天線實(shí)驗(yàn)課存在問題與教學(xué)方法改進(jìn)的研究

葉志紅　李強(qiáng)　邵羽　廖希

摘要 為了讓學(xué)生更好地理解天線的輻射特性，同時(shí)提高學(xué)生對天線測量的實(shí)踐操作能力，開設(shè)天線實(shí)驗(yàn)課并達(dá)到高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果就顯得十分重要。針對傳統(tǒng)天線實(shí)驗(yàn)課存在的問題，本文將結(jié)合科學(xué)研究技術(shù)、多媒體和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，對天線實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，提高課堂教學(xué)效率，讓學(xué)生在提高天線測量能力的同時(shí)，更好地理解天線的理論知識。

關(guān)鍵詞 天線實(shí)驗(yàn)課 存在問題 教學(xué)方法改進(jìn)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.02.048

1開設(shè)天線實(shí)驗(yàn)課的必要性

隨著4G和5G通信技術(shù)的發(fā)展，天線對于通信質(zhì)量的好壞起到至關(guān)重要的作用，其將發(fā)射端產(chǎn)生的電磁信號輻射出去，并在接收端進(jìn)行接收。因此，對于信息與通信工程和電子信息工程專業(yè)的學(xué)生，開設(shè)天線課程十分必要。然而，天線課程涉及到大量的電磁場理論和公式推導(dǎo)，且天線種類繁多，結(jié)構(gòu)不同，輻射機(jī)理亦不同。如何更好地講解天線知識，讓學(xué)生更容易接收和理解，是值得思考的問題。

因此，學(xué)院在制定專業(yè)培養(yǎng)方案時(shí)，將天線課分成兩部分進(jìn)行授課，即理論課和實(shí)驗(yàn)課。理論課注重講解各類天線的結(jié)構(gòu)和輻射特性，而實(shí)驗(yàn)課注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)加深對天線理論知識的理解。目前，天線實(shí)驗(yàn)課存在課時(shí)少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不新穎以及學(xué)生缺乏積極性等問題，如何科學(xué)地解決上述問題，將是本文的研究重點(diǎn)。

2天線實(shí)驗(yàn)課存在的主要問題

2.1課程內(nèi)容和學(xué)時(shí)以及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備之間存在矛盾

目前，學(xué)院開設(shè)的“無線通信電波傳播與天線”課程共48學(xué)時(shí)，而天線實(shí)驗(yàn)只占了8個(gè)學(xué)時(shí)。實(shí)際上，天線實(shí)驗(yàn)課程涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，但是受學(xué)時(shí)的限制，課程以內(nèi)安排的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有限，只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)的難易程度選擇一部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。同時(shí)，由于天線測量系統(tǒng)昂貴，受實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的限制，無法滿足學(xué)生一人一套天線測量系統(tǒng)的需求。如何協(xié)調(diào)課程內(nèi)容與學(xué)時(shí)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備少之間的矛盾尤為重要。

2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏完整性

目前天線實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而缺少設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使得整體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏完整性。教育部已經(jīng)提出“在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型設(shè)置上，綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)必須達(dá)到一定的比例”的要求，Ⅲ因此，如何合理制定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和運(yùn)用知識解決實(shí)際問題能力，顯得尤為重要。

2.3考核方式不合理，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性

恰當(dāng)?shù)目己朔绞讲粌H能夠?qū)W(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)也能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從某種角度來講也是對學(xué)生的一種鼓勵(lì)，能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。因此，如何合理客觀地評價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績就顯得非常重要。目前，天線實(shí)驗(yàn)課的成績只是作為平時(shí)成績的一部分，而且考核方式主要以點(diǎn)名和實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為考核標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備少，學(xué)生需分組實(shí)驗(yàn)，這樣必然會導(dǎo)致有些學(xué)生可以投機(jī)取巧，不主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)，而且抄襲同組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這也是抄襲現(xiàn)象屢禁不止的原因。如何有效評價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課成績，提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，是目前天線實(shí)驗(yàn)課教學(xué)面臨的一個(gè)新問題。

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)

針對上述目前天線實(shí)驗(yàn)課存在的問題，將科學(xué)研究技術(shù)、多媒體和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺結(jié)合起來，對天線實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，從而提高天線實(shí)驗(yàn)課的課堂效率以及學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題能力的目的。

3.1調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

由于天線實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)少，因此，需在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，合理制定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使其涵蓋設(shè)計(jì)性、驗(yàn)證性和綜合性三類實(shí)驗(yàn)，且合乎邏輯。具體的實(shí)施過程可以分成三個(gè)階段：（1）天線輻射的仿真分析；（2）天線性能的測量；（3）天線設(shè)計(jì)加工與測試。

這樣調(diào)整的目的是：首先，讓學(xué)生花2個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間，利用電磁場仿真軟件（例如CST），對天線進(jìn)行建模，仿真分析天線輻射的空間電磁場特性以及方向圖、增益等電參數(shù)，使得學(xué)生對天線設(shè)計(jì)以及輻射特性有了全面的了解。然后，安排6個(gè)學(xué)時(shí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課，測量不同類型天線的方向圖、增益和軸比等電參數(shù)，加深學(xué)生對天線類型和輻射性能的認(rèn)識。最后，安排2個(gè)學(xué)時(shí)的綜合性實(shí)驗(yàn)課，選擇一種難易適中的天線進(jìn)行設(shè)計(jì)并加工，然后測試天線的方向圖和增益等電參數(shù)，從而培養(yǎng)學(xué)生的解決實(shí)際問題的能力。不過，綜合性實(shí)驗(yàn)無法在2個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課堂內(nèi)完成，因此，在課外需安排2-3個(gè)時(shí)間段對學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)室，保證學(xué)生有足夠的時(shí)間完成天線設(shè)計(jì)和加工。

3.2將科學(xué)研究、多媒體和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺應(yīng)用到天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容安排合理之后，上好天線實(shí)驗(yàn)課就尤為重要。天線實(shí)驗(yàn)課需要包括兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，分別為實(shí)驗(yàn)原理講解和實(shí)驗(yàn)演示與學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作。

實(shí)驗(yàn)原理講解很重要，否則學(xué)生只是知道完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而無法從本質(zhì)上理解和掌握天線的輻射性能。因此，在每次實(shí)驗(yàn)課之前要求學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理。為了督促學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，可以采用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺（例如對分易教學(xué)平臺）進(jìn)行測試，具體實(shí)施方法是：老師預(yù)先針對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)一套題目，然后上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上，然后上課之前讓學(xué)生登錄平臺進(jìn)行測試并評分，并以此作為實(shí)驗(yàn)成績的一部分，這樣可以提高學(xué)生做好預(yù)習(xí)的積極性。在講解天線實(shí)驗(yàn)原理時(shí)，為了避免讓學(xué)生去理解繁雜的理論推導(dǎo)過程，可以將科學(xué)研究技術(shù)融入進(jìn)來，例如可以采用時(shí)域有限差分（FDTD）方法（一種高效的全波數(shù)值算法）對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并模擬得到天線輻射信號從近場區(qū)到遠(yuǎn)場區(qū)的傳播過程，然后結(jié)合相應(yīng)的圖片編輯軟件，將整個(gè)天線的輻射過程做成動(dòng)畫，然后通過多媒體進(jìn)行播放，這樣既能夠讓學(xué)生更容易接收和理解，同時(shí)可以節(jié)省大量的課堂講課時(shí)間，留出更多的時(shí)間用于實(shí)驗(yàn)操作。

實(shí)驗(yàn)原理講解完成之后，需要學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。在學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)之前，老師有必要給學(xué)生演示一下，一方面是通過演示的過程可以給學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)操作步驟，另一方面是，通過演示，讓學(xué)生了解有哪些地方或者細(xì)節(jié)需要注意，同時(shí)有必要提醒學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)需注意操作安全以及實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程中，由于學(xué)生是分組實(shí)驗(yàn)，為了避免一些學(xué)生不參與實(shí)驗(yàn)，老師應(yīng)在各組之間多走動(dòng)，督促學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)。另外，在檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，不只是檢查測量數(shù)據(jù)，還可以通過提問的方式，讓學(xué)生加深對天線測量和天線性能的理解和認(rèn)識，例如，實(shí)驗(yàn)采用的哪種天線測量方法，實(shí)驗(yàn)測量的是哪個(gè)面的方向圖，等等。

3.3改進(jìn)考核方式

考慮到學(xué)生對實(shí)驗(yàn)成績比較關(guān)注，考核方式會直接影響到學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性。因此，需要對天線實(shí)驗(yàn)課的考核方式進(jìn)行改進(jìn)，能夠從多方面綜合評價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績。

實(shí)驗(yàn)成績按照百分制來算，具體可分為4個(gè)部分：第一部分為考勤，占實(shí)驗(yàn)成績的10%；第二部分為預(yù)習(xí)，通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺可以很方便地進(jìn)行管理，占實(shí)驗(yàn)成績的10%；第三部分為實(shí)驗(yàn)操作技能，主要考察學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的態(tài)度、參與實(shí)驗(yàn)情況、儀器操作熟練程度、回答問題情況等，占實(shí)驗(yàn)成績的40%；第四部分為實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫和數(shù)據(jù)分析，主要考察學(xué)生撰寫報(bào)告的能力、分析問題和解決問題的能力，占實(shí)驗(yàn)成績的40%。

4小結(jié)

開設(shè)天線實(shí)驗(yàn)課，能夠讓學(xué)生更容易理解和掌握天線的理論知識，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。針對傳統(tǒng)天線實(shí)驗(yàn)課存在的學(xué)時(shí)少、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏完整性以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性不夠的問題，本文通過對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行合理調(diào)整，將科學(xué)研究、多媒體和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺應(yīng)用到天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)來提高教學(xué)效率，并對課程考核方式進(jìn)行改進(jìn)來激發(fā)學(xué)生的積極性，對天線實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，從而提高天線實(shí)驗(yàn)課的課堂教學(xué)效果。