微波技術(shù)分類開放式實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

全紹輝

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100191)

“微波技術(shù)”課程是電子信息類、通信工程類專業(yè)課程體系中的核心課程，國(guó)內(nèi)外高校都對(duì)其教學(xué)開展過較多研究［1-4]。該課程也是射頻、微波和天線等工程師職位的入門課。企業(yè)在招聘這些職位時(shí)，均要求應(yīng)聘者在微波仿真軟件、射頻和微波儀器測(cè)試等方面具有較多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)微波類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出較高要求。

我國(guó)高校開設(shè)的“微波技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)，主要是針對(duì)傳輸線理論、波導(dǎo)理論和微波網(wǎng)絡(luò)的波導(dǎo)測(cè)量線驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，存在如下問題:①較少涉及實(shí)用微波元件原理和工作性質(zhì)，缺乏趣味性和實(shí)用性;②缺乏針對(duì)課程的軟件設(shè)計(jì)和軟件仿真實(shí)驗(yàn);③實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)，缺乏開放性和綜合性訓(xùn)練。

1 分類開放式實(shí)驗(yàn)定位

我們?cè)诒Ａ魝鹘y(tǒng)波導(dǎo)測(cè)量線實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合早期開展微波虛擬實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)［5]，嘗試進(jìn)行一種分類開放式實(shí)驗(yàn)。這樣可以充分考慮學(xué)生多元化個(gè)性特征和發(fā)展特征，重在發(fā)揮學(xué)生的自主性和調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

我校的“微波技術(shù)”課程被安排在大三進(jìn)行，主要講授傳輸線理論、波導(dǎo)理論、微波網(wǎng)絡(luò)和微波元件［6]。我院大部分學(xué)生將在電子類和通信類的相關(guān)專業(yè)方向發(fā)展，部分學(xué)生有可能選擇電磁場(chǎng)與微波技術(shù)相關(guān)的專業(yè)繼續(xù)學(xué)習(xí)深造。

考慮到這一現(xiàn)狀，我們?cè)诮虒W(xué)中設(shè)計(jì)了三類開放性實(shí)驗(yàn)，包括:信息收集類實(shí)驗(yàn)、軟件設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)和軟件仿真類實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)從學(xué)期初開始布置，到學(xué)期末完成。

2 開放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例

1)信息收集類

選擇信息類實(shí)驗(yàn)的學(xué)生可以廣泛搜集并整理相關(guān)資料，對(duì)自己將來發(fā)展方向進(jìn)一步明確定位。對(duì)課程建設(shè)而言，通過這些實(shí)驗(yàn)可以逐漸建立各種微波學(xué)科和專業(yè)相關(guān)的信息和資料庫(kù)。通過在網(wǎng)站發(fā)布，還可以分發(fā)給其他學(xué)生，實(shí)現(xiàn)共享資源和普及信息知識(shí)。

設(shè)計(jì)實(shí)例:“航空航天領(lǐng)域的微波技術(shù)”。

要求學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，寫一篇這類問題的綜述論文。論文考評(píng)內(nèi)容有:①原創(chuàng)性和創(chuàng)新性;②題目、摘要、引言和結(jié)論以及對(duì)論文核心內(nèi)容和成果的概括性和提煉度;③正文層次是否清晰，內(nèi)容是否豐富;④參考資料的完整性和權(quán)威性;⑤論文上傳網(wǎng)站被用戶閱讀、提問和評(píng)價(jià)的情況;⑥論文作者在線答疑的情況。

2)軟件設(shè)計(jì)類

設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)任務(wù)主要針對(duì)課程教學(xué)和學(xué)習(xí)中的一些疑難原理和計(jì)算問題，讓學(xué)生自由選擇自己熟悉的軟件工具，編程完成規(guī)定的功能設(shè)計(jì)。學(xué)生通過這一類實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步熟練掌握，也鍛煉了實(shí)際承擔(dān)軟件編程的能力。對(duì)課程建設(shè)而言，學(xué)生設(shè)計(jì)完成的軟件可以作為輔助教學(xué)的有效工具。由于這些軟件是由正在上課的學(xué)生在教師教輔指導(dǎo)下共同完成的，其功能更具有教學(xué)的針對(duì)性和實(shí)用性。

設(shè)計(jì)實(shí)例:“史密斯圓圖動(dòng)態(tài)展示”。

要求學(xué)生設(shè)計(jì)完成具有可視的友好界面且可獨(dú)立運(yùn)行的教學(xué)演示軟件。藉此可以演示史密斯圓圖的形成過程，顯示傳輸線上不同位置的圓圖變化特征，形成完整的史密斯圓圖，當(dāng)作計(jì)算工具使用。該軟件還可以拓展演示史密斯圓圖其它實(shí)用功能，如參數(shù)展示和支節(jié)匹配等。

3)軟件仿真類

仿真類實(shí)驗(yàn)針對(duì)目前流行的一些電磁微波仿真軟件，收集總結(jié)相關(guān)的使用技巧、原理和方法，并針對(duì)課程學(xué)習(xí)的微波傳輸線和微波元件，選用一種仿真軟件進(jìn)行場(chǎng)結(jié)構(gòu)模擬和參數(shù)分析。這類實(shí)驗(yàn)有一定難度，不僅要求學(xué)生具有較扎實(shí)的電磁和微波理論基礎(chǔ)，并具有較強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)手能力。

設(shè)計(jì)實(shí)例:“雙T和魔T接頭的仿真優(yōu)化”。

要求學(xué)生選定初始工作頻段(如X波段)，對(duì)一定尺寸的雙T接頭進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并利用圓柱、圓錐和膜片等結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行調(diào)配而成為魔T。該仿真軟件可以展示內(nèi)部場(chǎng)結(jié)構(gòu)和端口的S參數(shù)隨結(jié)構(gòu)調(diào)整的漸近變化過程，以及結(jié)構(gòu)隨頻率變化的特征。

3 微波學(xué)堂網(wǎng)選題和考評(píng)

通過構(gòu)建微波學(xué)堂網(wǎng)論壇［7]，依托該網(wǎng)站的“在線課程→微波技術(shù)→實(shí)驗(yàn)實(shí)踐”欄目，可實(shí)現(xiàn)分類開放式實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的在線選題、成果提交和考評(píng)。

1)選題方式

在選題階段，每個(gè)題目都根據(jù)難易程度、課程需求設(shè)定了星級(jí)。最高五星，最低三星，不同星級(jí)對(duì)應(yīng)評(píng)分不同。規(guī)定每人至少選1題。鼓勵(lì)1人多題，也可以1題多選。采取網(wǎng)上自由報(bào)名形式，先報(bào)先定。報(bào)名者回帖說明所報(bào)題目，教輔通過審核評(píng)分或回帖即為報(bào)名生效。對(duì)先報(bào)名者有加分獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)所有報(bào)名者進(jìn)行抽簽分組。

2)考評(píng)方式

在考評(píng)階段，要求將實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交到對(duì)應(yīng)班級(jí)版塊?？偨Y(jié)報(bào)告和相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，學(xué)生都應(yīng)獨(dú)立思考和完成。如出現(xiàn)雷同可酌情減分，與已提交報(bào)告完全相同且不能出示獨(dú)立完成證據(jù)者或明顯將前面提交學(xué)生的報(bào)告修改拼湊提交者均沒有成績(jī)。報(bào)告提交較早者可以獲得一定的額外獎(jiǎng)勵(lì)加分。

3)選題結(jié)果分析

對(duì)2011-2012年度選修微波技術(shù)課的學(xué)生，我們共提供了35道題目供學(xué)生選擇。以筆者任教班級(jí)參加選題的102人為例，表1給出了選題統(tǒng)計(jì)。包括題目分類、種類題目數(shù)目、選題人數(shù)/比例和選題人次/比例。表中的選題人數(shù)比例加起來超過100%，是因?yàn)橛幸恍W(xué)生同時(shí)選擇了兩個(gè)或兩個(gè)以上題目。

從表中可以看到，選擇信息收集類的人次數(shù)最多。有較少人選擇軟件設(shè)計(jì)類，說明這些軟件設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)電子信息工程學(xué)院的大部分學(xué)生來說還是偏難的。有較多學(xué)生選擇了難度稍大的軟件仿真任務(wù)，說明這些學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)，對(duì)深入微波專業(yè)學(xué)習(xí)有興趣，實(shí)際動(dòng)手能力也較強(qiáng)。

表1 選題人數(shù)和人次統(tǒng)計(jì)

學(xué)生完成這些實(shí)驗(yàn)后，既達(dá)到對(duì)課程知識(shí)擴(kuò)展鞏固的目的，又鍛煉了動(dòng)手能力。所有完成的這些實(shí)驗(yàn)實(shí)踐成果都成為課程建設(shè)的寶貴資源。

［1] Pozar，D.M.，A modern course in microwave engineering，Education［J] ，IEEE Transactions on Education.，1990，33(1):129

［2] Hertling，D.R.and Feeney，R.K.，RF and microwave design courses at Georgia Tech［J] ，IEEE Transactions on Education.，1989，32(4):430-435

［3] 凌丹，王薔，電磁場(chǎng)與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革［J] ，北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(9)

［4] 趙春暉，張朝柱，趙旦峰，微波工程系列課程的體系改革與教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化［J] ，南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(2)

［5] 全紹輝，微波虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用［J] ，南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(3)

［6] 全紹輝，微波技術(shù)基礎(chǔ)［M] ，北京:高等教育出版社，2011

［7] 微波學(xué)堂網(wǎng):wbxt.buaa.edu.cn