案例式教學(xué)法在“微波技術(shù)基礎(chǔ)”課程中的應(yīng)用

李荃 項順祥 黃麟舒

摘要：本文在分析了“微波技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容和課程特點的基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前課堂教學(xué)中存在的不足，探索了案例式教學(xué)法在“微波技術(shù)基礎(chǔ)”課程中的應(yīng)用并給出具體案例的設(shè)計思路，實踐表明通過案例式教學(xué)極大地提高了學(xué)生對課程的興趣，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：微波技術(shù)；案例式教學(xué)；課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）36-0185-02

一、引言

“微波技術(shù)基礎(chǔ)”課程是電子信息類場與波方向的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。應(yīng)用場景包括雷達(dá)、通信、電子對抗等領(lǐng)域。這一類課程的特點是理論性和實踐性都很強，一方面是對學(xué)生掌握前序課程的程度要求較高，特別是《電磁場與電磁波》的相關(guān)理論和概念，一方面，又是對學(xué)生前面學(xué)習(xí)到的低頻電子類課程的一個革新和深入，需要打破學(xué)生之前學(xué)習(xí)低頻電路中形成的一些思維固化。對于微波電路形成傳輸線的思想，并且結(jié)合“場”（電磁場與電磁波）和“路”（電路理論）的思想對相關(guān)微波工程問題進(jìn)行研究和思考。

《微波技術(shù)基礎(chǔ)》課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課，既有專業(yè)課對于專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)概念和原理的研究，同時也要為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)課程打下足夠深度的學(xué)科知識基礎(chǔ)。其在整個培養(yǎng)體系中所處的地位如圖1所示，從另一方面來說也是起到了一個連接基礎(chǔ)課和專業(yè)課的橋梁紐帶作用，是前序相關(guān)基礎(chǔ)課程的理論概念的實際工程應(yīng)用，為后續(xù)的天線類專業(yè)基礎(chǔ)課，雷達(dá)原理、無線通信原理、衛(wèi)星通信原理等專業(yè)課提供理論基礎(chǔ)。但是教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對學(xué)習(xí)該門課程的信心不足，加之大部分學(xué)生因為前序課程《電磁場與電磁波》概念抽象，理論性很強，需要較強的空間想象能力，涉及公式復(fù)雜且繁多，所以往往沒有開始學(xué)習(xí)就已經(jīng)有了畏難情緒，思想上就害怕學(xué)習(xí)這類課程，這給實際教學(xué)帶來了很大的困擾。

二、微波技術(shù)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容與特點

微波技術(shù)基礎(chǔ)課程主要涉及以下幾個方面的內(nèi)容[1]：

1.微波特性及傳輸線理論[2]。介紹微波的特性從而分析得出用低頻中的理論體系并不適用于微波頻段進(jìn)而通過長線短線的定義引出傳輸線理論。傳輸線理論主要以“路”的角度出發(fā)，通過建立等效電路模型，以微分方程的方式，分析微波信號在傳輸線上的傳播特性及工作狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出行波、駐波、行駐波三種工作狀態(tài)的沿線電壓，電流及阻抗的分布特性。引入相應(yīng)的特性參量如輸入阻抗，反射系數(shù)及駐波比來對微波信號在傳輸線上的工作狀態(tài)進(jìn)行描述。這一部分知識點是本門課程的重點。

2.幾種常用的微波傳輸線系統(tǒng)。以常見的幾種導(dǎo)行波為例，介紹矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、同軸線及微帶線等傳輸線系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，以“場”的思路分析其工作原理，從導(dǎo)波場論入手使學(xué)生掌握橫縱分離變量法的分析方式，進(jìn)而推導(dǎo)出不同傳輸線的場分布加深對不同傳輸線特性和傳輸模式的理解，使學(xué)生對于使用“場”和“路”這兩種思路分析傳輸線工作特性的方法得以融會貫通。

3.微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。主要介紹微波電路等效微波網(wǎng)絡(luò)的思想，并用矩陣這一數(shù)學(xué)工具來表征微波網(wǎng)絡(luò)的不同外部特性。著重以S參數(shù)來分析典型2端口網(wǎng)絡(luò)及其元件的工作特性。

總的來說微波技術(shù)基礎(chǔ)是一門理論性較強的工程實踐學(xué)科，因此在具體的教學(xué)實施中，力求理論聯(lián)系實踐，一方面在教學(xué)中結(jié)合課程內(nèi)容穿插其與通信、雷達(dá)等典型場景的應(yīng)用，一方面在實踐環(huán)節(jié)設(shè)置相關(guān)實驗，能使學(xué)生確確實實地通過動手感受到課本上抽象的理論。

三、案例式教學(xué)的概念和意義

案例式教學(xué)法屬于一種重要的以“案例”為基礎(chǔ)的研究型教學(xué)方法，其特點是：以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，改變傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)方法，倡導(dǎo)學(xué)生積極參與到對案例的研究中。并在探索和研究的教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生的求知欲、好奇心，提高學(xué)習(xí)本門課程的興趣[3-4]，不僅有利于鞏固所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識，還有利于提高學(xué)生運用所學(xué)理論知識解決工程實踐問題的能力。學(xué)生通過具體的案例的需要，去學(xué)習(xí)儲備自己的理論知識，理解更透徹，記憶更深刻，通過自己的實踐將學(xué)習(xí)到的東西內(nèi)化為自己的能力，掌握了就記住了，不容易忘記。而本身解決案例問題的過程就是在鍛煉學(xué)生解決實際問題的能力。

實施案例式教學(xué)法分為三個步驟：案例設(shè)計—分析研究—作答總結(jié)，教師在整個教學(xué)活動中扮演的是組織者和引導(dǎo)者的角色，負(fù)責(zé)案例的選擇和設(shè)計，組織學(xué)生開展討論，適時地進(jìn)行引導(dǎo)，并在最后進(jìn)行總結(jié)。

四、案例式教學(xué)在“微波技術(shù)”課程中的運用

微波技術(shù)基礎(chǔ)偏工程應(yīng)用，案例豐富，實施案例式教學(xué)具有天然的優(yōu)勢。結(jié)合課程實際情況和學(xué)生的基礎(chǔ)，對于一些必要的基礎(chǔ)理論知識還是需要進(jìn)行一定的講解和推導(dǎo)。依據(jù)教學(xué)大綱，針對課程中的難點問題，在教學(xué)過程中選取了以下幾個有代表性和覆蓋性的知識點設(shè)計相關(guān)案例，運用案例式教學(xué)法，取得了較好的教學(xué)效果。

1.傳輸線理論中的阻抗匹配案例。這一知識點是整個傳輸線理論的落腳點和微波工程中最為典型的一個實踐應(yīng)用，針對不同的匹配案例，幾乎可以涵蓋整個傳輸線理論的知識點。并且解決每一個不同的匹配案例可以使用的方法不同，可以使用阻抗變換電路、λ/4阻抗匹配電路、單枝節(jié)匹配電路、雙枝節(jié)匹配電路、多枝節(jié)匹配電路等多種方式，但又不是每種方式都適合。而方法選定后計算方式又可以通過公式法或者是圓圖的方法。所以案例的合理選取和設(shè)計很重要，要盡可能地覆蓋多的知識點和方式，而又要有區(qū)分和提升，案例要能較好體現(xiàn)出不同的匹配方式的適用場景和特點。因此對于案例的分析和思考很重要，在這一環(huán)節(jié)中，教師要起到很好的引導(dǎo)作用，首先要引導(dǎo)學(xué)生分析不同案例的異同，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生選擇不同的匹配方式進(jìn)行嘗試，在這個過程中并不給學(xué)生下定論，鼓勵學(xué)生嘗試不同的方法，哪怕是錯誤的。

2.波導(dǎo)中各種模式的場分布。運用“場”的方法對波導(dǎo)進(jìn)行分析的主要目的就是要掌握不同模式的波在波導(dǎo)中的場分布，從而為后續(xù)理解不同微波元件的工作原理打下基礎(chǔ)。該問題的本質(zhì)其實就是求解不同邊界條件下的麥克斯韋方程組的解。手工求解十分復(fù)雜，幾乎無法完成，但是現(xiàn)在有很多商業(yè)仿真軟件可以提供相關(guān)的功能，可以引導(dǎo)學(xué)生課下積極地嘗試，但對于設(shè)置的案例，引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)出發(fā)，理解每種波導(dǎo)系統(tǒng)的場解得數(shù)學(xué)方程下的物理含義，引導(dǎo)學(xué)生從最基本的TE10模入手，進(jìn)而推導(dǎo)出不同的TEmn的大概的場分布形態(tài)。

3.微波網(wǎng)絡(luò)特性的S參數(shù)描述。使用“場”理論對微波電路進(jìn)行分析雖然可以得到精確解，但是往往因為過于復(fù)雜求解過程十分煩瑣而容易出錯且耗時巨大。而通過將微波電路等效成的微波網(wǎng)絡(luò)可以較好地解決這個上述“場”方法的缺點，最為典型的應(yīng)用就是使用S參數(shù)來分析微波電路的工作特性，而且S參數(shù)是可以通過實驗和相應(yīng)的儀器來進(jìn)行測量的，這為我們通過測量來得知電路的工作狀態(tài)提供了可能。雖然得到的是近似結(jié)果，但對于工程應(yīng)用來說是能滿足精度要求的。要解決此類問題相關(guān)案例首先需要理論支撐，就是如何將相應(yīng)的微波電路等效成微波網(wǎng)絡(luò)。這一問題可以隨案例一起布置下去讓學(xué)生自行進(jìn)行思考，在學(xué)生充分理解使用微波網(wǎng)絡(luò)理論研究微波電路的原理和優(yōu)越性的基礎(chǔ)上，再對具體案例進(jìn)行分析。

五、結(jié)束語

在“微波技術(shù)基礎(chǔ)”課程中應(yīng)用案例式教學(xué)法，使抽象的理論知識有了實際的落腳點，且通過案例的合理設(shè)置將所學(xué)知識點融會貫通，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析解決問題的能力，使其學(xué)習(xí)到的知識真正內(nèi)化為自己的能力，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們更有熱情地投入后續(xù)課程的學(xué)習(xí)中。但同時作為教師，也要進(jìn)一步完善案例的選擇和設(shè)計，在如何引導(dǎo)學(xué)生對案例進(jìn)行思考、總結(jié)、推廣上下功夫。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙春暉.微波技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]鄒鳳華.案例式教學(xué)法在計算機教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].課程教育研究，2015，（3）：33-34.

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