基于射頻方向課程群的教學(xué)改革與創(chuàng)新

張銀蒲

（唐山學(xué)院 信息工程系，河北 唐山063000）

一、引言

“電磁場(chǎng)理論”是通信工程必修的專業(yè)基礎(chǔ)主干課程，與“微波技術(shù)”“天線技術(shù)”“射頻通信電路設(shè)計(jì)”“射頻識(shí)別”等課程構(gòu)成了無線射頻方向課程群。從課程設(shè)置角度來看，該課程群課程為相關(guān)場(chǎng)技術(shù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)，是通信專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。射頻類課程主要涉及源與場(chǎng)的關(guān)系，不僅涉及時(shí)域和頻域，還涉及空域和極化，而且課程群相關(guān)課程均具有濃厚的高等數(shù)學(xué)與物理學(xué)色彩，對(duì)于學(xué)生空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力要求較高。由于學(xué)生頭腦中固有的電路分析習(xí)慣，再加上場(chǎng)理論的抽象性，這些課程內(nèi)容理解起來異常困難，繁雜的公式使很多學(xué)生失去了學(xué)習(xí)興趣，因此歷來被通信專業(yè)學(xué)生稱為“天書”，被公認(rèn)為是教師“難教”、學(xué)生“難學(xué)”的課程［1］。解決教與學(xué)的“兩難”問題，必須改革教學(xué)方法，開發(fā)與課程群課程相關(guān)的實(shí)踐項(xiàng)目。

二、轉(zhuǎn)變教育思想和教育觀念，制定新的教育教學(xué)方案

課程改革小組根據(jù)學(xué)校人才培養(yǎng)定位，結(jié)合通信專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，經(jīng)過調(diào)研討論對(duì)培養(yǎng)方案進(jìn)行合理修訂，將通信專業(yè)原有的微波方向整合為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的短距離無線通信方向，相應(yīng)課程也進(jìn)行了調(diào)整：刪掉擴(kuò)頻通信、遙感原理、現(xiàn)代數(shù)字音頻技術(shù)，改換為與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的短距離無線通信技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)的內(nèi)容，增強(qiáng)了工程性。同時(shí)對(duì)原有教學(xué)大綱經(jīng)仔細(xì)分析與討論適時(shí)調(diào)整課程內(nèi)容，以達(dá)到明確數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、減少與大學(xué)物理學(xué)、電磁學(xué)的重復(fù)、強(qiáng)調(diào)物理概念、結(jié)合現(xiàn)代科技成果進(jìn)行教學(xué)的目的。將無線射頻方向多門課程內(nèi)容整合為一個(gè)系統(tǒng)的整體，有利于學(xué)生更好地掌握相關(guān)理論知識(shí)，提高工程能力。［2］

三、理論教學(xué)改革

（一）教師教學(xué)思路的改革

調(diào)整教學(xué)思路，精心設(shè)計(jì)教學(xué)過程，活躍課堂氣氛是提高課堂教學(xué)效果的關(guān)鍵。如何在較少的課時(shí)內(nèi)，更好地完成教學(xué)任務(wù)，獲得理想的教學(xué)效果，確實(shí)需要教師做出努力，課程改革小組對(duì)此進(jìn)行以下改革。

1.上好緒論課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

講授射頻類課程時(shí)，尤其是作為其理論基礎(chǔ)的“電磁場(chǎng)理論”，可在緒論中講授場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展過程、科技成果以及典型的代表人物等，激發(fā)學(xué)生對(duì)射頻技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣；以現(xiàn)實(shí)生活中摸得著看得見的微波爐、磁懸浮列車、隱形轟炸機(jī)等給出射頻技術(shù)在工程中的應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)射頻類課程的動(dòng)力和興趣，充分調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性。［1］

2.注重?cái)?shù)學(xué)與物理概念的有效結(jié)合

公式推導(dǎo)應(yīng)充分強(qiáng)調(diào)物理概念，著重傳授給學(xué)生分析和解決問題的思路和方法。例如，在講解Maxwell方程組時(shí)，應(yīng)對(duì)全電流方程、電磁感應(yīng)定理、磁通連續(xù)性方程和高斯定理這四個(gè)方程的物理意義進(jìn)行全面的闡述。

3.引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)法

在教學(xué)過程中對(duì)學(xué)生提出這樣的問題：任何天線、任何輻射系統(tǒng)都不可能輻射出均勻平面波這種“波形”，而人們還是以均勻平面波作為入門的向?qū)?，這是為什么呢？從這一點(diǎn)引發(fā)出去，可以對(duì)學(xué)生有頗多啟迪：（1）科學(xué)的思維方法。如何建立既是充分簡(jiǎn)化而又沒有丟失其物理本質(zhì)的物理模型。（2）思維的靈活性。不去討論平面波如何產(chǎn)生，而是討論這種波形一旦建立在無限的宇宙空間里，是否允許它繼續(xù)存在，以何種方式存在下去。

4.注重創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

例如，在進(jìn)行“平面電磁波傳播”的教學(xué)時(shí)，讓學(xué)生依據(jù)電磁波中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的關(guān)系公式，大膽假設(shè)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)時(shí)，直接從麥克斯韋方程出發(fā)在理論上得到了電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢量的左手關(guān)系。而通常的介質(zhì)，這三者的關(guān)系是右手關(guān)系，這時(shí)再設(shè)問是否存在這種左手關(guān)系的介質(zhì)。實(shí)際上左手介質(zhì)或負(fù)折射率介質(zhì)在自然界中是不存在的，但人工合成的左手介質(zhì)（負(fù)折射率介質(zhì)）已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)，被美國《科學(xué)》雜志評(píng)為2003年的十大科技突破之一，2006年基于左手介質(zhì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的電磁波隱形又被美國《科學(xué)》雜志評(píng)為年度十大科技突破之一。目前，左手介質(zhì)是電磁學(xué)界和科學(xué)界非常熱門的研究前沿，并可能應(yīng)用到亞波長分辨、電磁波隱身等技術(shù)中。通過這些引申和介紹，既激發(fā)了學(xué)生的想象能力，活躍了思維，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，取得了非常好的教學(xué)效果。［3］

（二）教學(xué)方法改革

教學(xué)方法是實(shí)現(xiàn)教育目的完成教學(xué)任務(wù)的基本手段，對(duì)于教學(xué)的成敗、學(xué)生智力的發(fā)展都起著重大作用，因此，在教學(xué)過程中大膽嘗試采用各種教學(xué)方法。

1.用類比法加深學(xué)生對(duì)基本概念的理解是提高課堂教學(xué)效果的有效途徑

對(duì)結(jié)構(gòu)相似的定理、定義與公式，例如，電磁場(chǎng)理論中矢量的散度與旋度的比較、真空中靜電場(chǎng)與靜磁場(chǎng)的特性比較、介質(zhì)中電磁場(chǎng)特性比較等內(nèi)容；微波技術(shù)中矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)內(nèi)容；天線技術(shù)中電基本振子天線、短振子天線、對(duì)稱振子天線的電參數(shù)。通過類比列出表格，對(duì)比相似點(diǎn)與差異點(diǎn)，以加深學(xué)生對(duì)概念的理解與記憶。

2.把握知識(shí)的主干脈絡(luò)是培養(yǎng)學(xué)生深入掌握知識(shí)的有效途徑

傳統(tǒng)教學(xué)方法基本上是圍繞單一課程進(jìn)行講解，缺乏對(duì)知識(shí)體系的整合，知識(shí)系統(tǒng)性較差。在射頻類課程的教學(xué)中，教給學(xué)生物理定義是相對(duì)簡(jiǎn)單的，但真正要使電場(chǎng)、磁場(chǎng)這兩個(gè)概念在學(xué)生頭腦中建立并與通信系統(tǒng)結(jié)合起來并不是容易的事，這就需要找到射頻方向課程群的主干脈絡(luò)?？v觀課程群，發(fā)現(xiàn)相關(guān)課程內(nèi)容均與場(chǎng)技術(shù)有關(guān)，而天才的數(shù)學(xué)家對(duì)場(chǎng)理論進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述，總結(jié)出了麥克斯韋方程組，相關(guān)課程均為場(chǎng)理論的應(yīng)用。因此，麥克斯韋方程組即為射頻方向課程群的主干脈絡(luò)，相關(guān)課程與這一主干有著千絲萬縷的聯(lián)系。

“電磁場(chǎng)理論”課程以三大實(shí)驗(yàn)定律和兩個(gè)基本假說為基礎(chǔ)，歸納總結(jié)出宏觀電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律——麥克斯韋方程組，然后再討論靜態(tài)場(chǎng)、時(shí)變電磁場(chǎng)與電磁波的傳播與輻射特性。微波、天線和電波傳播的共同基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論，三者都是麥克斯韋方程在不同邊值條件下的應(yīng)用。射頻電路設(shè)計(jì)解釋了隨著頻率的升高，系統(tǒng)分析由路技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?chǎng)技術(shù)的原因，該課程不僅將基于場(chǎng)技術(shù)的電磁場(chǎng)理論、微波技術(shù)、天線技術(shù)的理論與實(shí)踐相聯(lián)系，更將路技術(shù)與場(chǎng)技術(shù)進(jìn)行了有效結(jié)合。射頻識(shí)別將場(chǎng)技術(shù)真正應(yīng)用到了通信系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。

這樣射頻方向課程群相關(guān)課程以麥克斯韋方程組為主線，從基礎(chǔ)理論到電路實(shí)現(xiàn)再到通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，形成不可分割的整體。在授課過程中以無線通信系統(tǒng)為例，以信號(hào)流動(dòng)為主線，針對(duì)不同課程內(nèi)容，選取恰當(dāng)案例，進(jìn)行多層面、側(cè)重性的講解，到課程群課程結(jié)束時(shí)，使學(xué)生多層面、多角度掌握射頻知識(shí)，理解場(chǎng)技術(shù)中各課程在通信系統(tǒng)中的地位和作用，真正做到從本質(zhì)上掌握射頻理論知識(shí)及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

在場(chǎng)技術(shù)的教學(xué)中只要把握住主干脈絡(luò)，就可以把前修和后續(xù)課程有機(jī)地結(jié)合在一起，不僅可以幫助學(xué)生建立比較完整的知識(shí)體系，而且能逐步培養(yǎng)和提高學(xué)生理解問題、思考問題的能力，這在由應(yīng)試教育向能力教育轉(zhuǎn)化的今天是尤其必要的。再通過實(shí)踐教學(xué)，就可以減輕學(xué)生對(duì)場(chǎng)類課程的畏懼心理，教學(xué)效果得到提高。

3.教學(xué)手段的改革

麥克斯韋方程是經(jīng)典電磁理論的核心，包括積分與微分兩種形式，這兩種形式是通過高斯散度定理與斯托克斯定理聯(lián)系在一起的，由此從過去單一的時(shí)變觀念擴(kuò)展到時(shí)間與空間的統(tǒng)一觀念。在授課過程中，尤其在涉及時(shí)間和空間時(shí)，理論分析圖形多為建立在球坐標(biāo)系和柱坐標(biāo)系的三維立體圖形，講課過程中很難用板書作圖，普通的電子課件亦很難將圖形準(zhǔn)確地展現(xiàn)出來，用多媒體軟件可以形象地演示波的運(yùn)動(dòng)，形象生動(dòng)，使抽象的問題具體化，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。［4］

由于射頻類課程教學(xué)信息量大、教學(xué)進(jìn)度快，學(xué)生在聽課時(shí)思維處于持續(xù)緊張狀態(tài)，缺乏足夠的時(shí)間對(duì)講課內(nèi)容理解、消化、吸收。教學(xué)中在講解重要公式、定理及推導(dǎo)時(shí)，采取先用課件快速瀏覽以明確思路，再與學(xué)生一起在黑板上按步驟推導(dǎo)以加深理解的做法。

教學(xué)手段上，采用板書、多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、軟件仿真相結(jié)合的方式，發(fā)揮各自教學(xué)優(yōu)勢(shì)，營造一個(gè)輕松愉快的學(xué)習(xí)環(huán)境，取得較好的教學(xué)效果。

三、實(shí)踐教學(xué)改革

射頻方向課程群課程具有理論性和工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，課程組通過以下教學(xué)方法的改革和實(shí)施來提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

（一）把實(shí)踐教學(xué)引入課堂

實(shí)踐教學(xué)一般在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，現(xiàn)在我們把實(shí)踐教學(xué)引入課堂是指講解理論的同時(shí)增加工程應(yīng)用背景，把有代表性的虛擬實(shí)驗(yàn)引入課堂。如在緒論課中播放介紹射頻技術(shù)工程應(yīng)用的視頻，在電子教案中展現(xiàn)工程應(yīng)用的圖片，大量介紹射頻技術(shù)的應(yīng)用，展示實(shí)物模型，通過示范實(shí)驗(yàn)演示天線的方向性。虛擬實(shí)驗(yàn)主要是通過一些軟件和虛擬儀器在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的仿真。這樣既驗(yàn)證了教師在課堂講授的理論知識(shí)，讓學(xué)生加深印象，從而拉近學(xué)生和課本中冗長推導(dǎo)的公式之間的距離，加強(qiáng)對(duì)場(chǎng)技術(shù)的感性認(rèn)識(shí)，消除學(xué)生的畏懼心理，又會(huì)提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣和對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的興趣。［5］

（二）開展有趣的應(yīng)用性設(shè)計(jì)

通過開設(shè)創(chuàng)新選修學(xué)分、課外競(jìng)賽，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行更復(fù)雜的應(yīng)用通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在此過程中，學(xué)生經(jīng)歷器件選擇、安裝和調(diào)試，最終能把信號(hào)發(fā)射成功，從中體驗(yàn)成功的喜悅，這是學(xué)生自我激勵(lì)的最佳方式之一。之后，學(xué)生自然而然地就會(huì)為如何增加發(fā)射距離而積極思考，無形中就可以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。與通過示波器觀察電路波形相比，同學(xué)們更喜歡通過自設(shè)通信系統(tǒng)成功發(fā)射的聲音或圖像信號(hào)。

（三）“兩化”“三變”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革

課題組結(jié)合相關(guān)課程特點(diǎn)開發(fā)出適合通信專業(yè)學(xué)生的驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性、開放性實(shí)驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系系統(tǒng)化、層次化

從系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)建立層次化的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)，使學(xué)生變被動(dòng)為主動(dòng)，有的放矢、完整系統(tǒng)地構(gòu)建自己的知識(shí)和技能體系，增強(qiáng)學(xué)生在設(shè)計(jì)上的全局觀念，能夠站在系統(tǒng)的高度理解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的功能、性能和設(shè)計(jì)方法。

2.變被動(dòng)接受為主動(dòng)探究

在實(shí)驗(yàn)中除達(dá)到應(yīng)知應(yīng)會(huì)的基本要求外，還增設(shè)了擴(kuò)展要求和學(xué)生自主探究環(huán)節(jié)，這樣既可以達(dá)到學(xué)生普遍受益的教學(xué)目標(biāo)，又為優(yōu)秀學(xué)生提供了廣闊的探索和發(fā)揮空間，充分體現(xiàn)了“以人為本，因材施教”的教學(xué)理念。

3.變孤立實(shí)驗(yàn)為系統(tǒng)融合

建立課內(nèi)外相結(jié)合的層次化、模塊化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)模塊化實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)的銜接與融合貫通，達(dá)到實(shí)踐教學(xué)體系的系統(tǒng)優(yōu)化。

4.變教師包辦為學(xué)生自主選擇

采用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)策略，讓學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況和興趣選擇確定自己的開放性實(shí)驗(yàn)題目。

根據(jù)最新修訂的教學(xué)大綱，編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和報(bào)告冊(cè)。同時(shí)，將合作性學(xué)習(xí)模式引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生按照不同的實(shí)驗(yàn)題目組成實(shí)驗(yàn)小組，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和溝通能力，以提高他們的綜合素質(zhì)。

“兩化”“三變”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解更透徹，工程能力、綜合素質(zhì)都得到了提高。

四、結(jié)語

射頻方向課程群課程具有理論性和工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，課程組通過以上教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新，使學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、理論與實(shí)際相結(jié)合的能力都得到了很大提高。

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

［2］杜國宏，曹俊友.基于CDIO的電磁場(chǎng)與微波技術(shù)類課程教學(xué)改革探討［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009（S1）：52－53.

［3］董建峰，徐鍵.“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的教改實(shí)踐［J］.中國電力教育，2010（1）：127 129.

［4］宋鐵銳，月華，雷龐，等.用Flash制作《微波技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)課件［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2006（9）：23 －26.

［5］田雨波，張貞凱，解志斌.基于Matlab的電磁場(chǎng)理論之可視化教學(xué)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（20）：90－92.