“微波技術(shù)與天線”課程多媒體教學(xué)改革

張海

摘要：本文探討了如何利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)及EDA電磁仿真軟件提高“微波技術(shù)與天線”課程的教學(xué)質(zhì)量。通過多媒體技術(shù)能將抽象的概念形象化，利用EDA仿真軟件能夠?qū)ξ⒉ㄆ骷疤炀€等進(jìn)行三維仿真設(shè)計(jì)，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的。同時(shí)，建立了相應(yīng)的課程網(wǎng)站，豐富了課程的教學(xué)手段。

關(guān)鍵詞：微波技術(shù)；多媒體技術(shù)；電磁仿真；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）15-0084-02

一、引言

當(dāng)今社會(huì)，無線通信技術(shù)已經(jīng)遍及生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，而實(shí)現(xiàn)無線通信的最重要載體就是電磁波[1]。其中“微波技術(shù)與天線”是這些學(xué)科專業(yè)中的一門關(guān)鍵課程。該課程理論性較強(qiáng)，且概念抽象，不易理解和學(xué)習(xí)[2，3]，對(duì)如何講授這門課程的老師及如何學(xué)好這門課程的學(xué)生都是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。同時(shí)，該課程的工程實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)生不僅要學(xué)好理論知識(shí)，還要掌握常用微波元件和天線的設(shè)計(jì)方法，以及相關(guān)儀器的使用。由于微波測(cè)量?jī)x器的價(jià)格昂貴，學(xué)校采購數(shù)量有限，很難滿足每一位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作需求[4]。因此，本文探討了如何在傳統(tǒng)教學(xué)中，將現(xiàn)代多媒體技術(shù)與EDA電磁仿真軟件相結(jié)合，合理融入到教學(xué)過程中。通過多媒體技術(shù)，使抽象的概念更加形象和直觀，便于學(xué)生理解。

二、理論教學(xué)改革

1.合理安排教學(xué)內(nèi)容?！拔⒉夹g(shù)與天線”既是一門理論課程，也是一門工程實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，其主要內(nèi)容包括微波技術(shù)與天線兩大部分。其中微波技術(shù)又包含傳輸線理論、波導(dǎo)及網(wǎng)絡(luò)分析，以及常用微波器件設(shè)計(jì)等內(nèi)容；天線技術(shù)主要包括天線的基本概念，常見天線基本原理，課程結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，紅色方框部分應(yīng)作為課堂講解的重點(diǎn)內(nèi)容；虛線框中內(nèi)容具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性，授課教師應(yīng)對(duì)相關(guān)內(nèi)容做一些詳細(xì)介紹，同時(shí)對(duì)學(xué)習(xí)興趣濃厚的學(xué)生做一些研究方向的指引。另外，紅色方框部分的學(xué)習(xí)過程涉及大量的數(shù)學(xué)知識(shí)，包括高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)和矩陣?yán)碚摰戎R(shí)，還涉及電路、電磁場(chǎng)和電磁波等基礎(chǔ)理論，學(xué)習(xí)比較枯燥且容易忘記。教師講授時(shí)需要多花一些課時(shí)，并且強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)這部分的重要性。在課后需要給學(xué)生安排一定的課后作業(yè)或臨時(shí)測(cè)驗(yàn)，起到鞏固知識(shí)、加深理解的作用。

2.合理使用多媒體技術(shù)?！拔⒉夹g(shù)與天線”課程中的很多概念抽象復(fù)雜，僅僅使用簡(jiǎn)單的文字描述或靜態(tài)圖片展示很難理解。通過使用現(xiàn)代多媒體技術(shù)可將抽象的概念形象化，利用彩色圖片及動(dòng)畫等技術(shù)手段將抽象難懂的知識(shí)生動(dòng)直觀地展示給學(xué)生。例如“場(chǎng)”這一概念，很多學(xué)生反映難以理解。多媒體這一教學(xué)手段可以很生動(dòng)、形象地去表達(dá)“場(chǎng)”這一看不見摸不著的物質(zhì)，幫助學(xué)生去建立或者重構(gòu)“場(chǎng)”在他們大腦中的印象，避免教師在“場(chǎng)”教學(xué)中的枯燥乏味，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果[5]。

另外，在講授無耗傳輸線工作狀態(tài)、規(guī)則金屬波導(dǎo)中的場(chǎng)時(shí)，也可采用多媒體教學(xué)。如對(duì)矩形波導(dǎo)中TE10模的電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及三維場(chǎng)分布，可以采用多媒體動(dòng)畫的形式來呈現(xiàn)，這樣就會(huì)使學(xué)生更加直觀、深入地認(rèn)識(shí)矩形波導(dǎo)中的場(chǎng)分布，加深理解，提高教學(xué)效果。對(duì)于各種不同的天線結(jié)構(gòu)，可借助幻燈片，收集一些相關(guān)的圖片展示給學(xué)生，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解。

三、電磁仿真軟件

“微波技術(shù)與天線”是一門實(shí)踐性強(qiáng)的課程，由于該課程的實(shí)驗(yàn)儀器都非常昂貴，且學(xué)生人數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)過程中的儀器管理與維護(hù)等需要耗費(fèi)大量時(shí)間，并且在有限的時(shí)間內(nèi)難以讓每位同學(xué)親手操作一遍，因此可以使用現(xiàn)有的EDA電磁仿真軟件來解決上述問題。目前，常用的微波仿真軟件有CST、Ansys HFSS、ADS與Ansys Designer等，并且都提供了相應(yīng)的學(xué)生免費(fèi)版，免費(fèi)版完全可以滿足課程教學(xué)的需求。利用這些軟件可以讓學(xué)生對(duì)“微波技術(shù)與天線”課程中的常用微波器件及天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，可以加深學(xué)生對(duì)相關(guān)物理概念的理解，以及對(duì)理論知識(shí)的掌握，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。圖2所示為利用三維電磁仿真軟件設(shè)計(jì)和模擬微波器件的圖形界面。

四、課程網(wǎng)站建設(shè)

近年來，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)作為一種新型、高效的教學(xué)方式，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教育的不足，也推動(dòng)了高等院校的教育改革[6]。通過精品課程網(wǎng)站，學(xué)生可以跳出傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)間、空間上的制約，通過網(wǎng)站復(fù)習(xí)課堂上的知識(shí)，利用網(wǎng)站上的資源進(jìn)行更深層次的學(xué)習(xí)，還可以與老師留言交流。精品課程網(wǎng)站逐漸成為了運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改善教學(xué)質(zhì)量、增進(jìn)師生間交流的一種有效方式。

微波技術(shù)是研究微波信號(hào)產(chǎn)生、放大、傳輸、發(fā)射、接收、變換及測(cè)量等技術(shù)的學(xué)科，在衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、雷達(dá)、微波遙感等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?！拔⒉夹g(shù)”作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)“移動(dòng)通信”、“微波通信”等課程的重要基礎(chǔ)。“微波技術(shù)”課程涉及到電磁場(chǎng)理論和微波網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及天線技術(shù)，內(nèi)容廣泛，理論性強(qiáng)，信息量大，所用到的高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電磁場(chǎng)與電磁波等知識(shí)較多，是電子與通信相關(guān)專業(yè)比較難學(xué)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。

目前，傳統(tǒng)的微波技術(shù)教學(xué)存在一些問題。首先，教學(xué)方法比較單一，大多數(shù)時(shí)候還是采用課堂上ppt講解和板書的授課方式，這有助于進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)，但講課效率卻無法充分提高；其次，在有限的課堂教學(xué)中僅能將基本的概念、原理、方法教給學(xué)生，而對(duì)微波技術(shù)的發(fā)展前沿，更深層次的知識(shí)點(diǎn)，發(fā)散性、探索性的問題涉及較少。建設(shè)《微波技術(shù)》精品課程網(wǎng)站是配合教學(xué)現(xiàn)狀，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革的實(shí)踐。將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，是對(duì)以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)的新型教學(xué)方法和教學(xué)模式的探索。能夠充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主能動(dòng)性，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

本教研組運(yùn)用新型的Web前后端技術(shù)，采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，使用近年來新興的Node.Js搭建后端服務(wù)器[7]，使用Nosql數(shù)據(jù)庫MongoDB做為數(shù)據(jù)庫，使用jquery、Bootstrap等前端類庫和技術(shù)搭建一個(gè)性能、體驗(yàn)良好的《微波技術(shù)》課程網(wǎng)站[8]，并采用響應(yīng)式設(shè)計(jì)進(jìn)行多終端適配，使網(wǎng)站適應(yīng)PC、手機(jī)等不同尺寸的設(shè)備。該網(wǎng)站不但豐富了該課程的教學(xué)手段，而且改善了教學(xué)質(zhì)量，增進(jìn)了同學(xué)與老師之間的溝通與交流。

五、結(jié)論

本文分析了“微波技術(shù)與天線”課程的內(nèi)容特點(diǎn)及教學(xué)難點(diǎn)，并對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法提出了一些改進(jìn)措施。通過合理安排教學(xué)內(nèi)容及運(yùn)用多媒體技術(shù)來提高教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，開發(fā)和建立了相應(yīng)的課程網(wǎng)站，該網(wǎng)站為學(xué)生提供觀看視頻課程、資料下載、查看老師文章、向老師留言提問等功能，為老師建立一個(gè)后臺(tái)管理系統(tǒng)，提供文章的發(fā)布和管理、視頻資源上傳、回復(fù)學(xué)生留言等功能，有效提高了該課程的教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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