手段的改革，提高了課堂教學(xué)效率［1，2]。但是由于種種原因，課堂教學(xué)的實(shí)例與實(shí)踐機(jī)會(huì)較少，學(xué)生也因此懷疑課程的實(shí)用性。本學(xué)期我們配合所講授的知識(shí)，設(shè)計(jì)出合適的實(shí)驗(yàn)，以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困難及對(duì)策

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有許多現(xiàn)實(shí)的困難需要解決，如經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地和師資等問題。因此現(xiàn)在此專業(yè)課程很多開設(shè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)也已不再開設(shè)。由于微波與光波的實(shí)驗(yàn)儀器較昂貴［3]，學(xué)校很難配置足夠多的儀器，也難以為單獨(dú)一門專業(yè)課提供教學(xué)實(shí)驗(yàn)。這在其他高校都有類似的情況［4]。我們采用的對(duì)策是:在設(shè)備套數(shù)與場(chǎng)地有限的情況下，增配實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師，對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)生編成多個(gè)小組，通過多開班次的辦法，增加學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)，做到實(shí)驗(yàn)日程科學(xué)規(guī)劃，合理安排，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室的最大效能?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上已推出的實(shí)驗(yàn)套件。比較適合高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。我們將此與通用儀器搭配選購，在功能、指標(biāo)和數(shù)量上折衷［4]。

另外，師資力量也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)問題。如本校在教師工作量計(jì)算時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)是減半計(jì)算的。其實(shí)在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期需要投入大量時(shí)間，如實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、儀器選購和實(shí)驗(yàn)安排等，以及實(shí)驗(yàn)過程中的儀器管理與維護(hù)等都是十分耗時(shí)耗力的事情。若學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，又需要更多時(shí)間。而且，專門的實(shí)驗(yàn)人員由于編制等原因也很難安排。我們通過選配優(yōu)秀的研究生協(xié)助任課教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，同時(shí)鼓勵(lì)任課教師本著對(duì)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)的教學(xué)態(tài)度，克服困難進(jìn)行奉獻(xiàn)來加以解決。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

“信息電子技術(shù)中的場(chǎng)與波”課程內(nèi)容主要包含微波與光導(dǎo)波兩部分，教學(xué)實(shí)驗(yàn)也設(shè)計(jì)了微波系統(tǒng)與光波系統(tǒng)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，本文以微波系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

矩形波導(dǎo)是一種重要的微波傳輸線，我們?cè)O(shè)計(jì)了三厘米微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其主要儀器有YS1123信號(hào)發(fā)生器、隔離器、GX2C-1功率計(jì)、YS3892選頻放大器、TC26A三厘米波導(dǎo)測(cè)量線和BD20A三厘米波導(dǎo)系統(tǒng)(包括同軸/波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器、E-H阻抗調(diào)配器、定向耦合器、可變衰減器、匹配負(fù)載、PX16直讀式頻率計(jì)、可變短路器和晶體檢波器等)。三厘米微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)物和連接框圖如圖1和圖2所示。

通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解微波傳輸和測(cè)量系統(tǒng)常用的元器件;掌握頻率/波長、波導(dǎo)波長、相位常數(shù)、駐波比、阻抗的測(cè)量原理和方法;掌握衰減器的衰減量和定向耦合器的耦合度的測(cè)量原理和方法。如頻率/波長的測(cè)量可以用吸收式頻率計(jì)作頻率測(cè)量，也可以用測(cè)量線或可變短路器來測(cè)量，并比較和分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

電磁波有行波、駐波和行駐波三種工作狀態(tài)，是課程中重要的一組概念。為了讓學(xué)生能在實(shí)際的傳輸線中，對(duì)這三種工作狀態(tài)駐波比有深入的認(rèn)識(shí)，可以在圖2的終端處接不同負(fù)載，如匹配負(fù)載和短路器、被測(cè)器件等，以實(shí)現(xiàn)不同的工作狀態(tài)。如進(jìn)行波導(dǎo)波長的測(cè)量，首先將YS1123標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器調(diào)到所需要的輸出頻率，仔細(xì)調(diào)節(jié)E-H阻抗調(diào)配器，使指示功率達(dá)到最大。然后圖2中的終端處接可變短路器。移動(dòng)測(cè)量線探針，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整放大器的增益避免在最大輸出位置時(shí)使選頻放大器的表頭指針打表。來回移動(dòng)測(cè)量線的探針，觀察傳輸線在終端短路情況下全反射的駐波分布情況。用“平均法”找出兩個(gè)相鄰的最小點(diǎn)位置D1和D2，即:移動(dòng)探針在駐波最小點(diǎn)左右找出兩個(gè)具有相同幅度(由選頻放大器讀出)的位置d1和d2，然后取其平均值、即為所需的最小點(diǎn)位置D1，用相同的方法找出相鄰的最小點(diǎn)D2，如圖3所示。相鄰兩個(gè)最小點(diǎn)的距離即為半個(gè)波導(dǎo)波長，即λg=2|D1－D2|。

圖3 終端短路下駐波分布

3 結(jié)語

本文對(duì)“信息電子技術(shù)中場(chǎng)與波”實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了一系列改革，并在課程中實(shí)施，使原本抽象的理論教學(xué)因有實(shí)驗(yàn)變得具體而形象。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)過程，加深了學(xué)生對(duì)基本概念的理解，提高對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用能力，取得了較好的教學(xué)效果。從學(xué)生實(shí)驗(yàn)課上的表現(xiàn)來看，學(xué)生對(duì)此類課程的學(xué)習(xí)態(tài)度發(fā)生轉(zhuǎn)變，由畏難到產(chǎn)生興趣，積極性得到很大提高，也能積極思考提問。

［1] 沈長圣，孫小菡，柏寧豐.“信息電子技術(shù)中的場(chǎng)與波”教學(xué)改革探討［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(4):30-31

［2] 柏寧豐，沈長圣，孫小菡.場(chǎng)與路理論在信息電子課程中的教學(xué)實(shí)踐［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(5):16-18

［3] 莫蓓莘.規(guī)范教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心管理，追求卓越實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果［J] .北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(11):96-98

［4] 李高升，覃宇建，劉培國，黃紀(jì)軍.電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究［J] .西安:高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2010，(4):72-74