《微波技術(shù)與天線》實(shí)驗(yàn)的信息化教學(xué)設(shè)計(jì)

劉捷 朱振波 賀昌輝 饒翚

【摘要】針對(duì)《微波技術(shù)與天線》課程重難點(diǎn)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；針對(duì)課程特點(diǎn)及教學(xué)對(duì)象，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化設(shè)計(jì)，并制作或開發(fā)相關(guān)的信息化資源用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)踐表明，運(yùn)用信息化手段可解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備少、昂貴的問題，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虒W(xué)；可突破瓶頸，解決實(shí)際平臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】微波技術(shù)與天線 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 信息化教學(xué)設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）45-0255-02

《微波技術(shù)與天線》課程是我院本科學(xué)歷教育階段的專業(yè)基礎(chǔ)類必修課程。本課程的先修課程是《高等數(shù)學(xué)》、《大學(xué)物理》及《電路分析》等基礎(chǔ)課程，同時(shí)又為后續(xù)《雷達(dá)基礎(chǔ)理論》、《雷達(dá)分系統(tǒng)原理》等專業(yè)課程服務(wù)。通過課程學(xué)習(xí)，使學(xué)員掌握雷達(dá)天饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理基礎(chǔ)；具備調(diào)整、使用測量平臺(tái)的能力及分析解決雷達(dá)天饋系統(tǒng)問題的能力；初步具備把所學(xué)知識(shí)與雷達(dá)系統(tǒng)相結(jié)合的素質(zhì)。

一、課程特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)設(shè)置

《微波技術(shù)與天線》課程[1]具有以下特點(diǎn)：一是理論性強(qiáng)，難教難學(xué)。主要是圍繞電磁波的理論和方法比較深?yuàn)W復(fù)雜；二是概念抽象，公式復(fù)雜。如長線方程、波導(dǎo)場結(jié)構(gòu)、天線輻射場等；三是應(yīng)用性強(qiáng)，貼近裝備。主要是與各種米波雷達(dá)、厘米波雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)以及各種新器件、新技術(shù)密切相關(guān)。

為此，針對(duì)課程重難點(diǎn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以平臺(tái)搭建為基礎(chǔ)，信息化手段為拓展，從參數(shù)測量入手，開設(shè)有4個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

“米波測量線實(shí)驗(yàn)”，強(qiáng)化長線、分布參數(shù)、駐波比、阻抗匹配等概念；讓學(xué)員通過直接使用微波設(shè)備，獲得很好的感性認(rèn)識(shí)；“波導(dǎo)測量線實(shí)驗(yàn)”，強(qiáng)化場結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)元件、調(diào)諧和波導(dǎo)阻抗匹配等知識(shí)，讓學(xué)員了解新頻段需要新的傳輸線，且隨頻率升高，實(shí)驗(yàn)設(shè)備更精密，對(duì)學(xué)員實(shí)操能力要求更高；“拋物面天線實(shí)驗(yàn)”，強(qiáng)化輻射場、天線發(fā)射與接收、天線方向圖、波瓣寬度及饋源偏焦等概念；讓學(xué)員深刻領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)改變引起空間饋電；“相控陣天線波束設(shè)計(jì)與測量實(shí)驗(yàn)”，強(qiáng)化相掃原理、單波束、雙波束及低副瓣波束設(shè)計(jì)的概念；開發(fā)虛擬仿真平臺(tái)1個(gè)，讓學(xué)員在沒有實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)的條件下，“早介入”、“早設(shè)計(jì)”、“早操作”。

二、教學(xué)對(duì)象分析

課程教學(xué)對(duì)象為三年級(jí)工程專業(yè)本科學(xué)員。大部分學(xué)員學(xué)習(xí)態(tài)度端正，學(xué)習(xí)積極性較高，基本掌握了大學(xué)學(xué)習(xí)方法，具備自主學(xué)習(xí)能力；少數(shù)學(xué)員對(duì)本課程學(xué)習(xí)有畏難情緒，覺得內(nèi)容抽象難學(xué)，特別是初次接觸主模場結(jié)構(gòu)、天線波束等抽象概念時(shí)，感到困惑，難以理解；大部分學(xué)員對(duì)雷達(dá)天饋系統(tǒng)認(rèn)知不夠，由于很少接觸雷達(dá)，對(duì)同軸線、波導(dǎo)、匹配阻抗器等微波元器件及雷達(dá)天饋系統(tǒng)沒有什么了解。但是從先修課程高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路分析、文獻(xiàn)檢索考試成績看，學(xué)員總體數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較好，具備一定的抽象思維、實(shí)踐動(dòng)手能力、文獻(xiàn)檢索能力，信息化手段運(yùn)用熟練。

三、信息化教學(xué)策略設(shè)計(jì)

根據(jù)課程特點(diǎn)及學(xué)員情況，實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)采用“理實(shí)一體，虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)策略，充分利用信息化手段，發(fā)揮學(xué)員的主動(dòng)性，破解實(shí)驗(yàn)瓶頸。

為此，制作或開發(fā)相關(guān)的信息化資源用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)課用到相關(guān)信息資源如下：制作的“微波技術(shù)與天線網(wǎng)絡(luò)課程”可用于內(nèi)容重難點(diǎn)鞏固，師生互動(dòng)；開發(fā)的“微波技術(shù)與天線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”可用于電磁場傳播及輻射的動(dòng)態(tài)可視化、傳輸線與天線參數(shù)仿真計(jì)算；開發(fā)的“相控陣天線仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)”可用于交互式相控陣掃描原理仿真、三種波束相控陣天線仿真設(shè)計(jì)；開發(fā)的“相控陣天線實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)”是基于局域網(wǎng)絡(luò)的實(shí)測系統(tǒng)，可進(jìn)行相控陣天線相關(guān)實(shí)驗(yàn)的分時(shí)遠(yuǎn)程測量；此外，制作相關(guān)的Flash動(dòng)畫、視頻、圖片；采用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、繪圖。

四、教學(xué)實(shí)施過程

教學(xué)實(shí)施過程分“課前在線互動(dòng)-課上虛實(shí)結(jié)合-課后鞏固拓展-多項(xiàng)綜合評(píng)價(jià)”四個(gè)步驟。以“相控陣天線波束設(shè)計(jì)與測量”實(shí)驗(yàn)為例，具體說明。

（一）課前在線互動(dòng)

課前教員將所需課程知識(shí)，課程信息化資源以及本次課的仿真平臺(tái)、測試平臺(tái)的使用說明書放到網(wǎng)絡(luò)硬盤；學(xué)員下載后自主學(xué)習(xí)，有疑問，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給教員互動(dòng)答疑；教員收集整理意見并有針對(duì)性的備課。

（二）課上虛實(shí)結(jié)合

課堂教學(xué)活動(dòng)按照“原理精講—仿真設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)測量—總結(jié)點(diǎn)評(píng)”的思路展開。

1.原理精講

作戰(zhàn)應(yīng)用引入：采用“早期遠(yuǎn)程預(yù)警相控陣?yán)走_(dá)優(yōu)勢”視頻和“機(jī)掃相掃”動(dòng)畫，引入問題：相控陣天線波束掃描是如何實(shí)現(xiàn)的？讓學(xué)員充分了解本次實(shí)驗(yàn)課的意義。精講實(shí)驗(yàn)原理：通過“相位對(duì)波束指向影響”演示相掃本質(zhì)上是理論課上的不等相位饋電；通過“相控陣技術(shù)”視頻介紹相掃的關(guān)鍵器件是移相器；通過“相控陣天線掃描原理仿真”綜合演示單波束掃描，使比較抽象的相掃原理，變得形象直觀。精講設(shè)計(jì)方法：設(shè)計(jì)特定指向單波束，經(jīng)MATLAB軟件平臺(tái)理論計(jì)算，獲得實(shí)現(xiàn)單波束的移相碼；通過“相控陣天線仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)”，虛擬實(shí)現(xiàn)單波束的特定指向。具體實(shí)施時(shí)，教員主機(jī)上的仿真設(shè)計(jì)投影到大屏幕，讓學(xué)員看得清，聽得明；讓學(xué)員在各自的實(shí)驗(yàn)終端仿真，學(xué)中做，做中學(xué)。

2.仿真設(shè)計(jì)

學(xué)員通過“相控陣天線仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)”各自仿真設(shè)計(jì)單波束、雙波束、低副瓣波束。具體實(shí)施時(shí)，一人一組，學(xué)員獲得的仿真設(shè)計(jì)參數(shù)正確與否，可通過局域網(wǎng)互相對(duì)比討論，典型問題教員投影到大屏幕討論，積極互動(dòng)共同學(xué)習(xí)。

3.實(shí)驗(yàn)測量

基于正確的設(shè)計(jì)參數(shù)，學(xué)員使用“相控陣天線實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)”分別進(jìn)行三種波束的實(shí)驗(yàn)測量。具體實(shí)施時(shí)，通過局域網(wǎng)，采用一套天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可同時(shí)容納12臺(tái)終端進(jìn)行分時(shí)遠(yuǎn)程測量；“相控陣天線實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)”可對(duì)實(shí)測過程、學(xué)員實(shí)驗(yàn)次數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；信號(hào)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集和保存測量數(shù)據(jù)；學(xué)員分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得測量結(jié)果；撰寫電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告，然后通過網(wǎng)絡(luò)提交。

12臺(tái)終端通過網(wǎng)絡(luò)分時(shí)使用一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，破解了實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，不能規(guī)?；虒W(xué)難題；利用局域網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)“教”、“學(xué)”雙方互動(dòng)及協(xié)作式學(xué)習(xí)方式。

4.總結(jié)點(diǎn)評(píng)

總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)，包括對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對(duì)比分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)所學(xué)知識(shí)引申；對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)員表現(xiàn)做點(diǎn)評(píng)。

（三）課后鞏固拓展

一是專業(yè)內(nèi)容拓展。如進(jìn)一步了解實(shí)際相控陣?yán)走_(dá)的饋電電流分布；二是鞏固提高學(xué)員仿真能力。如教學(xué)軟件拓展、專題小設(shè)計(jì)。專題小設(shè)計(jì)課題，如“寬頻帶螺旋天線的設(shè)計(jì)與制作”中，天線參數(shù)的仿真設(shè)計(jì)可以選擇專業(yè)電磁仿真軟件HFSS；實(shí)驗(yàn)測量可用本實(shí)驗(yàn)室的微波暗室測量。

（四）多項(xiàng)綜合評(píng)價(jià)

包括課前提問質(zhì)量、課上實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、教員點(diǎn)評(píng)、學(xué)員互評(píng)和系統(tǒng)考評(píng)的多項(xiàng)綜合評(píng)價(jià)機(jī)制，將考評(píng)融入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

五、小結(jié)

將信息化資源運(yùn)用到《微波技術(shù)與天線》課程實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用信息化手段解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備少、昂貴的問題，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虒W(xué)；運(yùn)用信息化手段突破瓶頸，解決實(shí)際平臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。

綜合考核表明，采用信息化教學(xué)后：學(xué)員變不想學(xué)為想要學(xué)，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蜋C(jī)務(wù)作風(fēng)都得到鍛煉。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅文斌，董文峰，楊春山.微波技術(shù)與天線[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2015.8