通信工程專業(yè)電磁場與微波技術(shù)系列課程教學(xué)改革探索

張景貴

（湖南第一師范學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410205）

引言

隨著信息時代的不斷發(fā)展，作為信息主要載體的高頻電磁場與微波，不僅在移動通信、微波遙感、電磁兼容、衛(wèi)星通信、軍事雷達(dá)等高科技領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，而且已經(jīng)深入到各行各業(yè)中[1]。此外電磁場與微波技術(shù)的基本理論又為一些交叉學(xué)科（如生物電磁學(xué)與微波化學(xué)）的生長點和探索科學(xué)研究前沿學(xué)科（如超表面與超常電磁介質(zhì)等）的發(fā)展基礎(chǔ)。因此，與此相關(guān)聯(lián)的電磁場與微波技術(shù)系列課程被規(guī)定為高等學(xué)校電子信息工程類相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)知識體系之一。該系列課程群主要包括“電磁場與電磁波”“微波技術(shù)”“微波電路理論分析”和“天線與電波傳播”等四門課程。由于電磁場與微波技術(shù)系列課程牽涉到高等數(shù)學(xué)的知識較多，內(nèi)容廣泛、概念抽象、特別是電磁場分布和數(shù)值計算非常復(fù)雜，給教與學(xué)工作帶來了相當(dāng)大的困難。因此，該系列課程可以說是通信工程、電子信息工程與電子科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的一門公認(rèn)難學(xué)難教的課程。為了解決這一難題,改進(jìn)教學(xué)效果,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，近幾年來國內(nèi)各高校在本系列課程教學(xué)改革方面做了大量研究工作，如葉宇煌提出了電磁場與微波技術(shù)系列課程的改革[2]，但其僅從理論教學(xué)模式出發(fā)提出了教學(xué)改革方案，卻沒有涉及實際的課程體系問題。歐陽義芳以史密斯圓圖（Smith chart）中的阻抗圓圖（Impedance chart）為例建立了課程教學(xué)改革項目[3]，但該論文僅僅僅針對“微波技術(shù)與天線”一門課程，沒有與電磁場與微波技術(shù)課程群體系相結(jié)合，具有一定的局限性。陳宇、白雪梅等提出以電路、電場與電波三者為主線，面向通信工程專業(yè)學(xué)生，側(cè)重研究移動通信、數(shù)據(jù)通信原理與雷達(dá)技術(shù)教學(xué)改革思想[4]。邊莉、張起晶等著重研究了電磁場與微波技術(shù)系列課程教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)與優(yōu)化思想[5]，但未涉及到課程體系中每門課的具體教學(xué)內(nèi)容。趙春暉、張朝柱針對哈爾濱工程大學(xué)通信工程專業(yè)的實際情況，基于課程體系改革及教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化方面提出電磁場與微波技術(shù)系列課程建設(shè)與改革的初步方案[6]。近年來，隨著通信工程專業(yè)升本成功，我校對電磁場與微波技術(shù)課程的改革和實踐也作了些前期探索工作，并且取得了初步教學(xué)改革效果，但作為地方師范類高校，由于升本時間不長和資金條件的限制，在教學(xué)改革經(jīng)驗與資源上無法與校齡較長傳統(tǒng)工科高校相比。

目前國內(nèi)地方高等學(xué)校電磁場與微波技術(shù)系列課程的教學(xué)改革多以關(guān)注校級、市級及省級“精品課程建設(shè)”等各類課程建設(shè)為主，并且大部分教學(xué)改革工作只針對課程體系中某門課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的調(diào)整，相對于整個電磁場與微波技術(shù)課程群來說，僅僅是局部優(yōu)化與調(diào)整而已。本文結(jié)合傳統(tǒng)電磁場與微波技術(shù)系列課程特點和我校的實際情況，對該系列課程體系的構(gòu)建、課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了探索，并結(jié)合當(dāng)前工程應(yīng)用最為廣泛的射頻微波技術(shù)實際需求提出電磁場與微波技術(shù)系列課程建設(shè)與改革的方案。通過該系列課程教學(xué)改革有助于促進(jìn)電磁場與微波技術(shù)課程群理論教學(xué)與當(dāng)前實踐工程相結(jié)合，提高學(xué)生對該系列課程的專業(yè)知識和技術(shù)的實際應(yīng)用能力，提高整個課程體系的教學(xué)質(zhì)量，從而促進(jìn)我校通信工程專業(yè)特色的形成，同時對我校電子科學(xué)與技術(shù)與計算機(jī)應(yīng)用專業(yè)的發(fā)展也將提供強(qiáng)有力的支撐與保障，并為其他高校在同類課程群建設(shè)中的理論與實踐教學(xué)改革方面提供新思路。

一、課程體系的重構(gòu)及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)

電磁場與微波技術(shù)系列課程被規(guī)定為高等學(xué)校電子信息工程與通信工程等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)知識體系之一。該系列課程群主要包括“電磁場與電磁波”“微波技術(shù)”“微波電路理論分析”和“天線與電波傳播”四門課程以及相應(yīng)的實驗和創(chuàng)新環(huán)節(jié)。本系列課程教學(xué)內(nèi)容多，知識結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理論性強(qiáng)，是典型的難學(xué)難教課程。為適應(yīng)當(dāng)前通信工程專業(yè)應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)的需要,筆者擬將電磁場與微波技術(shù)系列課程內(nèi)容進(jìn)行了整合，并對每門課的教學(xué)課時進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。課程教學(xué)體系重構(gòu)的基本原則是各課程的教學(xué)內(nèi)容不重復(fù)，各課程知識點之間關(guān)系既存在相對的獨立性又具有連續(xù)性，實踐實訓(xùn)環(huán)節(jié)或技能培養(yǎng)環(huán)節(jié)連續(xù)遞進(jìn)。課程教學(xué)改革的基本目標(biāo)是構(gòu)建厚基礎(chǔ)、重能力、寬口徑、求創(chuàng)新的課程教學(xué)體系。調(diào)整后的電磁場與微波技術(shù)系列課程體系安排如圖1所示。本系列課程教學(xué)改革是以“微波技術(shù)”為中樞，將傳統(tǒng)“微波電路理論分析”更名為“微波射頻電路理論分析與設(shè)計”，并對教學(xué)內(nèi)容做適當(dāng)調(diào)整，將“電磁場與電磁波”和“微波技術(shù)”兩門課程的實驗教學(xué)內(nèi)容單獨提煉出來，整合為一門單獨開設(shè)的實驗課程即“電磁場與微波技術(shù)實驗課程”，同時為提高學(xué)生工程實踐動手能力，新增設(shè)“微波技術(shù)與天線課程設(shè)計”。學(xué)生前期所修各門課最終將服務(wù)于后期新開設(shè)的微波射頻系統(tǒng)綜合實訓(xùn)環(huán)節(jié)，改革后的課程體系加強(qiáng)了該課程群與工程實際的結(jié)合，提高學(xué)生的微波系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)優(yōu)化的能力，符合地方院校通信工程專業(yè)應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

在進(jìn)行課程群體系結(jié)構(gòu)改革的同時，筆者所在學(xué)校也非常重視相應(yīng)課程實踐環(huán)節(jié)建設(shè)的開發(fā)和建設(shè)工作。2012年，隨著我校通信工程專業(yè)升本成功，電磁場與微波技術(shù)課程建設(shè)進(jìn)入起步期。除將“電磁場與電磁波”和“微波技術(shù)”兩門課程列入通信工程專業(yè)必修課之外，為增強(qiáng)學(xué)生實踐動手能力，我校還將“射頻技術(shù)與應(yīng)用”及“射頻電路課程設(shè)計”兩門實驗課程列入通信工程專業(yè)選修課。并且在專業(yè)建設(shè)經(jīng)費的支持下，筆者所在學(xué)院新建了無線移動通信實訓(xùn)室、購買了分光儀5套、電磁場與微波智能實訓(xùn)平臺4臺、微波頻譜儀2臺、射頻微波試驗箱4臺、標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀2套、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2臺，并且依托我院信號與信息處理重點學(xué)科平臺購置電磁與微波工程設(shè)計軟件CST。加強(qiáng)與IT企業(yè)，尤其是通信企業(yè)建立穩(wěn)定的協(xié)作關(guān)系，在校內(nèi)實行微波實驗室“全日制”開放，積極開辟學(xué)生第二課堂，改革教學(xué)方法與手段，取得了一定的教學(xué)效果。實踐教學(xué)工作的重點是充分利用學(xué)院現(xiàn)有的軟件與硬件條件，從培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力出發(fā)，構(gòu)建分層遞進(jìn)式電磁場與微波技術(shù)課程群實驗實踐教學(xué)體系，即由一般驗證性實驗向綜合性實驗和設(shè)計性實驗轉(zhuǎn)型；強(qiáng)調(diào)實驗的開放性與突出學(xué)生的自主性；課程設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計、選做和必做實驗、課外自主開發(fā)項目和課內(nèi)基本技能培養(yǎng)三者相互統(tǒng)籌，最終形成不同層次多類別的實驗教學(xué)體系。具體方案如下：第一層次為基礎(chǔ)知識培養(yǎng),該實踐環(huán)節(jié)由電磁場與微波技術(shù)實驗課程承擔(dān)，主要包括:法拉第電磁感應(yīng)定律的驗證、位移電流的測量、電磁場與電磁波的反射與折射實驗、電磁場與電磁波波單縫及雙縫衍射實驗、邁可爾遜干涉實驗、電磁波的極化實驗、微波駐波系數(shù)及反射系數(shù)測定、天線的方向圖繪制及其增益的測定。第二層次為系統(tǒng)設(shè)計能力提升，該實踐環(huán)節(jié)由微波與天線課程設(shè)計完成，主要包括微波有源電路及器件設(shè)計、微波無源電路及器件設(shè)計與微波天線設(shè)計。第三層次創(chuàng)新型實踐能力培養(yǎng)，該實踐環(huán)節(jié)由微波射頻系統(tǒng)綜合實訓(xùn)環(huán)節(jié)承擔(dān)，主要工作是開發(fā)出一個基于工程設(shè)計軟件的綜合微波系統(tǒng)，此外還可以依托學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項目與教師科研課題完成學(xué)生自己擬定的課題。

圖1 電磁場與微波技術(shù)系列課程體系結(jié)構(gòu)

三、課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

（一）電磁場與電磁波教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

目前國內(nèi)高校通信工程專業(yè)的“電磁場與電磁波”課程內(nèi)容主要包括矢量場分析、電磁場的基本規(guī)律、靜態(tài)場及其邊值問題解、時變電磁場、均勻平面波、導(dǎo)行電磁波和電磁波的輻射等知識點。當(dāng)前高等學(xué)校專業(yè)課程改革的基本指導(dǎo)思想是壓縮專業(yè)課程學(xué)時，同時強(qiáng)調(diào)專業(yè)基礎(chǔ)與突出教學(xué)重點。因此根據(jù)我校通信工程專業(yè)培養(yǎng)方案，筆者擬對傳統(tǒng)電磁場與電磁波課程內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化。將矢量場理論分析內(nèi)容歸入到前期課程“高等數(shù)學(xué)”，將導(dǎo)行電磁波內(nèi)容歸入后期課程“微波技術(shù)”，與此同時將電磁波的輻射內(nèi)容歸入后期課程“天線與電波傳播”。調(diào)整后的“電磁場與電磁波”課程只保留了電磁場的基本規(guī)律、靜態(tài)場及其邊值問題解、時變電磁場與均勻平面波等內(nèi)容。反映調(diào)整后電磁場與電磁波課程知識體系如圖2所示。

圖2 “電磁場與電磁波”知識體系

（二）微波技術(shù)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

目前國內(nèi)高等院校通信工程專業(yè)所開設(shè)的“微波技術(shù)”課程內(nèi)容主要包括:均勻傳輸線理論（平行雙導(dǎo)線與同軸線）、規(guī)則金屬波導(dǎo)（矩形波導(dǎo)與圓形波導(dǎo)）、微波集成傳輸線（微帶線及帶狀線）、微波網(wǎng)絡(luò)理論、微波元器件（衰減器、功率分配與合成器、隔離器、濾波器、諧振器腔以及微波鐵氧體器件等）等知識點。為適應(yīng)現(xiàn)代微波工程技術(shù)的發(fā)展，切實提高學(xué)生實際動手能力，筆者擬將原有的“電磁場與電磁波”中導(dǎo)行電磁波內(nèi)容作為微波傳輸線的基礎(chǔ)理論嵌入到“微波技術(shù)”課程中，此外為適應(yīng)現(xiàn)代射頻微波技術(shù)發(fā)展需求，改革后的“微波技術(shù)”課程還增加了兩個知識點，其一為微波電路CAD技術(shù);其二為微波CST電磁仿真軟件。反映整合后的微波技術(shù)課程知識體系如圖3所示。

圖3 “微波技術(shù)”知識體系

（三）微波射頻電路理論分析與設(shè)計教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

微波射頻工程領(lǐng)域一個典型應(yīng)用就是無線射頻識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達(dá)反射的傳輸特性，實現(xiàn)對目標(biāo)物體的自動識別。因此，結(jié)合當(dāng)前射頻微波技術(shù)工程實際需求，筆者擬將傳統(tǒng)的“微波電路設(shè)計”改為“微波射頻電路理論分析與設(shè)計”，在教學(xué)內(nèi)容上也進(jìn)行了調(diào)整，去掉與前期課程“微波技術(shù)”相重疊內(nèi)容如傳輸線理論和微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。與此同時，為提高學(xué)生在無線射頻技術(shù)領(lǐng)域?qū)嶋H動手能力，新增加ADS射頻電路仿真設(shè)計。調(diào)整后的“微波射頻電路理論分析與設(shè)計”課程內(nèi)容主要包括微波諧振電路、微波濾波器、微波放大器、微波混頻器、微波檢波器、微波控制電路以及ADS射頻電路仿真設(shè)計。改革后的知識體系將更有益于學(xué)生對無線射頻識別技術(shù)的基本知識的掌握，更符合地方院校通信工程專業(yè)應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)的要求。調(diào)整后微波射頻電路理論分析與設(shè)計課程知識體系如圖4所示。

圖4 “微波射頻電路理論分析與設(shè)計”知識體系

（四）天線與電波傳播教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

圖5 “天線與電波傳播”知識體系

傳統(tǒng)通信工程專業(yè)本科培養(yǎng)方案一般將天線技術(shù)教學(xué)內(nèi)容合并到微波技術(shù)這門課程中，形成單獨開設(shè)課程既“微波技術(shù)與天線”。基于無線射頻識別技術(shù)發(fā)展需求，因?qū)μ炀€性能設(shè)計要求更高，筆者擬將傳統(tǒng)的“電波傳播理論”和“天線技術(shù)”兩門課程整合為“天線與電波傳播”一門課程。并且將傳統(tǒng)“電磁場與電磁波”課程的中的電磁波輻射與接收內(nèi)容作為電波傳播基礎(chǔ)理論嵌入到“天線與電波傳播”課程知識體系中。與此同時在保留了原“天線技術(shù)”課程中主要經(jīng)典天線理論知識如天線基本知識、線天線技術(shù)、面天線技術(shù)、寬頻帶天線技術(shù)、微帶天線技術(shù)等知識點以及 傳統(tǒng)“電波傳播理論”課程中介紹高中低頻電波與微波段等各個波段的電磁波傳播規(guī)律和傳播模型知識模塊，此外增加了目前廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代移動通信的新型天線技術(shù)既智能天線原理與設(shè)計。整合后“天線與電波傳播”課程知識體系如圖5所示。

四、教學(xué)改革的成效

2012年我院通信工程專業(yè)由?？茖哟紊駷楸究茖哟危c本專業(yè)人才培養(yǎng)方案密切相關(guān)的電磁場與微波技術(shù)系列課程建設(shè)工作按照本方案同步推進(jìn)，并且取得了一些初步教學(xué)改革成效，比如在課程體系的重構(gòu)及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們基于?？茖哟稳瞬排囵B(yǎng)方案的基礎(chǔ)上將“電磁場與電磁波”和“微波技術(shù)”兩門課程列入通信工程專業(yè)必修課，此外為增強(qiáng)學(xué)生實踐動手能力，我院還將“射頻技術(shù)與應(yīng)用”及“射頻電路課程設(shè)計”兩門實驗課程列入通信工程專業(yè)選修課。特別是在本系列課程教學(xué)改革的支持下通信工程專業(yè)于2016年被評為湖南省普通高等學(xué)?！笆濉睂I(yè)綜合改革試點項目，這是我校通信工程專業(yè)教學(xué)改革的標(biāo)志性成果。此外通信工程教研室每年還多次召開“基于無線射頻技術(shù)的電磁場與微波課程改革”教學(xué)研討會，多次接納來自兄弟院校同行的參觀訪問，產(chǎn)生良好的社會效益。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，我院積極加強(qiáng)與IT企業(yè)尤其是微波通信企業(yè)建立穩(wěn)定的協(xié)作關(guān)系，在校內(nèi)實行電磁場與微波技術(shù)實驗室全天開放，并且開辟了電磁場與微波技術(shù)實驗第二課堂。在課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化方面，我們建成了電磁場與微波技術(shù)軟硬件教學(xué)平臺，推動了以提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識為目標(biāo)的電磁場與微波技術(shù)系列課程的教學(xué)改革，建立了電磁場與微波技術(shù)新的課程體系和實踐教學(xué)模式。近期依托于湖南省普通高等學(xué)?！笆濉睂I(yè)（通信工程）綜合改革試點項目，我院按照優(yōu)化后的課程體系完成全部教學(xué)資源修訂工作，主要包括課件、電子教案、教學(xué)大綱、課程實驗大綱、習(xí)題庫、學(xué)習(xí)要點等等。總之，本改革實施近五年來，我院通信工程專業(yè)電磁場與微波系列課程教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性以及工程應(yīng)用能力得到了明顯提高，取得了良好的教學(xué)效果。

結(jié)語

根據(jù)我校電磁場與微波技術(shù)系列課程的特點、教學(xué)現(xiàn)狀以及存在的問題，筆者對該系列課程結(jié)構(gòu)體系的重構(gòu)、課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的構(gòu)建等方面進(jìn)行了研究，并結(jié)合射頻微波技術(shù)工程實際需求提出電磁場與微波技術(shù)系列課程建設(shè)與改革的方案,通過該系列課程教學(xué)改革有助于促進(jìn)電磁場與微波技術(shù)課程群理論教學(xué)與當(dāng)前實踐工程相結(jié)合，提高學(xué)生對該系列課程相關(guān)專業(yè)技術(shù)知識的實際應(yīng)用能力，并為其他高校在同類課程體系建設(shè)中的理論與實踐教學(xué)改革方面提供新思路，讓電磁場與微波技術(shù)系列課程體系煥發(fā)出新的活力。相信通過本教學(xué)改革的實施，該系列課程教學(xué)質(zhì)量和效果、學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性以及工程應(yīng)用能力會得到明顯提高。

[1]David M.Pozar.電磁場與微波工程[M].張肇儀,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[2]葉宇煌.“電磁場與微波技術(shù)”課程設(shè)置初探[J].高等理科教育,2003（S1）:124-125.

[3]歐陽義芳.《電磁場·微波技術(shù)與天線》課程教學(xué)的幾點體會[J].廣西高教研究,1999（3）:38-39.

[4]陳宇,白雪梅,蔡立娟,李洪祚.電磁場與電磁波、微波技術(shù)和移動通信課程群實踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革[J].科教導(dǎo)刊,2016（2）:118-119.

[5]邊莉,張起晶,劉鑫,關(guān)雪梅,張莉娟.電磁場與微波技術(shù)系列課程教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2013（4）:48-50.

[6]趙春暉,張朝柱,趙旦峰.微波工程系列課程的體系改革與教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2008（2）:15-18.