電磁場與微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

凌 丹, 陳文華

(清華大學(xué) 電子工程系實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 北京 100084)

0 引 言

電磁場理論的提出和發(fā)展，使得電磁場與微波技術(shù)在雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、遙感、醫(yī)學(xué)、空間研究等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，科技的迅猛發(fā)展使得電磁場與微波技術(shù)在高等院校電子信息類的學(xué)科發(fā)展和學(xué)生培養(yǎng)中的作用日趨重要。

針對電子信息類知識(shí)量爆炸式增長與學(xué)生學(xué)時(shí)有限之間的矛盾，清華大學(xué)電子工程系自2008年開始進(jìn)行本科生教學(xué)改革，梳理電子信息科學(xué)大類本科核心知識(shí)結(jié)構(gòu)，以“信息載體與系統(tǒng)的相互作用”為核心概念，對原有課程體系進(jìn)行歸納和凝煉，提出了基于現(xiàn)代學(xué)習(xí)理論的新的課程體系框架。建立了由10門核心專業(yè)基礎(chǔ)課、25門專業(yè)限選課和45門專業(yè)任選課組成的新體系[1]。同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的力度，為每門核心課配置實(shí)驗(yàn)課程，還建立了實(shí)驗(yàn)系列限選課組和任選課組。

在電子系進(jìn)行課程改革的同時(shí)[2]，電子系實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心也在探索適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展需要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提出了“抓兩端、促中間、建平臺(tái)”的建設(shè)思想。電磁場與微波實(shí)驗(yàn)室根據(jù)電子系課程改革的思路，抓住該領(lǐng)域的核心理論知識(shí)，梳理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，本著“加強(qiáng)基本概念，培養(yǎng)專業(yè)技能，拓展綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力”的建設(shè)理念，建設(shè)分層次、開放性的電磁場與微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1 學(xué)科理論知識(shí)框架

清華大學(xué)電子工程系為本科生開設(shè)的電磁場與微波技術(shù)學(xué)科的課程有“電磁場與波”、“微波與光波技術(shù)基礎(chǔ)”、“射頻通信電路”和“天線原理”。

“電磁場與波”在靜電場、穩(wěn)恒磁場的基礎(chǔ)上，引入準(zhǔn)靜態(tài)場，并通過麥克斯韋方程組介紹時(shí)變電磁場，講解平面電磁波的傳播特點(diǎn)，以及極化、色散、反射、折射等特性。由電磁波在無限大空間的傳播特性介紹電磁波在有界空間，如各類傳輸線(包括同軸線、波導(dǎo))和諧振腔中的傳輸特性[3]。最后介紹電磁場的輻射特性，如電偶極子和磁偶極子的輻射場[4]。

“微波與光波技術(shù)基礎(chǔ)”在“電磁場與波”的基礎(chǔ)上，從電路的觀點(diǎn)出發(fā)，介紹傳輸線理論，引入分布參數(shù)的概念；從場的觀點(diǎn)出發(fā)，運(yùn)用導(dǎo)波理論研究各類傳輸線，包括矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、同軸線、微帶線等?！皞鬏斁€理論”用于分析均勻傳輸線和簡單不均勻的電路問題，“導(dǎo)波理論”用于分析各種結(jié)構(gòu)形式的傳輸線內(nèi)的場的模式。而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微波元件和微波電路，再引入“微波網(wǎng)絡(luò)”的方法，與場理論相互結(jié)合，相互補(bǔ)充，解決傳輸線中不均勻區(qū)的外特性問題。最后應(yīng)用傳輸線理論、導(dǎo)波理論和網(wǎng)絡(luò)理論分析各類無源微波和有源微波電路的工作原理、特性和應(yīng)用[5]。

“射頻通信電路”詳細(xì)講解各類有源微波電路的基本理論、分析方法和設(shè)計(jì)，如低噪聲放大器、功率放大器、混頻器、振蕩器和開關(guān)控制等微波電路。

“天線原理”介紹天線向空間輻射和接收電磁波的器件，它提供導(dǎo)波和自由空間波之間的轉(zhuǎn)換。課程詳細(xì)講解線天線、口面天線、陣列天線、反射面天線等幾大類天線的分析計(jì)算和特性，還介紹了天線的科研新進(jìn)展，以及天線測量、電波傳播、電磁兼容等內(nèi)容[6]。

以上四門理論課程，構(gòu)成了完整的電磁場與微波技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的理論知識(shí)框架，讓學(xué)生可以在本科階段進(jìn)行全面、系統(tǒng)的專業(yè)學(xué)習(xí)。

2 電磁場與微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

基于以上理論課程形成的知識(shí)架構(gòu)，針對該學(xué)科數(shù)學(xué)推導(dǎo)多、理論性強(qiáng)、抽象難以理解的特點(diǎn)和難點(diǎn)[7]，電磁場與微波實(shí)驗(yàn)室不斷建設(shè)和完善電磁場與微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并與科研緊密結(jié)合，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論教學(xué)并行的一項(xiàng)重要的教授方法，注重基本技能、綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[8-9]，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情和創(chuàng)造力。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

自電子系進(jìn)行本科生教學(xué)改革以來，電磁場與微波實(shí)驗(yàn)室本著“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、重創(chuàng)新”的指導(dǎo)思想，對該實(shí)驗(yàn)體系的內(nèi)容進(jìn)行梳理，從基本原理、基本元件、單元電路到微波系統(tǒng)，將科研方法引入到教學(xué)過程，加入探究性內(nèi)容，構(gòu)成一個(gè)完整、科學(xué)、開放性的體系，符合人才培養(yǎng)規(guī)律[10]。教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，強(qiáng)調(diào)師生互動(dòng)，為學(xué)生提供完善的環(huán)境和條件，師生一起探索學(xué)科知識(shí)和發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，建立基于教師指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)模式。

2.2 實(shí)驗(yàn)體系

實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包括“電磁場與微波實(shí)驗(yàn)”、“微波電路設(shè)計(jì)”和“移動(dòng)終端內(nèi)置多天線設(shè)計(jì)”課程，內(nèi)容涵蓋了該學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)型、研究設(shè)計(jì)型和探究型項(xiàng)目，立足于培養(yǎng)具有探索創(chuàng)新型的人才(見圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

“電磁場與微波實(shí)驗(yàn)”是電子系本科生的必修課，配合專業(yè)核心課“電磁場與波”，加深學(xué)生對該學(xué)科重要知識(shí)的理解，內(nèi)容包括基礎(chǔ)型和設(shè)計(jì)型項(xiàng)目。該課程針對電磁場和電磁波的知識(shí)，采用多媒體動(dòng)畫演示[11]和電磁波綜合測試儀硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，研究平面電磁波的傳播特性，包括極化、反射、折射，以及電磁波在自由空間、傳輸線、微波元件中的傳播特性；針對微波相關(guān)知識(shí)，通過在測量線系統(tǒng)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)習(xí)傳輸線理論、導(dǎo)波理論和微波網(wǎng)絡(luò)理論，掌握基本測量方法，如波長和駐波比的測量，阻抗測量和匹配，并研究幾類關(guān)鍵的微波電路，如帶通濾波器、功率分配器、分支線電橋、環(huán)形電橋、定向耦合器等；課程還通過ADS(Advanced Design System，先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng))軟件仿真讓學(xué)生學(xué)習(xí)掌握微帶線的傳輸特性和阻抗匹配的方法。

“微波電路設(shè)計(jì)”是電子系本科生的限選課，內(nèi)容側(cè)重研究設(shè)計(jì)型項(xiàng)目。課程選取各類無源微波電路和有源微波電路(選取低噪聲放大器)，讓學(xué)生完成從軟件仿真到硬件調(diào)試的研究設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程；并以微波電路的典型應(yīng)用——無線通信系統(tǒng)為例，研究射頻終端的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，加深理解微波電路的特性和應(yīng)用。

“移動(dòng)終端內(nèi)置多天線設(shè)計(jì)”是電子系自2010年設(shè)立“實(shí)驗(yàn)教學(xué)專項(xiàng)基金”以來征集開設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，是電子信息科學(xué)前沿專題項(xiàng)目中的一門實(shí)驗(yàn)課程。作為電子系本科生的任選課，側(cè)重于研究型和探究型項(xiàng)目。針對多頻無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹基于移動(dòng)終端內(nèi)置天線的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測量。使學(xué)生掌握天線的仿真與設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)制作滿足多頻段應(yīng)用的內(nèi)置小型化天線，學(xué)習(xí)天線測試的校準(zhǔn)和調(diào)試方法，掌握天線性能指標(biāo)的測試方法，了解天線方向圖在暗室中的測量原理與過程。并鼓勵(lì)學(xué)生探索研究提出自己的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。

以上實(shí)驗(yàn)課程，“電磁場與微波實(shí)驗(yàn)”在強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)和方法的同時(shí)，加入基本的設(shè)計(jì)型內(nèi)容，幫助學(xué)生理解掌握該領(lǐng)域的重要知識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)；“微波電路設(shè)計(jì)”是將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)踐的第一步，它從系統(tǒng)應(yīng)用的角度，讓學(xué)生完成關(guān)鍵單元電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，積極研究微波電路和系統(tǒng)的各類問題；“移動(dòng)終端內(nèi)置多天線設(shè)計(jì)”是將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)的進(jìn)一步深化，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的課程與理論課程的關(guān)系見圖2，此關(guān)系基于知識(shí)層次結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的課程內(nèi)容并不完全局限于此。實(shí)驗(yàn)體系的內(nèi)容從最基本的原理知識(shí)和測量方法、關(guān)鍵的單元電路到實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)，項(xiàng)目類型從基礎(chǔ)型、研究設(shè)計(jì)型到探究型，針對不同層次學(xué)生的特點(diǎn)，引導(dǎo)他們?nèi)ヌ骄吭擃I(lǐng)域的知識(shí)和發(fā)展[12]。

圖2 課程關(guān)系圖

2.3 教學(xué)方法

(1) 實(shí)驗(yàn)課程中采用引導(dǎo)、討論、開放的方式。堅(jiān)持學(xué)生的主體性，教師起重要的引導(dǎo)作用。學(xué)生從教師這里獲取的絕大多數(shù)沒有唯一的標(biāo)準(zhǔn)答案，只有更多的思考。學(xué)生和教師一起研究解決問題的更好方法，并付諸實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)研究型和探究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生根據(jù)自己的興趣點(diǎn)，可以在給定范圍內(nèi)，也可以在范圍之外，選擇電路類型，選擇電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。并且，實(shí)驗(yàn)室采用全開放管理[13-14]，學(xué)生提前預(yù)約即可來實(shí)驗(yàn)室完成。

(2) 注重基本能力、綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們一直重視扎實(shí)的根基，這是重要的前提，也是本科階段培養(yǎng)學(xué)生的重要目標(biāo)之一。在這個(gè)基礎(chǔ)上，再通過引導(dǎo)、開放式的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生學(xué)會(huì)自己去查閱各類資料，了解學(xué)科發(fā)展情況和前沿[15]，并盡力提供各項(xiàng)硬件和軟件條件讓學(xué)生去嘗試，提出自己的想法并進(jìn)行實(shí)踐，在不斷地實(shí)踐再實(shí)踐的過程中，真正培養(yǎng)提高綜合能力和創(chuàng)新意識(shí)[16]。

(3) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相互配合相互促進(jìn)。理論課教師和實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師之間溝通交流，并共同參與，從而促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)。這樣才能使得學(xué)生利用各項(xiàng)資源去充實(shí)和發(fā)展自己，理解學(xué)以致用，激發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性，從而達(dá)到有所思考并逐步提升其探究能力。

(4) 將先進(jìn)的科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研緊密結(jié)合，努力促進(jìn)各項(xiàng)條件的成熟從而將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。讓學(xué)生在本科階段通過多種途徑去感受科研的魅力，從而對學(xué)習(xí)提出更明確的方向，并且更加主動(dòng)的學(xué)習(xí)。

3 結(jié) 語

電磁場與微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系自2002年至今已經(jīng)應(yīng)用11年，并緊跟科研發(fā)展和人才培養(yǎng)的需要不斷改進(jìn)，“移動(dòng)終端內(nèi)置多天線設(shè)計(jì)”課程即將投入運(yùn)行。課程每年接納學(xué)生約300人，教學(xué)在清華大學(xué)教學(xué)評估體系中得到學(xué)生的好評，學(xué)生普遍反映課程對于他們學(xué)習(xí)理解學(xué)科知識(shí)，了解學(xué)科發(fā)展，提高實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)起到了重要的作用。該體系的建設(shè)先后獲得清華大學(xué)2004年教學(xué)優(yōu)秀成果獎(jiǎng)、2008年教學(xué)優(yōu)秀成果獎(jiǎng)、2010年第十一屆實(shí)驗(yàn)技術(shù)成果獎(jiǎng)。電磁場與微波教學(xué) 實(shí)驗(yàn)室作為電子系實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的重要組成部分，作為重要的交流窗口，獲得國內(nèi)外高校同行和知名企業(yè)的高度評價(jià)。

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摘要

摘要是對論文內(nèi)容不加評論和補(bǔ)充解釋、簡明、確切地陳述與概括。是整篇論文的重要組成部分，能讓讀者迅速總攬論文內(nèi)容，是各種數(shù)據(jù)庫中常見的檢索對象。本刊采用報(bào)道性文摘，其基本要素包括研究目的、方法、結(jié)果和結(jié)論4部分。有時(shí)也包括具有情報(bào)價(jià)值的其它重要信息。摘要應(yīng)具有獨(dú)立性和自含性，并且擁有與論文同等量的主要信息，即不閱讀全文，就能獲得必要的信息。摘要文字要簡明、內(nèi)容要完整、具體。一般宜400字左右，英文摘要不宜超過250個(gè)單詞。

(本刊編輯部)