電波理論與天線課程教學(xué)方法改革的探索

徐春雨，王豫峰，郭常盈，徐國(guó)清（.南陽(yáng)理工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，南陽(yáng)　473000；.南陽(yáng)理工學(xué)院軟件學(xué)院，南陽(yáng)　473000）

電波理論與天線課程教學(xué)方法改革的探索

徐春雨1，王豫峰2，郭常盈1，徐國(guó)清1
（1.南陽(yáng)理工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，南陽(yáng)473000；2.南陽(yáng)理工學(xué)院軟件學(xué)院，南陽(yáng)473000）

0　引言

電波理論與天線是為通信工程專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課，是在學(xué)習(xí)電路基礎(chǔ)、大學(xué)物理等課程的基礎(chǔ)上，深入學(xué)習(xí)無(wú)線通信領(lǐng)域的重要課程，是一門(mén)理論性好和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。電波理論與天線是多個(gè)學(xué)科的交叉點(diǎn)，它在整個(gè)通信系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過(guò)程中起到了承上啟下的作用，不僅是聯(lián)系了物理上的電磁學(xué)和電路基礎(chǔ)，更加關(guān)系到光纖通信和微波電路的學(xué)習(xí)，天線部分的學(xué)習(xí)更是關(guān)系到移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信以及電視、雷達(dá)等各種專(zhuān)門(mén)學(xué)科，所以該學(xué)科對(duì)通信專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)至關(guān)重要。同時(shí)該課程理論性很強(qiáng)，要求數(shù)學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)，學(xué)生學(xué)起來(lái)很困難，特別是南陽(yáng)理工學(xué)院學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，分析問(wèn)題能力一般，學(xué)生戲稱該門(mén)課為“天書(shū)”。針對(duì)這種情況，我們對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行不斷的改進(jìn)，盡量避免煩瑣的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，以生活實(shí)例，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不僅使課堂教學(xué)生動(dòng)形象，而且讓學(xué)生更加注重物理規(guī)律，教學(xué)效果有了很大改善。

1　課程改革的必要性

1.1解決教學(xué)內(nèi)容多與授課學(xué)時(shí)少矛盾的需要

隨著國(guó)家高等學(xué)校本科教育改革的推進(jìn)，按照我校應(yīng)用型本科的實(shí)際，本科生所學(xué)的課程數(shù)目大大增加，使得本課程出現(xiàn)了兩個(gè)變化：一方面，課程的學(xué)時(shí)數(shù)大大下降，從原來(lái)的56學(xué)時(shí)降到40學(xué)時(shí)；另一方面，由純理論教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚摵蛯?shí)踐相結(jié)合，并逐步加重實(shí)踐教學(xué)的權(quán)重。這就要求授課教師必須對(duì)課程進(jìn)行整體規(guī)劃，重新制定教學(xué)大綱，編排教學(xué)內(nèi)容。

1.2解決課程理論性強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高的需要

本課程以高等數(shù)學(xué)和物理學(xué)為基礎(chǔ)，課程理論性強(qiáng)，概念抽象，公式繁多，數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣，需要學(xué)生具備較強(qiáng)的空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力，因此歷來(lái)被公認(rèn)為是一門(mén)難教難學(xué)的課程［1］。

1.3充分發(fā)揮現(xiàn)代教學(xué)手段，提高授課質(zhì)量的需要

傳統(tǒng)的粉筆加黑板的教學(xué)手段，使得很多的電磁場(chǎng)模型無(wú)法給學(xué)生演示。就算使用多媒體教學(xué)，但是，許多公式推導(dǎo)不能完全依賴多媒體，必須結(jié)合必要的板書(shū)，否則學(xué)生就有看電影的感覺(jué)，如何充分發(fā)揮現(xiàn)代教學(xué)手段，提高授課質(zhì)量的需要是一個(gè)亟需解決的難題。

1.4解決純理論教學(xué)弊端，提升學(xué)生實(shí)踐能力的需要

本課程已經(jīng)有比較完備的理論體系，以前教學(xué)都是純理論教學(xué)。同時(shí)由于該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備昂貴和資金等原因，實(shí)驗(yàn)設(shè)備沒(méi)有到位，實(shí)驗(yàn)課程也沒(méi)有能夠開(kāi)設(shè)。而實(shí)際上，作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課，它與工程應(yīng)用有著密切的聯(lián)系，在學(xué)生的日常生活中就存在著大量的應(yīng)用案例。如何將授課的理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)員的分析、運(yùn)用能力，也是本課程教學(xué)改革面臨的任務(wù)。

2　教學(xué)內(nèi)容的改革

電波理論與天線的學(xué)時(shí)變少。最初是56學(xué)時(shí)，現(xiàn)在是40學(xué)時(shí)，其中8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)。而且在這門(mén)課程之前并沒(méi)有上電磁場(chǎng)理論這門(mén)課，因此，如何能夠這樣的情況下調(diào)整內(nèi)容，并且激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是每個(gè)教師都必須要考慮的。

首先，上好緒論課。緒論課中應(yīng)講授本門(mén)課程的學(xué)科內(nèi)涵、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展歷程、發(fā)展簡(jiǎn)史等內(nèi)容，并配于相應(yīng)的圖片。同時(shí)，結(jié)合生活中的例子，說(shuō)明這門(mén)課程的內(nèi)容和我們的生活息息相關(guān)。例如微波爐的工作原理，微波是一種電磁波。這種電磁波的能量不僅比通常的無(wú)線電波大得多，而且還很有“個(gè)性”：微波一碰到金屬就發(fā)生反射，金屬根本沒(méi)有辦法吸收或傳導(dǎo)它；微波可以穿過(guò)玻璃、陶瓷、塑料等絕緣材料，但不會(huì)消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透過(guò)，其能量反而會(huì)被吸收［4］。最大程度上激發(fā)學(xué)生積極思考和努力學(xué)習(xí)。

其次，課上加入更多實(shí)例教學(xué)，以不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。一堂好的緒論課，能使學(xué)生在最初幾周內(nèi)對(duì)這門(mén)課保持興趣，之后枯燥的理論、繁瑣的公式、艱澀的原理把熱情慢慢的耗盡。因此，教師應(yīng)在每個(gè)章節(jié)都補(bǔ)充鮮活的例子來(lái)活躍課堂氣氛。而生活中和電波及天線有關(guān)的實(shí)例并不難找，而且有的非常有趣。例如在矢量分析這一章補(bǔ)充高頻地波雷達(dá)海洋監(jiān)測(cè)的雙站矢量流場(chǎng)來(lái)解釋旋度；在靜電場(chǎng)這一章補(bǔ)充手機(jī)電池輻射對(duì)人體的影響；在恒定電場(chǎng)和電流這一章補(bǔ)充電能的無(wú)線傳輸?shù)鹊戎T如此類(lèi)的例子，在擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)面的基礎(chǔ)上，使他們更好地理解電磁場(chǎng)的基本原理、基本方法，使學(xué)生在輕松愉悅的氛圍中學(xué)習(xí)。

再次，教師應(yīng)做好引導(dǎo)、總結(jié)工作。電波理論與天線這門(mén)課，很多學(xué)生反映：上課能聽(tīng)懂，但課后習(xí)題不會(huì)做；公式多，而且雜，看到題目后不知從何處下手。這首先反映了本門(mén)課理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，另外也是提醒教師應(yīng)增加例題的講解。每個(gè)知識(shí)點(diǎn)重點(diǎn)講授一個(gè)例題，既加深了學(xué)生內(nèi)容的理解，又能給出詳細(xì)的解題思路和步驟。同時(shí)，教師需要及時(shí)總結(jié)，幫助學(xué)生把知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)。例如完恒定磁場(chǎng)部分，知道求一段長(zhǎng)直導(dǎo)線在空間任意點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B四種方法：（1）采用安培磁力定律；（2）采用畢奧-沙伐定律求解；（3）采用安培環(huán)路定律求解；（4）先求磁矢位，然后再求磁場(chǎng)強(qiáng)度。

3　教學(xué)手段改革

3.1教師和學(xué)生角色轉(zhuǎn)換

角色轉(zhuǎn)換教學(xué)的意義就是建立以學(xué)生為主導(dǎo)的模式，在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中教師是課堂的主導(dǎo)，而角色轉(zhuǎn)換教學(xué)打破了原有的教學(xué)模式。在上課之前，教師會(huì)安排學(xué)生先進(jìn)行預(yù)習(xí)，然后將疑問(wèn)帶到課堂上，教師根據(jù)問(wèn)題進(jìn)行講解，這樣既節(jié)省了教學(xué)時(shí)間，同時(shí)教學(xué)效果也比傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)更好。角色轉(zhuǎn)換教學(xué)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。同時(shí)，調(diào)整出部分課時(shí)讓學(xué)生對(duì)課程進(jìn)行講授，學(xué)生講得不完整的部分由教師重新講解。通過(guò)這種方式，講課的學(xué)生因?yàn)橐ê芏鄷r(shí)間去準(zhǔn)備，學(xué)習(xí)效果必然很好，聽(tīng)課的學(xué)生因?yàn)槭亲约旱耐瑢W(xué)講，感覺(jué)很新鮮，聽(tīng)課的效果也會(huì)很好。這種方式筆者在講習(xí)題課的時(shí)候經(jīng)常使用，感覺(jué)效果很好，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解也更加清晰。

3.2傳統(tǒng)的板書(shū)和多媒體的有效結(jié)合

采用傳統(tǒng)的板書(shū)和多媒體技術(shù)相結(jié)合的方法，來(lái)提高課堂的教學(xué)質(zhì)量。多媒體教學(xué)一方面加大了課堂的信息量，另一方面也使得教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)形象，讓學(xué)生通過(guò)強(qiáng)烈的視覺(jué)效果加強(qiáng)理解，達(dá)到了事半功倍的教學(xué)目的。例如，講解麥克斯韋方程組，就一定需要板書(shū)，因?yàn)辂溈怂鬼f方程組涵蓋了靜電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)、時(shí)變電磁場(chǎng)三個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，所以，要利用板書(shū)通過(guò)教師的逐步引導(dǎo)讓學(xué)生回憶起相關(guān)內(nèi)容，并且提煉出麥克斯韋方程組，這樣才可以使知識(shí)連貫起來(lái)，在學(xué)生頭腦里形成體系，單純地依靠多媒體把公式擺出了達(dá)不到這樣的效果。

3.3將仿真軟件引入到教學(xué)中

現(xiàn)在的學(xué)生都有很強(qiáng)烈的參與意識(shí)，所以，互動(dòng)式教學(xué)更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對(duì)此筆者的做法是：把計(jì)算機(jī)仿真軟件引入到教學(xué)環(huán)節(jié)中，本門(mén)課程用到了兩個(gè)仿真軟件，其一是MATLAB。它主要包括MATLAB和Simulink兩大部分，能夠動(dòng)態(tài)地模擬電磁波的傳播狀態(tài)，能夠直觀地看到天線的方向圖。另一個(gè)是ADS（Advanced Design System），可以更加直觀地觀測(cè)電磁波的變化過(guò)程。計(jì)算機(jī)仿真讓枯燥難懂的公式變得更加直觀、形象，學(xué)生就容易接受這門(mén)課，也有了興趣學(xué)習(xí)，同時(shí)將教師和學(xué)生從煩瑣的公式推導(dǎo)中解放出來(lái)，將更多的精力放在對(duì)電磁波物理規(guī)律的理解上。

3.4利用“精品課程”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)開(kāi)拓學(xué)生創(chuàng)新思維

改變?cè)械慕處焸湔n模式，將教師備課內(nèi)容（包括教學(xué)大綱、教案、講稿、PPT、課后習(xí)題、題庫(kù)等）全部上傳到“精品課程”網(wǎng)站中，讓學(xué)生對(duì)自己所學(xué)的課程有更加立體化的了解。同時(shí)，將課程按不同課時(shí)的要求，根據(jù)教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)分小節(jié)錄制成15分鐘左右的小視頻，每個(gè)視頻都具有較強(qiáng)的針對(duì)性，視頻的拍攝根據(jù)教師實(shí)際多角度拍攝，讓學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)。將“幕課”的形式融入到傳統(tǒng)教學(xué)中，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)動(dòng)性，可以成為一種讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)、進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)的平臺(tái)。尤其對(duì)于電波理論與天線中，電感的計(jì)算、坡印廷矢量的計(jì)算等內(nèi)容，學(xué)生可以通過(guò)反復(fù)地觀看視頻，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。通過(guò)“精品課程”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的利用，使教師與學(xué)生的關(guān)系變得更加密切、更為融洽。

4　結(jié)語(yǔ)

近幾年來(lái)筆者在電波理論與天線課程中進(jìn)行了教學(xué)改革的實(shí)踐，已經(jīng)取得了初步的教學(xué)效果。最大的收獲，就是學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中更加主動(dòng)，不是單純依賴教師的講授，而是充分發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，學(xué)習(xí)的積極性明顯提高，教學(xué)效果也有顯著的改善。

［1］劉芫健.《電磁場(chǎng)理論》課程教學(xué)改革研究［J］.科技信息，2011（08）.

［2］張起晶，孫桂芝，邊莉.電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)改革研究［J］.黑龍江教育（高教研究與評(píng)估），2011（10）.

［3］張華美，徐立勤.《電磁場(chǎng)理論》課程教學(xué)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)［J］.科技信息，2011.3.15.

［4］王莊林.微波爐：巧克力熔糊后的發(fā)明.科學(xué)世界［J］，2009（07）.

［5］楊虎，張煒.《電波與天線》課程教學(xué)改革探索［J］.高等教育研究學(xué)報(bào)，2012（6）.

徐春雨（1983-1），女，河北蔚縣人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)橥ㄐ排c嵌入式系統(tǒng)

王豫峰（1982-7），男，山東平度人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)橹悄苡?jì)算

郭常盈（1977-2），女，河南南陽(yáng)人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶夹g(shù)

徐國(guó)清（1986-2），男，河南商丘人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)閳D像處理

Wave Theory；Teaching Means；Teaching Reformation

Exploration of Teaching Reformation of the Electromagnetic Wave Theory and Antennas Course

XU Chun-yu1，WANG Yu-feng2，GUO Chang-ying1，XU Guo-qing1
（1.College of Computer and Information Engineering，Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473000；2.School of Software，Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473000）

1007-1423（2015）21-0034-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.21.009

2015-06-04

2015-07-09

電波理論與天線是為通信工程專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課。針對(duì)該課程內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，以教學(xué)內(nèi)容的改革為基石，教學(xué)手段的改革為依托，結(jié)合近年來(lái)的“精品課程”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和“慕課”的教學(xué)改革實(shí)踐，對(duì)電波理論與天線課程的教學(xué)方法改革進(jìn)行探索。

電波理論；教學(xué)手段；教學(xué)改革

南陽(yáng)理工學(xué)院2014年度本科課程考核方式改革專(zhuān)項(xiàng)研究項(xiàng)目（No.NIT2014BKKH-01）

Electromagnetic Wave and Antennas Theory is a professional compulsory course which is established for communication engineering undergraduates.This course is of the features of rich content，recondite theory，and limited teaching hours.the reformation of teaching content and the reformation of teaching methods，combined with the teaching reformation practices of"Excellent course"network teaching and"MOOC"in recent years，proposes and discusses several instructive suggestions for our teaching.