融合電路仿真APP的“高頻電路”教學(xué)改革探討

鄭少勇

(中山大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 廣州 510006)

新冠肺炎疫情對我國經(jīng)濟社會發(fā)展造成了前所未有的沖擊，對教育領(lǐng)域也產(chǎn)生了較大影響。在后疫情時期，高等學(xué)校教育面臨新挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)教育手段主要依賴于線下強制性授課，已無法應(yīng)對這一巨大變化。因此，后疫情時代的教育改革應(yīng)充分利用信息科技高速發(fā)展所帶來的便利性，積極探索“以學(xué)生為中心”的混合式教學(xué)機制[1]。

“高頻電路”課程是電子信息、電子科學(xué)與技術(shù)類等專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程，通過對電子元器件、電子線路的學(xué)習(xí)，掌握各單元電路的基本概念和分析設(shè)計方法，為“通信系統(tǒng)”等后續(xù)進階課程打下必備的基礎(chǔ)[2]。狹義的高頻概念通常只涵蓋3MHz-30MHz的頻率范圍。但隨著用戶數(shù)量的激增和用戶需求的提升，無線通信技術(shù)朝著寬帶寬、高速率、高頻段的趨勢發(fā)展，廣義的高頻概念已經(jīng)朝向微波甚至毫米波頻段延伸[3-4]。因此，現(xiàn)代高頻電路教學(xué)內(nèi)容將涵蓋幾MHz到幾十GHz的頻率范圍。為響應(yīng)五中全會《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標(biāo)的建議》中“激發(fā)人才活力，培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才”的號召，立足于后疫情時代背景和現(xiàn)代科技發(fā)展的實用趨勢，筆者致力于探索高頻電路教學(xué)的改革方案。

1 “高頻電路”課程現(xiàn)狀分析

“高頻電路”課程具備較強的工程性和實踐性，對教師的教學(xué)能力和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力提出了更高的要求。在提出改革方案之前，首先明晰“高頻電路”教學(xué)的現(xiàn)狀和所面臨的難題：

1)課程難點冗雜，教學(xué)手段單一

相比于此前學(xué)習(xí)的模電等基礎(chǔ)課程，“高頻電路”的特性分析和設(shè)計更為復(fù)雜，因此該課程具有知識抽象、公式繁多、原理復(fù)雜的特點。目前教學(xué)手段主要依賴于線下課堂授課和線下實驗教學(xué)。疫情期間學(xué)生無法進入實驗室進行實踐操作，只能根據(jù)課本上的理論公式和文字結(jié)論進行學(xué)習(xí)，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生對原理的進一步消化和理解。

2)教學(xué)內(nèi)容落后，脫離前沿技術(shù)

目前所采用的教材大多是老舊的版本，內(nèi)容更新速度遠落后于通信技術(shù)的更替速度。而且教材中的教學(xué)內(nèi)容更側(cè)重于數(shù)學(xué)推導(dǎo)，與實際應(yīng)用有一定差距，學(xué)生無法在現(xiàn)實生活中找到應(yīng)用實例，缺乏學(xué)習(xí)興趣。

3)學(xué)生主動性低，缺乏探究興趣

多數(shù)學(xué)生缺乏提前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的自主性，僅靠在課堂中被動接收教師所給出的結(jié)論性描述，并借助機械記憶進行強記，對理論公式的推導(dǎo)和電路單元的分析缺少思考和探究，因此學(xué)生對該課程知識點的記憶周期通常較為短暫。

4)考核形式單一，實驗設(shè)計薄弱

“高頻電路”課程通常是通過期末筆試的形式進行考核。而輔助理論教學(xué)的實驗環(huán)節(jié)基本上都是驗證性實驗，主要受限于以下兩個因素：學(xué)生對理論知識的掌握程度不夠深入，難以獨立地進行設(shè)計性實驗；實驗室的場地和開放時間非常有限，學(xué)生沒有充分的時間來完成設(shè)計性實驗。

基于上述分析，“高頻電路”教學(xué)改革所面臨的挑戰(zhàn)在于現(xiàn)有的教學(xué)手段未能有效提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動性，未能幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)基本理論的基礎(chǔ)之上加以驗證和運用，且相關(guān)教學(xué)安排受疫情等特殊情況的影響較大。

2 基于APP的教學(xué)改革措施

在分析目前“高頻電路”課程教學(xué)改革現(xiàn)狀之后，順應(yīng)后疫情時代教育變革發(fā)展趨勢，筆者借力信息化技術(shù)，在教學(xué)中融入電路仿真分析APP，實現(xiàn)課堂教學(xué)和課外實踐的有機結(jié)合。

2.1 豐富教學(xué)形式和充實教學(xué)內(nèi)容

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的“高頻電路”內(nèi)容略顯過時，需要對課堂教學(xué)內(nèi)容進行擴充和豐富。例如，在現(xiàn)有的課程內(nèi)容中，普通導(dǎo)線一般被認(rèn)為是能夠?qū)щ姷摹袄硐肽Ｐ汀?，但隨著通信系統(tǒng)的工作頻率提高，“理想模型”的準(zhǔn)確度已不足夠，問題的分析也將更加復(fù)雜。此外，作為最常用的傳輸線之一，微帶線可廣泛應(yīng)用于實現(xiàn)阻抗匹配器、移相器、濾波器等一系列功能性高頻電路。因此，為了幫助學(xué)生更好地與前沿技術(shù)接軌，很有必要在教學(xué)中擴展介紹微帶線結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容，并鼓勵學(xué)生使用APP對微帶線電路的特性進行仿真驗證和思考。

為了模擬并呈現(xiàn)特定頻率下的微帶電路工作狀態(tài)，選擇基于FDTD技術(shù)的電路仿真APP如MuStripKit供用戶使用，具體操作界面如圖1所示。首先在主界面設(shè)置微帶線的一些基本參數(shù)如介質(zhì)基板介電常數(shù)、基板厚度和工作頻率(如圖1(a))。然后進入電路設(shè)計界面，選擇包括傳輸線、短路線、開路線等多種微帶線結(jié)構(gòu)，并將這些元件通過串聯(lián)或并聯(lián)方式添加到電路結(jié)構(gòu)中，從而實現(xiàn)所需的微帶電路。在面板上就可以直接設(shè)置相關(guān)元件的參數(shù)。在確定電路結(jié)構(gòu)和所有參數(shù)后，MuStripKit能夠計算并顯示對應(yīng)的阻抗圓圖和工作狀態(tài)參數(shù)(如圖1(b))，以及相應(yīng)的S參數(shù)(如圖2)，并實時顯示在正弦波源或高斯脈沖源下的信號沿微帶線的傳輸情況(如圖3)。通過引入該APP，課程的教學(xué)內(nèi)容將變得更加立體化，學(xué)生對相關(guān)知識的理解更加深入。

相比傳統(tǒng)電路分析軟件，MuStripKit具有獲取方便、操作簡單、使用便捷等優(yōu)點，學(xué)生隨時隨地都可以在移動終端上使用。此外，該APP可以更直觀地向?qū)W生展示電路結(jié)構(gòu)與功能，動態(tài)地顯示高頻信號的傳輸，彌補了傳統(tǒng)PPT教學(xué)無法直觀展示電路功能這一不足，是輔助教學(xué)的理想選擇。結(jié)合APP的應(yīng)用領(lǐng)域與使用方法，在教學(xué)中增加微帶電路基礎(chǔ)、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)等更契合工程應(yīng)用情景的內(nèi)容，為學(xué)生提供微波工程的入門引導(dǎo)教學(xué)，著重介紹特征阻抗、史密斯圓圖與S參數(shù)等內(nèi)容，為后續(xù)進階專業(yè)課程打下理論基礎(chǔ)。

2.2 優(yōu)化實踐教學(xué)方案

針對“高頻電路”課程特點，堅持以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的基本原則，結(jié)合電路仿真分析APP探索基于項目的探究式教學(xué)模式，將課堂教學(xué)和實踐教學(xué)進行有機結(jié)合，有步驟、有計劃地完成本課程的教學(xué)任務(wù)，讓學(xué)生在完成項目的過程中利用APP工具解決專業(yè)問題，拓展思維方式。

在現(xiàn)有的教學(xué)任務(wù)基礎(chǔ)上，增設(shè)融合APP的實踐教學(xué)內(nèi)容，能夠同時開拓學(xué)生的學(xué)術(shù)視野和強化學(xué)生的專業(yè)能力。根據(jù)課程的整體知識結(jié)構(gòu)，教學(xué)過程分為兩個階段：前一階段主要是學(xué)習(xí)基本元器件和基本電路及其響應(yīng)特性；后一階段則深入到單元電路和功能性電路。具體來說，前一階段布置相應(yīng)的基于APP的驗證型作業(yè)，促進學(xué)生對微帶線等基本結(jié)構(gòu)的動態(tài)認(rèn)知；根據(jù)“高頻電路”課程教學(xué)大綱，學(xué)生需要掌握無線電收發(fā)系統(tǒng)基本單元電路的原理和實現(xiàn)，后一階段安排學(xué)生分組進行基于APP的功能性電路設(shè)計，具體方案見表1。通過實施融合APP的實踐教學(xué)方案，加強學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對理論知識的應(yīng)用能力，提升學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，促進教學(xué)和科研相結(jié)合，實現(xiàn)課程教學(xué)質(zhì)量的顯著提升。

(a)基本參數(shù)設(shè)置

(b)微帶電路參數(shù)設(shè)置和結(jié)構(gòu)設(shè)計圖1 MuStripKit的操作界面

(a) S11

(b) S21圖2 電路結(jié)構(gòu)對應(yīng)的S參數(shù)

圖3 電路結(jié)構(gòu)的信號傳輸情況

表1 基于APP-MustripKit的實驗教學(xué)方案

3 多維考核體系

作為教學(xué)過程中的關(guān)鍵組成部分，檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)成效的課程考核環(huán)節(jié)不應(yīng)只著眼于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的機械記憶和簡單計算，而是要考驗學(xué)生的“變現(xiàn)”能力，即將課本知識轉(zhuǎn)化為實踐應(yīng)用，從而達到對課本知識深度理解和運用的終極目標(biāo)。

根據(jù)“高頻電路”課程教學(xué)大綱對強化學(xué)生實際應(yīng)用能力的要求，從基礎(chǔ)知識考察、APP項目設(shè)計和創(chuàng)新實踐訓(xùn)練三個方面來考核學(xué)生的真實水平。從而構(gòu)成“高頻電路”多維考核體系，如圖4所示。

圖4 多維考核體系

基礎(chǔ)知識考察主要采用平時測驗和期末筆試等傳統(tǒng)考察方式來進行評定；

基于APP的項目設(shè)計環(huán)節(jié)要求學(xué)生運用APP仿真設(shè)計一個電路，形成設(shè)計報告，并通過PPT演講等形式進行匯報，根據(jù)設(shè)計報告和PPT匯報來考察完成度。一方面加強學(xué)生對高頻電路的理解和運用，另一方面訓(xùn)練學(xué)生的思維創(chuàng)新能力；

創(chuàng)新實踐訓(xùn)練主要將上一環(huán)節(jié)中仿真的高頻電路實體化，進行電路加工測試，親身體驗加工誤差、元器件容差、金屬損耗等因素帶來的實際電路和仿真電路之間的特性差異，并進一步借助仿真來指導(dǎo)實際電路的調(diào)試與驗證。通過檢測電路性能指標(biāo)、審讀設(shè)計報告等多個方面來綜合考核項目完成度。該環(huán)節(jié)能夠有效鍛煉設(shè)計和實現(xiàn)實際電路的能力，幫助學(xué)生加深對理論知識的理解。

三個考核環(huán)節(jié)層層遞進、環(huán)環(huán)相扣，考核難度逐步提升，促使學(xué)生在自我探索和驗證的過程中尋找學(xué)習(xí)“高頻電路”的成就感和滿足感，從而提高學(xué)生對高頻電路類課程的學(xué)習(xí)興趣。其中，基于APP的項目設(shè)計為基礎(chǔ)知識和創(chuàng)新實踐之間架起了過渡的橋梁。因為在實踐訓(xùn)練過程中，電子元件的溫度、電壓、老化程度等實際情況可能對學(xué)生順利觀察出準(zhǔn)確的實驗現(xiàn)象造成了一定程度上的阻礙，導(dǎo)致學(xué)生對創(chuàng)新實踐訓(xùn)練失去耐心并產(chǎn)生畏難情緒。而電路仿真APP讓學(xué)生更專注于電路設(shè)計的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性，此后再進行實踐訓(xùn)練會產(chǎn)生更為良好的學(xué)習(xí)體驗感。

“高頻電路”課程多維考核體系的構(gòu)建，有助于將學(xué)生逐步培養(yǎng)成具備扎實的專業(yè)理論、出色的實踐能力和敏銳的創(chuàng)新工程思維的電子信息領(lǐng)域復(fù)合型人才，為新一代信息技術(shù)革命的到來做好準(zhǔn)備。

4 結(jié)語

本文以“后疫情時代”為背景、以融合現(xiàn)代信息技術(shù)為手段、以“高頻電路”課程教學(xué)的現(xiàn)存問題為突破口，提出融合電路仿真分析APP的教學(xué)改革方案，構(gòu)建了理論考察-項目設(shè)計-創(chuàng)新實踐的多維考核體系。該方案突破了該類課程教學(xué)的傳統(tǒng)思路，借助更便捷的自主學(xué)習(xí)平臺，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高課程教學(xué)質(zhì)量，以期為同類型課程的多媒體教學(xué)建設(shè)提供參考和借鑒。