電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)教學(xué)改革研究

李九生==裘國(guó)華

中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院 浙江杭州 310018

電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)教學(xué)改革研究

李九生==裘國(guó)華

中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院 浙江杭州 310018

摘===要：針對(duì)電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)課程內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)、難教難學(xué)的特點(diǎn)，任課教師采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室教學(xué)相結(jié)合的方法，使學(xué)生理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐充分結(jié)合，加深對(duì)理論知識(shí)的理解與應(yīng)用，提高學(xué)生的工程實(shí)踐素質(zhì)。實(shí)際教學(xué)應(yīng)用表明該教學(xué)方法充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，獲得很好的教學(xué)效果。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)；電磁場(chǎng)；微波技術(shù)；教學(xué)改革

電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)課程是通信工程、電子信息工程及電子科學(xué)技術(shù)類專業(yè)學(xué)生的一門重要的基礎(chǔ)課程。該課程的概念抽象，理論性強(qiáng)，涉及的知識(shí)面較寬，是一門公認(rèn)的難教和難學(xué)課程[1-4]。當(dāng)前無(wú)線通信技術(shù)高速發(fā)展，社會(huì)對(duì)掌握微波、電磁場(chǎng)技術(shù)人才需求日益迫切。為了激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)質(zhì)量，我們對(duì)電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)課程的教學(xué)方法和考核手段進(jìn)行了系列探索和改革實(shí)踐。課題組教師經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，在本課程建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐方面取得了初步成效，2009年經(jīng)學(xué)校評(píng)審成為校級(jí)精品課程，2010年被增選為浙江省精品課程，課程的教學(xué)水平也得到進(jìn)一步提升和認(rèn)可。充分激發(fā)了學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力，取得了較滿意的教學(xué)效果。

1 教材內(nèi)容創(chuàng)新

傳統(tǒng)教材只強(qiáng)調(diào)電磁場(chǎng)經(jīng)典理論和傳輸原理以及單純公式推導(dǎo)，知識(shí)過(guò)于枯燥，形式上也較為單一，缺乏應(yīng)用背景和緊密跟蹤最新前沿發(fā)展的內(nèi)容，這樣不但導(dǎo)致理論與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，也很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。針對(duì)教學(xué)中出現(xiàn)的情況，任課教師花費(fèi)大量的時(shí)間準(zhǔn)備本門課程多媒體課件，把電磁場(chǎng)用圖片、動(dòng)畫、聲音形象地描述出來(lái)，使抽象概念完全圖形化、可視化，讓學(xué)生能比較容易地理解抽象復(fù)雜的內(nèi)容，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率。

針對(duì)學(xué)生的獵奇心理特點(diǎn)，教學(xué)過(guò)程中任課教師把與電磁場(chǎng)、微波技術(shù)相關(guān)的國(guó)內(nèi)外事物在本課程教學(xué)中穿插，做到與所講內(nèi)容密切聯(lián)系與交叉。從古籍《論衡》中曾有關(guān)于靜電的記載，到古代“司南”照片，都展示了我國(guó)古代人民對(duì)電磁科學(xué)的貢獻(xiàn)。美國(guó)科學(xué)家富蘭克林著名的風(fēng)箏“捕捉天電”實(shí)驗(yàn)，1800年著名“伏打電池”，英國(guó)物理學(xué)家法拉第對(duì)電磁學(xué)研究，以及19世紀(jì)麥克斯韋方程，到赫茲的“電火花”，都展現(xiàn)了國(guó)外科學(xué)家對(duì)電磁場(chǎng)發(fā)展貢獻(xiàn)。這些知識(shí)學(xué)生十分感興趣，通過(guò)這些事物還能使學(xué)生聯(lián)想到上課的內(nèi)容起到加強(qiáng)記憶的作用。

對(duì)于電磁場(chǎng)在當(dāng)今現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，我們展示的應(yīng)用實(shí)例為電視機(jī)、移動(dòng)電話、微波爐，隱形飛機(jī)、微波武器和我國(guó)神舟飛船導(dǎo)航等，用于幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)微波與射頻技術(shù)在當(dāng)代的發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用前景。在課堂教學(xué)中我們還穿插當(dāng)前熱點(diǎn)研究和任課教師自己的最新科研成果，如手機(jī)對(duì)人腦輻射、3G和4G手機(jī)通信應(yīng)用的電磁頻譜、隱形衣、電磁黑帳等，并且配以大量相關(guān)圖片和動(dòng)畫，使學(xué)生十分直觀地看到本門課程的應(yīng)用前景。

2 教學(xué)方法改進(jìn)

為了培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，解決具體工程問(wèn)題的能力，使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解與應(yīng)用。我們?cè)诮虒W(xué)方法上增加電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，以提高學(xué)生的工程實(shí)踐素質(zhì)。本課程采用以下兩種教學(xué)方法的結(jié)合，取得了較滿意的教學(xué)效果。

2.1 把現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)方法應(yīng)用于本課程教學(xué)中

利用任課教師與相關(guān)電磁場(chǎng)微波器件廠家(主要制作微波無(wú)線通信發(fā)射，傳輸和接收器件)多年的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合優(yōu)勢(shì)，在教學(xué)中安排多個(gè)課時(shí)把學(xué)生帶到工廠，由廠方技術(shù)主管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，讓學(xué)生直接體會(huì)到所學(xué)知識(shí)如何用到企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)中。在工廠里學(xué)生不僅能看到各種微波器件如天線、傳輸波導(dǎo)、功分器等，而且還可以現(xiàn)場(chǎng)看到工廠研究人員如何進(jìn)行微波器件設(shè)計(jì)并使之成為產(chǎn)品的過(guò)程，通過(guò)學(xué)生親眼所見(jiàn)和親身體會(huì)，給他們很大的沖擊，讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)本課程的重要意義，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣高漲，教學(xué)效果提升明顯。

2.2 充分利用學(xué)院Ansoft-HFSS軟件仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)踐教學(xué)

采用小班教學(xué)(即自然班)授課方式，在講授到微波器件(傳輸波導(dǎo)、濾波器、功分器、天線)內(nèi)容時(shí)，讓學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室上課，每人一臺(tái)計(jì)算機(jī)，學(xué)生一邊學(xué)習(xí)一邊對(duì)微波器件進(jìn)行建模、仿真與設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真設(shè)計(jì)獲得性能優(yōu)越的微波器件幾何尺寸參數(shù)。應(yīng)用部分教學(xué)經(jīng)費(fèi)讓學(xué)生開發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行并加工與測(cè)試，讓學(xué)生在進(jìn)行理論知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)進(jìn)行實(shí)踐鍛煉。這樣的教學(xué)方式已經(jīng)不再是單純的照本宣科，而是讓學(xué)生與同學(xué)和教師進(jìn)行探討交流，通過(guò)設(shè)計(jì)一些新型微波與射頻器件，消化課堂知識(shí)，激發(fā)了學(xué)生參與研究的渴望，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力、研究創(chuàng)新能力，達(dá)到真正提高學(xué)生綜合素質(zhì)的目的。圖1和圖2分別為學(xué)生仿真計(jì)算的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和制作的微波器件實(shí)物照片。

圖1 微波波導(dǎo)結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

圖2 設(shè)計(jì)制作微波器件

3 考試方法改革

在學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)上，實(shí)現(xiàn)了從“一張?jiān)嚲矶ǜ呦隆钡桨凑諏W(xué)生在整個(gè)課程中的實(shí)際表現(xiàn)和能力來(lái)綜合評(píng)定成績(jī)的轉(zhuǎn)變，本門課程采用三種方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，即器件設(shè)計(jì)+回答提問(wèn)、提交研究報(bào)告+答辯、考試。學(xué)生可以根據(jù)自己的具體情況在課程中期進(jìn)行選擇。學(xué)生對(duì)本課程測(cè)評(píng)滿意度達(dá)到99.99%以上。

3.1 器件設(shè)計(jì)+回答提問(wèn)

學(xué)生在實(shí)踐課程中通過(guò)自己閱讀資料，采用一種新型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一種微波功能器件，完成器件的仿真、設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試，分析所設(shè)計(jì)器件的性能和影響因素，完成一份總結(jié)報(bào)告。課程組教師安排提交總結(jié)報(bào)告的學(xué)生在課程結(jié)束后一周內(nèi)到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，并回答教師提出的相關(guān)問(wèn)題。對(duì)于能條理清晰交流微波器件設(shè)計(jì)心得的學(xué)生，本課程期末成績(jī)?cè)u(píng)定為優(yōu)秀或良好。對(duì)能夠回答教師提問(wèn)，但是部分概念還不夠清晰的，成績(jī)?cè)u(píng)定為中。如果發(fā)現(xiàn)有模仿別人已設(shè)計(jì)的微波器件結(jié)構(gòu)行為，生本門課程的成績(jī)將被取消。

3.2 提交研究報(bào)告+答辯

任課教師設(shè)置30～40個(gè)與電磁場(chǎng)理論及微波技術(shù)課程相關(guān)的研究小課題，每個(gè)題目設(shè)定研究目標(biāo)。學(xué)生可以根據(jù)自己的能力和興趣選擇課題，每個(gè)課題要求2名學(xué)生組成一個(gè)小組進(jìn)行研究。學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)，按照課題設(shè)定目標(biāo)完成研究后在課程結(jié)束前一周提交一份報(bào)告，教師安排這些研究小組進(jìn)行講解并接受提問(wèn)，最后根據(jù)每名學(xué)生的表現(xiàn)給出小組成績(jī)。

3.3 改進(jìn)式的期末考試

把平時(shí)課堂上討論、提問(wèn)、隨堂測(cè)驗(yàn)等各種考核成績(jī)以50%～60%比例計(jì)入總評(píng)成績(jī)。同時(shí)建立由30余套試卷組成的試題庫(kù)，學(xué)校教務(wù)處隨機(jī)抽取試題作為期末考試試卷，促進(jìn)學(xué)生考核更加公平和公正。

隨著無(wú)線通信技術(shù)高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)掌握微波射頻技術(shù)人才需求日益迫切。通過(guò)合理運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)手段，改變了以往電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)課程教學(xué)中存在的枯燥、繁雜等問(wèn)題，解除了學(xué)生對(duì)本課程的畏懼心理，讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)本課程的重要意義，激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提高了教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期教學(xué)目的。

[1] 林相波,劉軍民.電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)中的幾點(diǎn)思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(2):95-96.

[2] 張會(huì)芝,劉艷芳.通信工程專業(yè)電磁場(chǎng)理論課程教學(xué)探索[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2009,8:107-108.

[3] 袁明輝.電磁場(chǎng)理論教學(xué)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2010,5:184.

[4] 蘇艷.電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)方法探討[J].科技信息,2010,21:107.

Research on teaching electromagnetic feld and microwave course

Li Jiusheng,Qiu Guohua
China jiliang university,Hangzhou,310018,China

Being its abstract concepts,it is very difficult for both teacher and student to teach and learn the electromagnetic field and microwave technology course.Both practice teaching and experiment teaching methods are adopted in the course teaching.The fully combination of theory and practice is achieved.The students’ learning interests are inspired and a good teaching effectiveness is obtained.

practical teaching;electromagnetic feld;microwave;teaching reform

2011-10-30

李九生，博士，教授。裘國(guó)華，博士，講師。

中國(guó)計(jì)量學(xué)院校立高教課題資助(編號(hào)：HEX200727，HEX200872)；浙江省精品課程建設(shè)項(xiàng)目。