“電磁場與微波實驗”教學(xué)改革思考與探索

黎鵬?周桐?高翔?高云霞

摘要：本文闡述了“電磁場與微波實驗"課程教學(xué)改革的一種思路，提出了改革實驗教學(xué)方法、建立開放實驗室的教學(xué)理念。硬件實驗是培養(yǎng)學(xué)生動手能力的重要手段，電磁仿真軟件是微波硬件實驗的有效補(bǔ)充，實驗反哺理論教學(xué)，對于高校培養(yǎng)既懂場理論，又具備工程動手能力的高素質(zhì)人才具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：電磁場；實驗改革；仿真教學(xué)；開放實驗室

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0182-02

“電磁場與微波實驗”課程是本科通信專業(yè)學(xué)生重要的基礎(chǔ)實驗課程之一，電磁場理論數(shù)學(xué)公式繁多，概念抽象，電磁波看不到、摸不著，學(xué)生難以理解。在過去的理論教學(xué)實踐中，單靠課堂講解，很容易使學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，而且，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動手能力，因此其實驗課程顯得尤為重要。為適應(yīng)這一教學(xué)需要，我們開設(shè)了涉及電磁波空間波長測量、極化和二次輻射等內(nèi)容的實驗課程，以電磁學(xué)基本定律為切入點，用場方程來描述場分布，重點反映空間交變場的一些最基本特性，加深學(xué)生對理論知識的理解，以實驗反哺理論教學(xué)，培養(yǎng)通信專業(yè)學(xué)生具備從事天線、微波電路的設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試和工程應(yīng)用基本能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究意識，實現(xiàn)“讓學(xué)生用實驗的手段和方法研究電磁規(guī)律”這個總體目標(biāo)。

一、改進(jìn)實驗教學(xué)方式

由于電磁場與微波類課程理論性強(qiáng)，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的抽象思維能力，學(xué)生反映學(xué)習(xí)枯燥，因此，實驗課程的開設(shè)難度較大。如何將看不見、摸不著的電磁場用形象生動的方式展現(xiàn)在學(xué)生的面前，讓學(xué)生更好地掌握微波的基本知識和測量方法，是本門實驗課程面臨的最大挑戰(zhàn)。經(jīng)過多年教學(xué)實踐，我們總結(jié)出兩種生動、直觀的教學(xué)方法，能充分調(diào)動學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)熱情。

1.多媒體動畫演示

教師提前準(zhǔn)備好關(guān)于電磁場與微波理論相關(guān)知識的一些多媒體動畫（視頻或FLASH等），在開始實驗前，給學(xué)生播放諸如電磁波的傳播、駐波的形成、極化特性等動畫（視頻），直觀反映電磁波的特點，將枯燥的電磁波理論變得生動，既能吸引注意力，又有助于學(xué)生對抽象基本概念的理解。

2.借助Matlab、HFSS等仿真軟件

Matlab具備強(qiáng)大的計算、圖像處理功能，在電磁場與微波實驗的教學(xué)過程中，能發(fā)揮重要輔助作用。在做每個實驗項目驗前，可布置學(xué)生提前查找（或由教師直接給出）Matlab的代碼，將軟件仿真和硬件設(shè)備測試結(jié)合起來，既能軟、硬件互補(bǔ)，深入理解實驗原理，又能解決微波設(shè)備價格昂貴，臺套數(shù)不足的難題。Ansoft Designer，Microwave，HFSS等電磁仿真軟件，能從不同的角度模擬天線等電磁元器件的特性參數(shù)、場分布，為教、學(xué)都提供了有力的軟件支撐。在仿真實驗中，借助軟件可再現(xiàn)電磁波的動態(tài)特性，包括：行波、駐波的三維動態(tài)模擬，波導(dǎo)中電磁波的傳播和分布特性，偶極子天線的方向圖分布等，通過仿真實驗，使學(xué)生形象逼真地了解電磁波的空間分布和傳播特性，達(dá)到硬件實驗裝置無法實現(xiàn)的目的。

目前，我院將微波分光儀、電磁場參數(shù)測量系統(tǒng)、射頻參數(shù)測量系統(tǒng)三套硬件分別結(jié)合不同的軟件，進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生對于電磁基本概念、傳播特性、場分布等內(nèi)容，變得不再抽象，由畏難變得充滿興趣，積極性得到很大提高，能積極思考、提問，并能利用課后時間對思考題進(jìn)行軟件測試，學(xué)生對此類課程的學(xué)習(xí)態(tài)度發(fā)生了極大轉(zhuǎn)變。

二、改革實驗項目及內(nèi)容

“電磁場與微波實驗”課程是學(xué)生理解電磁場與微波天線技術(shù)理論的重要途徑，能有效彌補(bǔ)理論課堂講授的不足，有助于澄清理論課程學(xué)習(xí)中的模糊認(rèn)識認(rèn)識，能形象、生動的豐富場類課程的內(nèi)容。實驗項目的改革將實現(xiàn)由單純驗證型向設(shè)計研究型轉(zhuǎn)變，建立較完善的場類實驗教學(xué)新體系，逐步增加綜合型和創(chuàng)新型實驗的比例，增設(shè)一些學(xué)生感興趣并富有挑戰(zhàn)性的實驗內(nèi)容。將電磁仿真技術(shù)應(yīng)用于場類實驗的教學(xué)中，將抽象的場問題形象化，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生成為實驗教學(xué)的主體，做到“實踐檢驗理論，理論指導(dǎo)實踐，實驗課程與理論課程相輔相成”。

1.對于驗證性實驗，在完成硬件實驗的同時，增加軟件仿真手段。通過硬件基礎(chǔ)實驗，學(xué)生可觀察測量到電磁波波長、頻率、波腹、波節(jié)、反射、衍射、偏振、極化等電磁現(xiàn)象，深入體會邁克爾遜干涉、布拉格衍射等電磁特性，能加深對電磁波空間傳播特性的認(rèn)識和理解。與此同時，由于電磁波看不見，摸不著，傳播過程只能靠想象，引入Matlab軟件仿真手段，將使電磁現(xiàn)象鮮活的呈現(xiàn)出來，一目了然。學(xué)生可以從程序代碼和仿真結(jié)果圖兩方面與硬件實驗結(jié)果做對比，并對結(jié)果進(jìn)行各種函數(shù)后處理，得到所需的結(jié)果。例如電磁波的極化實驗，硬件設(shè)備只能靠微安表感知是橢圓極化還是圓極化，引入Matlab程序，可直觀的看到電磁波傳播的過程、橢圓極化和圓極化的方向圖，與冷冰冰的儀器數(shù)據(jù)相比，Matlab的圖形具有更大的親和力。

2.對設(shè)計研究性實驗，采取分小組、分功能模塊和電磁仿真軟件（Ansoft Designer、HFSS等）總體設(shè)計相結(jié)合的教學(xué)方法。結(jié)合學(xué)時，將每批同學(xué)分為若干課題小組，每個小組3-4人，由每位小組成員分工完成各個軟、硬件模塊設(shè)計，進(jìn)而組合成整體，完成整個大綜合實驗。例如做射頻圖像傳輸實驗時，1人做射頻前端發(fā)射機(jī)軟件部分，1人做后端接收機(jī)軟件部分，另外2人合力完成硬件部分實驗，最終4人共同提交完整的實驗報告。實驗過程中，學(xué)生通過搜集資料，小組成員討論，與教師討論完成課題期間，軟件參數(shù)、硬件傳輸?shù)戎T多問題需要不斷調(diào)試，才能得到預(yù)期的目的。無論實驗結(jié)果如何，這都能極大的鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力和團(tuán)隊合作能力。

傳統(tǒng)“電磁場與微波實驗”所開設(shè)的實驗項目為7個硬件單元驗證性實驗項目，1個設(shè)計研究性實驗項目。我們改革的做法是每個驗證性實驗項目配以電磁仿真軟件程序，并在有限學(xué)時下減少2-3個單元性實驗項目，增加1-2個綜合性實驗，減少實驗個數(shù)，增加實驗難度、深度和實用性，例如減少電磁波反射衍射、定向耦合器、振蕩器設(shè)計等實驗項目，增加發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線設(shè)計等軟、硬件設(shè)計，合并兩次課時為一次（4個學(xué)時），以課題小組的形式各自分別完成一個大綜合實驗，從硬件和軟件角度設(shè)計、完成實驗，加大了實驗難度，提升實驗教學(xué)質(zhì)量。

三、實驗成績考核要全面

實驗課成績著重考核學(xué)生對實驗原理、內(nèi)容的理解程度，考查學(xué)生的動手能力和分析解決問題的能力。因此，成績評定應(yīng)看重學(xué)生的實驗態(tài)度、軟硬件能力、實驗數(shù)據(jù)、誤差等幾個方面，總體上呈現(xiàn)出兩頭小、中間大的正態(tài)分布趨勢。

1.預(yù)習(xí)情況

引入“仿真實驗”的教學(xué)方式，有效彌補(bǔ)了課內(nèi)學(xué)時不足，將學(xué)生預(yù)習(xí)情況按比例記入總成績，提前給學(xué)生布置下一次實驗的任務(wù)，鼓勵學(xué)生利用課余時間鉆研，預(yù)習(xí)實驗原理，建立好仿真軟件的模型，預(yù)料在實驗室里可能會出現(xiàn)的問題，明確需要驗證、觀測的現(xiàn)象、參數(shù)，明確實驗?zāi)康摹?/p>

2.實驗過程

教師指導(dǎo)實驗教學(xué)按互動研討的方式實施，鼓勵學(xué)生勤思考，多提問，分析在軟件設(shè)計和硬件調(diào)試測量過程中出現(xiàn)的問題，記錄自己的心得體會，重點考察學(xué)生分析問題和解決問題的能力。教師根據(jù)學(xué)生的分析問題的能力和動手解決能力評定成績，一是考核學(xué)生對一些常用儀器設(shè)備（示波器、選頻放大器等）的熟練使用程度，二是實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，按一定比例記入總成績。

3.實驗報告

實驗報告應(yīng)占總評成績的50%以上，是學(xué)生對實驗過程的全面總結(jié)，尤其是實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄和思考題的認(rèn)真程度，反映出了學(xué)生做該次實驗的體會和質(zhì)量，所以要求學(xué)生不只是完成作業(yè)，還需把實驗報告當(dāng)作一次科技論文寫作訓(xùn)練，力求數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)，概念準(zhǔn)確，分析合理，文字簡明流暢，這對于培養(yǎng)學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，良好的職業(yè)習(xí)慣，扎實的科技論文寫作技能方面，都有良好的效果。

4.教學(xué)相長

在實驗過程前、后，鼓勵學(xué)生勤思考，多提問，鼓勵學(xué)生對課程內(nèi)容和教師授課提出有創(chuàng)新性、建設(shè)性的意見，適當(dāng)記入總評成績。

四、建立開放實驗室

實驗課學(xué)時不足，這是各高校實驗教學(xué)面臨的一個共同的難題。由于微波設(shè)備臺套數(shù)的限制，學(xué)生分組完成“電磁場與微波實驗”課程中的綜合性、設(shè)計性實驗時，往往感覺“一次實驗2個學(xué)時”時間不夠，如發(fā)射機(jī)、接收機(jī)實驗，需要首先完成HFSS軟件設(shè)計，再進(jìn)行硬件的測試。顯然，2個學(xué)時的時間不夠，因此實驗室采取開放的方式，方便學(xué)生根據(jù)自己的時間自由進(jìn)入實驗室。教師在制定教學(xué)方案時，可設(shè)置2-3個綜合性、設(shè)計性實驗項目為學(xué)生自主實驗，學(xué)生實驗前先查閱資料，設(shè)計好方案， 按2-4人為一個課題組，經(jīng)指導(dǎo)教師審查實驗方案、可行性后，在實驗室開放的數(shù)周時間內(nèi)，自由安排時間進(jìn)入到開放實驗室進(jìn)行硬件設(shè)計、軟件編程、系統(tǒng)調(diào)試和撰寫報告等。

開放實驗室使“電磁場與微波實驗”課程彈性空間增大，讓學(xué)生由“被動學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)向“主動學(xué)習(xí)”。由于學(xué)生可自主安排實驗內(nèi)容，自由選擇實驗時間，使學(xué)生有充分的時間和自由度安排實驗內(nèi)容，極大的調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。實踐證明，推行實驗室開放制度以來，綜合性、設(shè)計性實驗項目比在規(guī)定時間內(nèi)完成的質(zhì)量高、效果好，學(xué)生普遍感覺收獲很大，甚至有許多同學(xué)將歷年的電子設(shè)計大賽題目拿到開放實驗室里來做，極大鍛煉了學(xué)生的動手能力，取得很好的收效。

“電磁場與微波實驗”課程教學(xué)改革旨在解決電磁場理論教學(xué)中抽象與具體的矛盾，在熟悉電磁仿真軟件的基礎(chǔ)上，鍛煉學(xué)生工程應(yīng)用中的硬件動手能力。實驗課堂有效補(bǔ)充了理論課的動手環(huán)節(jié)，融知識學(xué)習(xí)與能力發(fā)揮為一體，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，促進(jìn)了學(xué)生自主分析和解決問題的能力，培養(yǎng)出了大批既懂場理論，有熟悉現(xiàn)代電磁設(shè)備的高層次人才。目前正值4G通信大發(fā)展的契機(jī)，我們在實驗教學(xué)過程中，應(yīng)密切圍繞課程知識重點，切實提升實驗教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)學(xué)生動手解決實際問題和獨立工作能力奠定堅實的實踐基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）