新工科背景下“電磁波與天線”課程教學(xué)探析

曹文權(quán) 朱衛(wèi)剛 薛紅

[摘 要] “電磁波與天線”是研究電磁場與電磁波基礎(chǔ)理論、天線與電波傳播基礎(chǔ)知識及其分析方法的一門核心專業(yè)課程，在人才培養(yǎng)中處于關(guān)鍵地位。針對新工科背景下的課程教學(xué)，首先分析了這門課程在課堂學(xué)習(xí)效率、數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)、抽象思維能力、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手實(shí)踐能力五個(gè)方面的不足;其次從系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、深化教學(xué)方法改革、優(yōu)化課堂教學(xué)設(shè)計(jì)三個(gè)方面探討應(yīng)對策略;最后總結(jié)了課程在教學(xué)手段、思想政治設(shè)計(jì)和教學(xué)模式方面的效果特色。課程教學(xué)探析對提升學(xué)生綜合學(xué)習(xí)能力和電磁工程素養(yǎng)有促進(jìn)作用，對相關(guān)專業(yè)課程的建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

[關(guān)鍵詞] 電磁波與天線;課程教學(xué);新工科

[基金項(xiàng)目] 2020年度陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院教育教學(xué)研究課題“‘電磁波與天線’課程與教學(xué)改革創(chuàng)新研究”（TY20ZX002）

[作者簡介] 曹文權(quán)（1985—），男，江西大余人，電磁場與微波技術(shù)專業(yè)博士，陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院副教授（通信作者），博士生導(dǎo)師，主要從事天線理論與技術(shù)、新型人工電磁結(jié)構(gòu)研究;朱衛(wèi)剛（1971—），男，河南滎陽人，電磁場與微波技術(shù)專業(yè)碩士，陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院副教授，主要從事微波技術(shù)、天線理論與技術(shù)等領(lǐng)域研究;薛 紅（1980—），女，安徽霍邱人，電路與系統(tǒng)專業(yè)碩士，陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院副教授，主要從事天線理論與技術(shù)研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）21-0045-04 [收稿日期] 2022-04-14

引言

2017年2月，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，與會高校經(jīng)過研討達(dá)成新工科建設(shè)復(fù)旦共識[1]。隨后，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，在“復(fù)旦共識”的基礎(chǔ)上，先后形成了“天大行動(dòng)”和“北京指南”等，目的是主動(dòng)應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略[2-4]。軍隊(duì)院校積極響應(yīng)新工科建設(shè)，特別是工科專業(yè)主動(dòng)適應(yīng)新技術(shù)、新裝備，軍事教育面向戰(zhàn)場、面向部隊(duì)、面向未來?！半姶挪ㄅc天線”是針對新的人才培養(yǎng)方案開展的專業(yè)課程改革與實(shí)踐的新課程[5]。陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院“電磁波與天線”課程組為應(yīng)對新挑戰(zhàn)，深化課程改革，推進(jìn)課程建設(shè)與發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)方法，優(yōu)化課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，取得了較好的成果。本文從新工科背景下的“電磁波與天線”課程教學(xué)存在的主要問題、應(yīng)對策略及效果特色三個(gè)方面進(jìn)行分析與探索。

一、課程教學(xué)存在的主要問題

“電磁波與天線”是研究電磁場與電磁波基礎(chǔ)理論、天線與電波傳播基礎(chǔ)知識及其分析方法的一門核心專業(yè)課程。在整個(gè)課程體系中處于關(guān)鍵地位，是涉及無線電原理和系統(tǒng)知識相關(guān)課程的基礎(chǔ)，既是先修課程的綜合應(yīng)用，又是后續(xù)專業(yè)課程的重要支撐。根據(jù)筆者多年的授課經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際觀察，課程教學(xué)存在以下五方面問題。

（一）課堂學(xué)習(xí)效率需提高

早在1978年，我院就開設(shè)了“電磁場理論基礎(chǔ)”“天線與電波傳播”“微波技術(shù)基礎(chǔ)”等重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，中國科學(xué)院學(xué)部委員畢德顯院士等老一輩教員深厚的理論功底及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度為課程在全軍乃至全國居于領(lǐng)先地位打下了良好的基礎(chǔ);后根據(jù)培養(yǎng)層次需要，將后兩門課程合為“電波與光波傳輸技術(shù)”;隨后，開展了“電磁波與天線”課程的改革與實(shí)踐，將幾門課程合為一門。可見，課程由傳統(tǒng)的三門課綜合為一門課，且只在一個(gè)學(xué)期完成以往兩個(gè)學(xué)期的所有課程內(nèi)容，學(xué)員感覺內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少，因此，需有效利用課堂時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率。

（二）數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)要夯實(shí)

“電磁波與天線”課程依據(jù)國家高等教育基本要求，對標(biāo)院校教學(xué)大綱及專業(yè)人才培養(yǎng)方案，目標(biāo)是使學(xué)員通過本課程教學(xué)，系統(tǒng)掌握電磁場與電磁波的基本概念和基礎(chǔ)理論，掌握天線與電波傳播的基礎(chǔ)知識，具備運(yùn)用場路分析方法分析電磁場和電磁波典型問題的能力，課程對數(shù)學(xué)和物理知識要求較高。然而，部分學(xué)員“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，尤其對于多重積分等微積分知識、復(fù)變函數(shù)知識及涉及電磁基本實(shí)驗(yàn)定律、靜態(tài)場等經(jīng)典電磁學(xué)的知識理解不細(xì)和掌握不夠，影響了學(xué)習(xí)的效果。在本專業(yè)課程學(xué)習(xí)時(shí)間壓縮的情況下，要想強(qiáng)化先修課程的溫習(xí)效率，需要師生探索新的教學(xué)模式和運(yùn)用新的學(xué)習(xí)方法。

（三）抽象思維能力要加強(qiáng)

電磁波與天線理論抽象，需要有較強(qiáng)的空間抽象思維能力。從學(xué)校歷年電子信息工程相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁場、電磁波及天線與電波傳播內(nèi)容的反饋來看，多數(shù)學(xué)生感覺難學(xué)的原因，除了公式多、定理多之外，主要是電磁現(xiàn)象不直觀、抽象難懂。電磁場理論分析不僅涵蓋了物理概念中的空間和時(shí)間“3+1”維度，還應(yīng)考慮到數(shù)學(xué)形式上的微分積分和瞬時(shí)復(fù)數(shù)表達(dá)，相當(dāng)一部分學(xué)生往往被這些抽象概念和復(fù)雜公式難住。比如麥克斯韋方程、電磁波極化、天線的輻射機(jī)理等內(nèi)容，復(fù)雜的公式分析和煩瑣的推導(dǎo)過程背后蘊(yùn)含的物理機(jī)理和電磁現(xiàn)象，往往需要學(xué)生具有一定的時(shí)空想象能力。當(dāng)前信息技術(shù)發(fā)展日新月異，信息化教學(xué)為課程實(shí)施提供了新的選擇，與時(shí)俱進(jìn)、合理運(yùn)用前沿技術(shù)服務(wù)教學(xué)是課程發(fā)展的必然趨勢。

（四）網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)興趣可拓展

目前的學(xué)生大都是00后，接受新事物能力強(qiáng)，大多是網(wǎng)絡(luò)沖浪者。當(dāng)前，以中國大學(xué)MOOC為代表的公共網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺為教師和學(xué)生提供了豐富資源，而且不受時(shí)間和空間限制。線上教學(xué)具有靈活性和時(shí)效性，有利于教師教學(xué)能力和學(xué)生自學(xué)能力的提高。當(dāng)然，線上教學(xué)也對師生提出了新的挑戰(zhàn)。一方面，教師需要及時(shí)跟蹤最新的技術(shù)熱點(diǎn)，從豐富的網(wǎng)絡(luò)素材中選取貼合課程內(nèi)容的資源，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;另一方面，師生需要學(xué)習(xí)線上教學(xué)的新技能，探索混合式教學(xué)模式，做到線上有資源，線下有活動(dòng)，過程有評估，以保證教學(xué)效果。因此，如何利用好網(wǎng)絡(luò)，使其成為提升學(xué)習(xí)效率的有效手段和平臺，值得思考。

（五）動(dòng)手實(shí)踐能力需提升

電磁學(xué)理論性強(qiáng)、概念抽象、公式繁雜，傳統(tǒng)電磁場基礎(chǔ)理論課程在教學(xué)中容易忽視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)提升。而實(shí)踐教學(xué)需要有充分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件做保障。根據(jù)課程內(nèi)容體系，“電磁波與天線”課程內(nèi)容以電磁波為主線，核心是電磁波的傳播、電磁波的傳輸及電磁波的輻射三個(gè)部分。要想加強(qiáng)學(xué)員對核心內(nèi)容的理解和掌握，除了傳統(tǒng)的基礎(chǔ)測試外，還應(yīng)加強(qiáng)學(xué)員的動(dòng)手實(shí)踐能力的鍛煉和考查，特別是涉及電磁波的傳播、傳輸和輻射機(jī)理等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)及典型天線的自主性實(shí)驗(yàn)拓展值得深入探索?？梢?，目前課程重理論、輕實(shí)踐，學(xué)員動(dòng)手能力有很大的提升空間，應(yīng)努力改善教學(xué)實(shí)踐條件，打造良好的創(chuàng)新實(shí)踐平臺，培養(yǎng)學(xué)員電磁工程素養(yǎng)和科學(xué)實(shí)踐精神。

二、應(yīng)對策略

針對課程教學(xué)存在的問題，課程組積極探尋應(yīng)對策略，主要從以下三個(gè)方面展開。

首先，系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容既包括理論環(huán)節(jié)，也包括實(shí)踐環(huán)節(jié)。課程包括電磁場理論、天線技術(shù)、電波傳播及實(shí)踐環(huán)節(jié)四個(gè)部分，對應(yīng)基礎(chǔ)理論、射頻應(yīng)用、系統(tǒng)環(huán)境和動(dòng)手實(shí)踐四個(gè)層次。課程內(nèi)容設(shè)計(jì)包含“理論基礎(chǔ)—工程基礎(chǔ)—工程應(yīng)用”三個(gè)模塊。其中，理論基礎(chǔ)模塊系統(tǒng)闡述電磁場和電磁波的基本理論和基礎(chǔ)知識;工程基礎(chǔ)模塊包含傳輸線基礎(chǔ)理論和天線基礎(chǔ)理論;工程應(yīng)用模塊主要包括典型微波傳輸線、典型天線和電波傳播概述。此外，建立教學(xué)內(nèi)容更新機(jī)制，課程組通過定期的集體備課，吸收最新的電磁熱點(diǎn)知識和科研學(xué)術(shù)成果，豐富教學(xué)內(nèi)容。

其次，深化教學(xué)方法改革。針對課程教學(xué)存在的五個(gè)問題，采用以下對策：（1）精心設(shè)計(jì)授課內(nèi)容。我們抓住主干核心內(nèi)容，重在物理機(jī)理分析，有效劃分重難點(diǎn)內(nèi)容，講解區(qū)分詳略。（2）適時(shí)回顧基礎(chǔ)理論。強(qiáng)化基礎(chǔ)理論的理解，適時(shí)增加回顧與復(fù)習(xí)時(shí)間，通過課前問答、隨堂小測驗(yàn)等方式，加強(qiáng)數(shù)理知識的溫習(xí)。（3）虛擬仿真模擬現(xiàn)象。精心設(shè)計(jì)仿真實(shí)例，利用HFSS、MATLAB、CST、Mathematica等仿真軟件模擬電磁現(xiàn)象，化抽象為具體。（4）積極倡導(dǎo)在線教學(xué)。建設(shè)SPOC網(wǎng)絡(luò)平臺，學(xué)員利用在線教學(xué)資源自主學(xué)習(xí)，教員利用在線資源拓展教學(xué)手段，探索“線上低階+線下高階”的混合式教學(xué)模式，提升教學(xué)效果。（5）拓展實(shí)踐創(chuàng)新能力。引進(jìn)電磁波與天線綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建設(shè)天線實(shí)驗(yàn)室，將天線實(shí)物引進(jìn)課堂，加大對學(xué)員的科創(chuàng)輔導(dǎo)力度，將課題組最新科研學(xué)術(shù)成果引入課堂，以提升學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)員的創(chuàng)新動(dòng)力。

最后，優(yōu)化課堂教學(xué)設(shè)計(jì)?！半姶挪ㄅc天線”作為一門核心專業(yè)課程，理論內(nèi)容豐富，應(yīng)用特色鮮明，在課堂教學(xué)實(shí)施過程中，應(yīng)針對基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用內(nèi)容采用不同的教學(xué)方法，根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)每一堂課的教學(xué)。比如采用以下教學(xué)設(shè)計(jì)方法：（1）問題啟發(fā)式、研討式教學(xué)設(shè)計(jì)。比如有耗媒質(zhì)中的均勻平面波、二元天線陣、均勻直線陣的內(nèi)容引入就可以通過問題啟發(fā)逐步展開。（2）先易后難、先具體后抽象教學(xué)設(shè)計(jì)。比如鏡像法的運(yùn)用先分析單個(gè)點(diǎn)電荷在理想平面地的鏡像，再分析在球體、椎體等復(fù)雜載體的鏡像;而電磁波的極化分析則按照從簡單的線極化到復(fù)雜的圓極化的過程。（3）逐層分解、類比分析教學(xué)設(shè)計(jì)。比如天線最佳接收理論、弗利斯傳輸公式推導(dǎo)等教學(xué)內(nèi)容就是采用逐層分解進(jìn)行分析的方法。（4）注重實(shí)踐、應(yīng)用拓展教學(xué)設(shè)計(jì)。比如矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)與線天線和面天線等典型天線的學(xué)習(xí)就是以應(yīng)用拓展為抓手的。（5）類比法的教學(xué)設(shè)計(jì)。比如天線基本輻射元、典型喇叭天線及電磁波傳播、傳輸和輻射分析思路均采用類比的方法，可以提升教學(xué)效率，減少授課學(xué)時(shí)。

三、效果特色

“電磁波與天線”課程組按照專業(yè)人才培養(yǎng)的總要求和課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的具體要求，深入開展教學(xué)探索，為滿足新的人才培養(yǎng)需求，提升學(xué)員綜合電磁素養(yǎng)，適應(yīng)專業(yè)發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。本課程的特色創(chuàng)新主要有以下幾方面。

（一）運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)手段，提升學(xué)員電磁素養(yǎng)

針對課程內(nèi)容抽象、公式繁雜的特點(diǎn)，課程組重視教學(xué)內(nèi)容的可視化形象呈現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)員的分析問題能力和空間想象能力，充分調(diào)動(dòng)教員與學(xué)員的教與學(xué)的積極性。課堂教學(xué)采用虛實(shí)結(jié)合的方法，通過引進(jìn)便攜式可視化電磁場測量儀，形象展示電磁波的傳播特性及天線方向特性;同時(shí)，利用HFSS、MATLAB、CST、Mathematica等場路分析軟件和矩陣數(shù)學(xué)編程軟件制作100多個(gè)虛擬演示動(dòng)畫素材和3D模型，直觀形象地用動(dòng)畫呈現(xiàn)電磁現(xiàn)象，有助于學(xué)員理解復(fù)雜的電磁理論知識，激發(fā)學(xué)員想象，把問題變抽象為形象、變難為易、化繁為簡。

（二）融入“如鹽入水”的思想政治設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)員家國情懷

教學(xué)內(nèi)容緊貼通信、雷達(dá)系統(tǒng)中等涉及電磁技術(shù)的新理論、新應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀。課堂內(nèi)外積極融入名家大師、大國工程、經(jīng)典案例等豐富的課程思政元素。介紹中國科學(xué)家在電磁波與天線領(lǐng)域?qū)κ澜绲呢暙I(xiàn)，彰顯中華民族在科技發(fā)展道路上的卓越成就。通過中國“天眼”、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、探月/火星工程、天波和地波超視距雷達(dá)工程等國家重大工程的視頻，提升學(xué)員的民族自豪感，培養(yǎng)其追求卓越的精神。電磁學(xué)課程中包含著很多辯證唯物主義的思想，潤物無聲地向?qū)W員傳播馬克思主義科學(xué)理論，起到如鹽入水的思想政治效果。同時(shí)注意以身邊的榜樣和典型激勵(lì)學(xué)員奮發(fā)向上，弘揚(yáng)正能量，比如介紹國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者——我校的錢七虎院士為國鑄就最強(qiáng)盾，鑄就“地下鋼鐵長城”的先進(jìn)事跡，鼓勵(lì)學(xué)員獻(xiàn)身國防、建功立業(yè)。

（三）完善“分層遞進(jìn)”的培養(yǎng)模式，鍛煉學(xué)員的實(shí)踐能力

課程突出培養(yǎng)學(xué)員的專業(yè)實(shí)踐能力，構(gòu)建了電磁仿真模擬平臺和微波暗室實(shí)測平臺，形成不同層次學(xué)員創(chuàng)新實(shí)踐需求的“三位一體”（原理驗(yàn)證、仿真模擬、效能評測）的先進(jìn)教學(xué)條件。探索了“課內(nèi)夯實(shí)基礎(chǔ)、課外強(qiáng)化實(shí)踐”的難度“分層遞進(jìn)”培養(yǎng)模式。為不同基礎(chǔ)及不同層次學(xué)員在電磁工程創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)方面提供差異化需求和手段。充分利用學(xué)科優(yōu)勢，提升教學(xué)的科學(xué)前沿性和工程實(shí)用性。相關(guān)科研成果已經(jīng)作為典型的射頻案例進(jìn)入了理論教學(xué)課堂，同時(shí)作為實(shí)踐教學(xué)的輔助，為提升學(xué)員科技創(chuàng)新的實(shí)踐能力發(fā)揮了重要的作用。

結(jié)語

新工科理念給高校課程建設(shè)指明了新的方向，同時(shí)也注入了新的發(fā)展動(dòng)力。“電磁波與天線”作為公認(rèn)的難教難學(xué)的理工科課程，課程教學(xué)建設(shè)面臨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的局面。本文圍繞新工科背景下的“電磁波與天線”課程教學(xué)的主要問題、應(yīng)對策略及效果特色三個(gè)方面進(jìn)行了粗淺的探討，力求提升學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的電磁工程素養(yǎng)，對其他相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)施有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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[5]曹文權(quán)，朱衛(wèi)剛，邵尉.電磁波與天線[M].北京：清華大學(xué)出版社，2022：1-15.

Study on the Course Teaching of Electromagnetic Wave and Antenna under the Background of “Emerging Engineering Education”： Taking the Related Courses in PLA Army Engineering University as Examples

CAO Wen-quan， ZHU Wei-gang， XUE Hong

（Institute of Communication Engineering， PLA Army Engineering University， Nanjing， Jiangsu 210007， China）

Abstract： Electromagnetic Wave and Antenna is a core professional course to study the basic theory of electromagnetic field and electromagnetic wave， the basic knowledge and the analyzing methods of antenna and radio wave propagation， and plays a key role in talent training. In view of the course teaching under the background of “emerging engineering education”， this paper analyzes the shortcomings of this course in five aspects： the classroom learning efficiency， the mathematical physics foundation， the abstract thinking ability， the network learning interest， and the practical ability. Then， the countermeasures are discussed from three aspects： systematically designing teaching contents， deepening the reform of teaching methods， and optimizing classroom teaching design. Finally， it summarizes the effects and the characteristics of the course in teaching means， ideological and political design， and teaching mode. The analysis of course teaching can promote students’ comprehensive learning ability and electromagnetic engineering literacy， and has a certain reference value for the construction of related professional courses.

Key words： Electromagnetic Wave and Antenna; course teaching; “emerging engineering education”