“電磁波與天線”課程分層教學(xué)的探索與研究

薛 紅，朱衛(wèi)剛，曹文權(quán)

（陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

電磁類課程作為通信、電子等專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，發(fā)揮著主干和橋梁作用。在新時(shí)代背景下，為適應(yīng)院校轉(zhuǎn)型建設(shè)要求，著眼于新型人才培養(yǎng)方案，我們需要變革固有的教學(xué)模式，打破傳統(tǒng)思維定式，以崗位任職和職業(yè)發(fā)展需求為牽引，健全課程教學(xué)內(nèi)容建構(gòu)路徑。

一、研究現(xiàn)狀

本課程主要包括“電磁場理論”“均勻平面電磁波”“均勻傳輸線理論”“微波傳輸線”“天線基礎(chǔ)知識(shí)”“常用天線及電波傳播”等部分，具有體系完整、理論性強(qiáng)、概念抽象、公式繁多的特點(diǎn)。當(dāng)前，院校轉(zhuǎn)型建設(shè)對(duì)該課程提出了新的要求，對(duì)學(xué)時(shí)也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。為滿足課程建設(shè)需求，我們需要修訂課程標(biāo)準(zhǔn)，梳理教學(xué)內(nèi)容，改變教學(xué)模式，靈活運(yùn)用各種資源，從歷史背景、物理意義、理論分析、工程應(yīng)用等多角度設(shè)計(jì)相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容，采用線上線下混合教學(xué)模式，對(duì)煩瑣的數(shù)學(xué)公式及其推導(dǎo)做減法，在物理意義、工程背景、工程應(yīng)用等方面做加法。

比如，對(duì)于傳輸線部分，我們從電報(bào)方程出發(fā)，采用場路結(jié)合、化場為路的方法，分析了均勻無耗傳輸線的傳輸特性及工作特性。對(duì)于常用微波傳輸線，采用縱向場分析方法分析其傳輸特性。由于這部分內(nèi)容涉及場結(jié)構(gòu)和場模式［1］，所以相對(duì)抽象，學(xué)生很難理解。如何在教學(xué)中化抽象為直觀，化繁為簡，是課程建設(shè)中需要解決的問題。天線部分的內(nèi)容相對(duì)來說，因?yàn)楦N近實(shí)際，無論是生活還是工程中都能見到，所以學(xué)生容易理解，需要思考的是實(shí)際中有多種天線，不可能面面俱到。因此，要結(jié)合專業(yè)和崗位背景，在教學(xué)中應(yīng)該重點(diǎn)分析某些類型，以及這些類型在實(shí)際應(yīng)用中的地位和作用，由點(diǎn)到面，由面到體，培養(yǎng)學(xué)生“把握實(shí)質(zhì)，提煉思路”的科學(xué)思維方法。

除了理論內(nèi)容外，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也很關(guān)鍵，其內(nèi)容設(shè)置應(yīng)緊貼教學(xué)主線，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)形成合力，以便進(jìn)一步提升教學(xué)效果。目前，我們以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步幫助學(xué)生理解和掌握。在教學(xué)過程中，要能分層思考，既包含驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，又有拓展性實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生能力，體現(xiàn)高階性。對(duì)于實(shí)施建議中的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)提倡采用多元化的評(píng)價(jià)體制，目的是全面反映學(xué)生真實(shí)的水平，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，全面考核學(xué)生的能力和素質(zhì)。前期教學(xué)中，已經(jīng)建設(shè)了該課程的在線教學(xué)網(wǎng)站，使得教學(xué)更加形象、有趣、高效。

二、體系架構(gòu)

按照緊貼對(duì)象特點(diǎn)、體現(xiàn)能力培養(yǎng)的思路，全面推行問題牽引式、研討探究式、案例分析式教學(xué)，為教學(xué)目標(biāo)服務(wù)，始終保持教學(xué)內(nèi)容的前沿性、先進(jìn)性和適用性。堅(jiān)持需求牽引、體系設(shè)計(jì)、交叉融合，夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)，拓寬專業(yè)口徑，將課程教學(xué)內(nèi)容和現(xiàn)實(shí)工程問題相結(jié)合，達(dá)成知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和價(jià)值目標(biāo)。

依據(jù)教學(xué)大綱要求并參照專業(yè)背景知識(shí)體系，圍繞夯實(shí)電磁波的基本理論，強(qiáng)化天線技術(shù)應(yīng)用能力，解決實(shí)際電波傳播問題，我們將課程內(nèi)容分為理論基礎(chǔ)、工程基礎(chǔ)和工程應(yīng)用三個(gè)模塊，建立需求、目標(biāo)、內(nèi)容、課堂、應(yīng)用、需求的課程教學(xué)內(nèi)容建構(gòu)路徑，從理論和應(yīng)用兩個(gè)層面梳理教學(xué)內(nèi)容，借助電磁仿真系統(tǒng)、微波接力系統(tǒng)、電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)、微波暗室系統(tǒng)等設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)，化抽象為形象，變復(fù)雜為簡單，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用場理論和路理論相結(jié)合分析問題、解決問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生的問題分析能力、問題解決能力、自主創(chuàng)新能力、總結(jié)歸納能力，為以后的工作奠定必要的理論基礎(chǔ)和工程基礎(chǔ)。我們對(duì)“電磁波與天線”課程內(nèi)容理論部分的設(shè)計(jì)有以下思考。

（一）理論層面

電磁波與天線的理論層面，主要包括理論基礎(chǔ)和工程基礎(chǔ)，它是工程應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。其中，理論基礎(chǔ)包括電磁場矢量分析、電磁場基本方程、靜態(tài)電磁場、均勻平面電磁波，這部分系統(tǒng)闡述了電磁場的基本理論和電磁波的傳播規(guī)律。矢量分析是后續(xù)內(nèi)容的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，電磁場基本方程是解決電磁問題的核心理論，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究靜態(tài)電磁場和時(shí)變電磁波的傳播規(guī)律。工程基礎(chǔ)包括傳輸線理論和天線基礎(chǔ)知識(shí)。傳輸線理論是一種“化場為路、長路結(jié)合”的高頻電路理論，這部分內(nèi)容主要是使學(xué)生理解傳輸線分布參數(shù)的概念，掌握由分布參數(shù)推導(dǎo)并求解電報(bào)方程的過程，深刻理解導(dǎo)行電磁波的傳播參量、傳播特性，以及行波、駐波、行駐波三種工作狀態(tài)產(chǎn)生的條件和特點(diǎn)，掌握傳輸線阻抗匹配的基本原理和方法。天線基礎(chǔ)知識(shí)闡述天線輻射和接收電磁波的基本原理和規(guī)律，使學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用電磁場理論分析天線問題的基本方法。從麥克斯韋方程組出發(fā)，強(qiáng)調(diào)場源及場分布、宏觀電磁現(xiàn)象及微觀電磁變化、能量守恒定律和電磁場的邊界條件；從一般到特殊，對(duì)時(shí)變電磁場和靜態(tài)電磁場的問題進(jìn)行分析；從波動(dòng)方程、電報(bào)方程、達(dá)朗貝爾方程切入，分析均勻平面波的傳播特性、傳輸線的傳輸特性及工作狀態(tài)、天線的輻射特性。

（二）應(yīng)用層面

本課程的工程應(yīng)用部分主要包括微波傳輸線、線天線、口徑天線和電波傳播。電磁波、天線在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子偵察、電子對(duì)抗等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。新形勢下，新的用頻設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)電磁技術(shù)的需求和業(yè)務(wù)素質(zhì)的要求越來越高，教學(xué)必須適應(yīng)新型人才培養(yǎng)的要求。通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子偵察、電子對(duì)抗等領(lǐng)域都離不開電磁波和高性能的天線［2］。日常生活中各種類型的天線也很多，不可能在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)完成對(duì)眾多天線的學(xué)習(xí)和分析，也就是說，教學(xué)中必須選用具有典型性和代表性的傳輸線和天線，這樣才能將知識(shí)點(diǎn)串接起來，充分將理論和實(shí)際結(jié)合起來，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握。教學(xué)中，一方面，圍繞通信系統(tǒng)的天饋部分，主要揭示傳輸線技術(shù)和天線技術(shù)的理論基礎(chǔ)及其在無線通信系統(tǒng)中的重要作用，側(cè)重于常用微波傳輸線、通信天線的分析方法、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及電特性，是電磁場基礎(chǔ)理論的發(fā)展和深化。主要內(nèi)容包括均勻傳輸線的傳輸特性、主要工作狀態(tài)及工作特性，常用微波傳輸線的分析方法，常用微波傳輸線的分類及其傳輸特性，天線的電參數(shù)，接收天線理論，各種具體天線的分析方法、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和電特性，陣列天線的基本理論和分析方法。要掌握幾種常用通信天線的結(jié)構(gòu)和電特性，并能根據(jù)通信系統(tǒng)技術(shù)要求選擇合適的天線形式。在教學(xué)過程中，應(yīng)用各種實(shí)際天線，使教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)形象，讓學(xué)生在感性認(rèn)識(shí)的過程中容易理解并掌握知識(shí)點(diǎn)。另一方面，圍繞通信系統(tǒng)中天饋部分收發(fā)的電磁波信號(hào)，主要揭示電磁波傳播的本質(zhì)，電波傳播的主要方式，短波通信、衛(wèi)星通信、視距通信、超視距通信中電波傳播的相關(guān)知識(shí)，對(duì)電磁場基礎(chǔ)理論起著支撐和保障作用。主要內(nèi)容包括平面波在有耗媒質(zhì)中的傳播特性、平面波的反射與折射、電波傳播的主要方式、自由空間傳輸損耗、短波通信中電波傳播的常見現(xiàn)象、衛(wèi)星通信中電波傳播的常見現(xiàn)象等，特別是影響通信的各種因素。這樣的教學(xué)內(nèi)容能夠使學(xué)生掌握無線、移動(dòng)和衛(wèi)星通信中電波傳播的相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生思維的全面性、系統(tǒng)性和深刻性，以及對(duì)知識(shí)的分析與綜合能力［3-4］。

三、教學(xué)實(shí)施

（一）反向重構(gòu)教學(xué)

轉(zhuǎn)變按學(xué)科知識(shí)邏輯設(shè)置課程的傳統(tǒng)觀念，以適應(yīng)崗位任職需求和職業(yè)發(fā)展需求為牽引，反向設(shè)計(jì)并重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，建立從需求到課堂再回歸需求的教學(xué)路徑。結(jié)合現(xiàn)有通信系統(tǒng)中的天饋部分，針對(duì)各個(gè)應(yīng)用模塊，增加背景知識(shí)和工程應(yīng)用，提升教學(xué)的含金量。比如，海上艦船與島嶼之間的通信保障，對(duì)通信的速率、距離、動(dòng)中通有較高的要求?，F(xiàn)有海上遠(yuǎn)距離通信常采用衛(wèi)星手段，由于當(dāng)前衛(wèi)星資源受限，艦船無法申請衛(wèi)星資源，微波通信則能夠保證高速通信，滿足島嶼與艦船之間高速通信保障需求，但它主要存在以下挑戰(zhàn)。由于視距通信的短板，艦船上的天線架高受限，視距通信距離無法滿足遠(yuǎn)距離通信的需求。微波天線指向調(diào)整采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，其波束指向調(diào)整速度不能滿足艦船航行時(shí)風(fēng)浪對(duì)通信的影響，所以波束切換時(shí)間較長。海面蒸發(fā)波導(dǎo)傳播機(jī)制鏈路穩(wěn)定性高［5］，不需要中繼站就可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的超視距通信。合理利用海面蒸發(fā)波導(dǎo)自然現(xiàn)象，可以解決艦船與島嶼高速遠(yuǎn)距離通信這一問題。而在沿岸區(qū)域，受陸地的影響，近海面大氣常處于穩(wěn)定狀態(tài)，蒸發(fā)波導(dǎo)通信不易達(dá)成，方案設(shè)計(jì)還必須同時(shí)考慮不同氣象和不同距離條件對(duì)艦船與島嶼之間通信的影響。針對(duì)高速遠(yuǎn)距離中的通信問題，結(jié)合課程中微波傳輸線、電波傳播模型、天線基礎(chǔ)知識(shí)的內(nèi)容，分析用于海上通信的蒸發(fā)波導(dǎo)模型的最佳工作頻率，同時(shí)分析滿足視距通信與超視距通信所需的天線設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而提出了一種基于蒸發(fā)波導(dǎo)效應(yīng)的海上超視距通信與視距通信結(jié)合的方法，既可滿足傳統(tǒng)視距模式下的遠(yuǎn)距離通信，又可滿足借助海面蒸發(fā)波導(dǎo)傳播機(jī)制的超視距通信。借助這樣的案例，可以將理論層面的內(nèi)容串聯(lián)起來，讓學(xué)生感受在解決實(shí)際問題的過程中理論知識(shí)的重要性。此外，在對(duì)教學(xué)內(nèi)容的重新設(shè)置和融合中，我們也配套編寫了教材，并公開出版了實(shí)踐教材，切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量，全面梳理課程教學(xué)內(nèi)容，在不降低課程難度的同時(shí)，拓展了課程的深度。

（二）以賽促教促學(xué)

本課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，概念抽象，數(shù)學(xué)公式多、推導(dǎo)煩瑣?；谕ㄐ畔到y(tǒng)和電磁環(huán)境等資源，應(yīng)從歷史背景、物理概念、理論分析、工程應(yīng)用等角度設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，對(duì)煩瑣的公式及推導(dǎo)做減法，對(duì)物理意義、工程背景、工程應(yīng)用等做加法，借助電磁仿真系統(tǒng)、微波接力系統(tǒng)、電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)、微波暗室系統(tǒng)等設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)，化抽象為形象，變復(fù)雜為簡單，以學(xué)生為主體，靈活采用多種教學(xué)方法，為教學(xué)目標(biāo)服務(wù)。圍繞天線技術(shù)、電磁頻譜技術(shù)的工程應(yīng)用，選取教學(xué)內(nèi)容中的部分知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行外延拓展，作為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)課題和科技創(chuàng)新課題，指導(dǎo)學(xué)生參加各級(jí)學(xué)科創(chuàng)新競賽，并取得較好的成績。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生撰寫學(xué)術(shù)論文并公開發(fā)表在期刊和EI會(huì)議上，將科技創(chuàng)新課題成果轉(zhuǎn)化為專利。比如，海上艦船與島嶼之間的通信保障，對(duì)通信的速率、距離、動(dòng)中通有較高的要求。在通信過程中，對(duì)天線的要求是天線波束水平方向較窄，豎直方向較寬。結(jié)合所學(xué)，我們可以通過陣列天線實(shí)現(xiàn)：一方面，需要對(duì)陣列天線的結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、輻射特性進(jìn)行詳細(xì)分析，最終確定采用什么樣的陣列形式能夠滿足要求；另一方面，需要考慮陣列天線的移相網(wǎng)絡(luò)，可以采用多種形式，選擇一種合適的移相方法，設(shè)計(jì)出滿足需求的相控陣天線。對(duì)于設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)模型，可以利用相應(yīng)的仿真軟件進(jìn)行仿真分析。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以充分體會(huì)到仿真工具的強(qiáng)大作用，變抽象為形象，幫助學(xué)生理解抽象的概念。另外，還可對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行實(shí)物加工，在微波暗室中進(jìn)行天線的近遠(yuǎn)場測試，將得到的測試結(jié)果與仿真進(jìn)行比對(duì)，分析存在的問題，進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性。通過這樣的案例分析，可將工程應(yīng)用層面涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)一步與工程應(yīng)用接軌，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

結(jié)語

依據(jù)教學(xué)大綱要求，從需求出發(fā)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的課程內(nèi)容設(shè)置觀念，反推教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)教學(xué)模型，按照需求、目標(biāo)、內(nèi)容、課堂、需求的閉合路徑建構(gòu)教學(xué)內(nèi)容體系，從理論和應(yīng)用兩個(gè)層面進(jìn)一步梳理教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合通信系統(tǒng)中的天饋部分，借助電磁仿真系統(tǒng)、微波接力系統(tǒng)、電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)、微波暗室系統(tǒng)等，針對(duì)天線技術(shù)、微波技術(shù)、電波傳播等模塊，增加工程背景和工程應(yīng)用，進(jìn)一步提升教學(xué)效果。