電磁波與天線(xiàn)課程“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)方法改革創(chuàng)新的思考

朱衛(wèi)剛 薛紅 曹文權(quán)

摘? 要：教學(xué)方法改革與創(chuàng)新是提高新工科課程教學(xué)質(zhì)量的有力舉措。針對(duì)新工科專(zhuān)業(yè)課程電磁波與天線(xiàn)課程理論性強(qiáng)、公式繁雜的特點(diǎn)，該文著眼提高課堂教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，提出 “虛實(shí)結(jié)合”的多元融合教學(xué)法。該文分析課程教學(xué)現(xiàn)狀，探討“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)方法改革與創(chuàng)新的途徑，并對(duì)“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)案例進(jìn)行分析。教學(xué)實(shí)踐表明，在“虛”的方面，引入Matlab和HFSS軟件對(duì)抽象概念虛擬仿真，可以讓電磁波的場(chǎng)特性形象化；在“實(shí)”的方面，采用小型化電磁場(chǎng)演示儀和微波試驗(yàn)箱，以實(shí)物形態(tài)在課堂演示，讓“抽象難懂”的理論知識(shí)具體化，可有效推動(dòng)學(xué)生理解和掌握電磁波從發(fā)射、傳播到接收的全系統(tǒng)的知識(shí)，提高學(xué)生在電磁工程方面的實(shí)踐創(chuàng)新能力，近幾年學(xué)生也在國(guó)家和校級(jí)科技創(chuàng)新競(jìng)賽活動(dòng)中取得優(yōu)異的成績(jī)。

關(guān)鍵詞：電磁波與天線(xiàn)課程；虛擬仿真；小型化電磁場(chǎng)演示儀；虛實(shí)結(jié)合；教學(xué)方法改革與創(chuàng)新

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2023）25-0134-04

Abstract： Teaching approach reform and innovation is a significant move to improve the teaching quality. The course of Electromagnetic Waves and Antennas covers a large number of complex formulae and is highly theoretical. To improve the effectiveness of the conventional classroom teaching and stimulate the students' learning motivation， this paper explores and practices a diversified teaching method that combines both virtual simulation and real-object demonstration. With focus on the key points and difficult points in teaching， we propose to build mathematical models for abstract concepts by using the software tools Matlab and HFSS to visualize the field properties of electronica waves， which is virtual simulation. In terms of real-object demonstration， we use small electromagnetic field demonstrating instruments and microwave test boxes to visually demonstrate abstract and complicated theories in class. Our teaching practices have proved that this kind of virtual-real combination between software and hardware can effectively promote the students' understanding and command of the systematic knowledge of electromagnetic wave from emission， propagation to reception， and improve the students' practice and innovation capabilities in electromagnetic engineering. The students also have achieved excellent results in the scientific and technological innovation competitions held at the school and national levels.

Keywords： Electromagnetic Waves and Antennas course; virtual simulation; the small electromagnetic field demonstrating instrument; virtual-real combination; reform and innovation of teaching method

新工科背景下，“新工科”建設(shè)更加注重學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的提升[1]。改革教學(xué)方法，使課堂組織形式更加靈活，有助于改變教學(xué)過(guò)程中單向要求學(xué)生接受學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀，進(jìn)而建立雙向互動(dòng)的課堂交流模式，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和實(shí)踐能力。深化教學(xué)改革和創(chuàng)新教學(xué)方法是提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要手段，也是全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有力舉措[2-4]?！爸袊?guó)制造2025”等國(guó)家戰(zhàn)略提出了面向世界和未來(lái)的先進(jìn)策略，為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)行了全面統(tǒng)籌規(guī)劃，也為高校教育的改革發(fā)展指出了未來(lái)發(fā)展的方向。

一? 課程教學(xué)改革的基本情況

電磁波與天線(xiàn)課程作為陸軍工程大學(xué)新工科通信工程專(zhuān)業(yè)的重點(diǎn)建設(shè)課程，是分析和研究現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域中各類(lèi)電磁問(wèn)題的基礎(chǔ)，也是通信工程專(zhuān)業(yè)最為重要的專(zhuān)業(yè)課程之一。學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)能夠掌握宏觀(guān)電磁現(xiàn)象的基本定律和性質(zhì)，理解電磁波從發(fā)射、傳播、接收全過(guò)程的理論知識(shí)，并具備一定的電磁工程實(shí)踐能力，為以后從事相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和工作打下必要的理論基礎(chǔ)。

（一）? 教學(xué)面臨的主要問(wèn)題

近些年，隨著先進(jìn)教育信息技術(shù)的發(fā)展，課程教學(xué)模式產(chǎn)生了很大變化，MOOC、在線(xiàn)課程、微課、SPOC教學(xué)和智慧課堂等方式逐漸走進(jìn)課堂教學(xué)，與之相匹配的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法隨之也進(jìn)行了改革和創(chuàng)新，但也面臨著一些新的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為：一是課程抽象內(nèi)容和繁雜公式，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，自發(fā)學(xué)習(xí)電磁理論的內(nèi)在動(dòng)力不足；二是課堂教學(xué)手段單一，抽象內(nèi)容難以直觀(guān)呈現(xiàn)，仍停留在板書(shū)和理論講解；三是實(shí)踐教學(xué)中，個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏少，學(xué)生動(dòng)手鍛煉的機(jī)會(huì)不足，不利于創(chuàng)新能力培養(yǎng)；四是軟件虛擬仿真支撐偏弱，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題所需的綜合能力形成了限制。

（二）? 教學(xué)目標(biāo)的重新設(shè)計(jì)

電磁波與天線(xiàn)作為核心專(zhuān)業(yè)課，課程教學(xué)改革定位于實(shí)現(xiàn)“淘汰水課，打造金課”這一目標(biāo)。針對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的抽象概念和繁雜公式，在課堂教學(xué)中，聚焦新工科建設(shè)和發(fā)展的需求，按照“強(qiáng)化基礎(chǔ)理論，突出應(yīng)用特色，加大信息含量，注重實(shí)踐環(huán)節(jié)”的教學(xué)思路，設(shè)計(jì)教學(xué)策略，把“虛實(shí)結(jié)合”的軟硬件平臺(tái)應(yīng)用到理論教學(xué)中，突出電磁工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，將理論與實(shí)際緊密結(jié)合起來(lái)，以學(xué)帶“練”，以練促“學(xué)”。

（三）? 教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合

隨著院校轉(zhuǎn)型，按照新的人才培養(yǎng)方案和課程教學(xué)要求，電磁波與天線(xiàn)課程需要對(duì)原有的電磁類(lèi)核心課程的電磁場(chǎng)與波、天線(xiàn)與電波傳播及微波技術(shù)基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化融合，并形成新的信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)核心課程。該課程以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路分析等作為先導(dǎo)課程，為通信原理、微波通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等專(zhuān)業(yè)課程提供專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論，成為本科階段最為重要的“橋梁型”課程之一，起到承上啟下的作用。課程內(nèi)容體系包括 “電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)、工程基礎(chǔ)及天線(xiàn)應(yīng)用、前沿技術(shù)”三部分內(nèi)容，涉及矢量分析、電磁場(chǎng)基本方程、均勻平面電磁波的反射與折射、均勻傳輸線(xiàn)基礎(chǔ)理論和微波傳輸線(xiàn)、天線(xiàn)的基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用等重要內(nèi)容，全面培養(yǎng)了學(xué)生電磁信息素養(yǎng)和工程實(shí)踐能力。

（四）? 教學(xué)方法的改革路徑

新課程內(nèi)容體系完整，知識(shí)模塊具有相對(duì)獨(dú)立性，但課程具有抽象內(nèi)容多、公式推導(dǎo)多、實(shí)施難度大的特點(diǎn)，教和學(xué)兩方面都面臨著挑戰(zhàn)，成為在本科階段公認(rèn)的“難教難學(xué)”的課程之一。為了破解難題，急需在教學(xué)方法的改革路徑上形成突破。一是在課堂教學(xué)中，要以學(xué)生為主體，引入多種教學(xué)方法，為學(xué)生呈現(xiàn)電磁理論直觀(guān)的表述和結(jié)果，利于學(xué)生消化和吸收；二是實(shí)踐教學(xué)中，設(shè)置不同難度等級(jí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，吸引學(xué)生積極參與；三是課后開(kāi)展科技競(jìng)賽活動(dòng)，推動(dòng)學(xué)生積極參與校內(nèi)和校外的科技創(chuàng)新活動(dòng)，讓學(xué)生有成就感，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

二? 課程“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)方法

“虛實(shí)結(jié)合”是指針對(duì)課程中抽象的理論和概念，用軟件虛擬仿真和實(shí)物演示相結(jié)合的一種實(shí)踐方式[5]。課堂上如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力和實(shí)現(xiàn)師生教學(xué)相長(zhǎng)的良性互動(dòng)，成為實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此，在課堂上有針對(duì)性地采取靈活多樣的“虛實(shí)”結(jié)合的教學(xué)方法和手段，形成了學(xué)員思維活躍、師生溝通順暢、學(xué)習(xí)目標(biāo)明確的課堂教學(xué)氛圍，成為教師提高教學(xué)質(zhì)量和提高課堂教學(xué)效果的有力保障。

（一）? 探索多元融合教學(xué)方法

課堂教學(xué)是“教與學(xué)”的主陣地，問(wèn)題牽引式、研討式、案例式和類(lèi)比式等教學(xué)方法是電磁波與天線(xiàn)課程教學(xué)經(jīng)常采取的方法[6-7]。依據(jù)授課內(nèi)容難易程度將多種教學(xué)方法相融合，引導(dǎo)學(xué)員由淺入深地學(xué)習(xí)抽象的電磁理論，既可以是師生之間的輕松討論，也可以是學(xué)員之間的探討和辯論。遇到學(xué)生不易理解的抽象內(nèi)容，教師采用虛擬仿真和實(shí)物演示的方法和手段，將課程抽象概念、定理的形象具體化，有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)和電磁工程素養(yǎng)的提高。此外，利用網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)，將課堂上不能充分展示的教學(xué)資源在課后推送線(xiàn)上，利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)課堂上不易掌握的概念，緩解課堂課時(shí)不足帶來(lái)的矛盾，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

（二）? 搭建小型實(shí)物型演示儀

在電磁波與天線(xiàn)課程的課堂理論教學(xué)中，抽象的教學(xué)內(nèi)容遍布課程多個(gè)章節(jié)，在三尺講臺(tái)上采用實(shí)物演示儀表現(xiàn)抽象內(nèi)容并為學(xué)生提供感性認(rèn)知和直觀(guān)結(jié)果，對(duì)學(xué)生當(dāng)場(chǎng)吸收和消化重難點(diǎn)內(nèi)容極為重要。教師應(yīng)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，因地制宜地制作小型化實(shí)物模型和輔助教學(xué)工具，搭建電磁波與天線(xiàn)演示平臺(tái)，配備了微波技術(shù)試驗(yàn)箱，適時(shí)進(jìn)行演示和講解，增加教學(xué)內(nèi)容的直觀(guān)性和趣味性，以達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

（三）? 軟件模擬抽象模型的電磁特性

電磁波與天線(xiàn)課程學(xué)時(shí)長(zhǎng)，所有教學(xué)內(nèi)容都采用實(shí)物演示，將為教師實(shí)施教學(xué)帶來(lái)極大困難。隨著電磁仿真軟件HFSS和ADS等的應(yīng)用，其強(qiáng)大的電磁模型的輻射特性模擬和仿真功能，為學(xué)生直觀(guān)理解抽象概念帶來(lái)極大的便利。在天線(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用中，電磁工程應(yīng)用的各種結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)外觀(guān)和輻射特性各異，相關(guān)內(nèi)容理解成為困擾學(xué)生的一大障礙。課程教學(xué)中，建模一些典型應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際天線(xiàn)，模擬出其三維方向圖、增益和極化特性等，將計(jì)算結(jié)果形象地展示給學(xué)員，使學(xué)員有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)了學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力。

三? 課程“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)法應(yīng)用案例

在電磁波與天線(xiàn)課程教學(xué)過(guò)程中，教師要在有限的時(shí)間內(nèi)講述大量抽象的概念、定理和復(fù)雜的公式推導(dǎo)，就必須增強(qiáng)授課的趣味性，想辦法把抽象的概念形象化、直觀(guān)化，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力。教師可根據(jù)課程各章節(jié)教學(xué)內(nèi)容難度不同，對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行分類(lèi)，或者采用虛擬仿真，或者采用實(shí)物演示，亦或兩者相互結(jié)合，相得益彰，以使抽象的概念變得直觀(guān)易懂。

（一）? 點(diǎn)電荷的電場(chǎng)與電位的虛擬仿真

在靜態(tài)電磁場(chǎng)章節(jié)中，點(diǎn)電荷的電場(chǎng)與電位是認(rèn)識(shí)電磁學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，是學(xué)習(xí)時(shí)變電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生對(duì)電場(chǎng)和等位面缺少感性認(rèn)識(shí)，往往停留在對(duì)抽象概念的理解上，對(duì)其空間的變化缺少整體認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)電力線(xiàn)的變化缺乏感性認(rèn)識(shí)，為此在教學(xué)中可采用體驗(yàn)式的教學(xué)策略予以結(jié)局。教師可以讓學(xué)生安裝 Matlab軟件，利用該軟件的虛擬仿真能力，將電荷的電力線(xiàn)變化和等勢(shì)面形象直觀(guān)地呈現(xiàn)給大家，提高大家的興趣。此外，對(duì)于軟件編程能力強(qiáng)的學(xué)生，提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等級(jí)難度，并鼓勵(lì)學(xué)生給出了等勢(shì)面的立體圖，使得這些概念的形象直觀(guān)有趣。圖1是學(xué)生通過(guò)自己編程后仿真模擬的結(jié)果，其中圖1（a）給出了點(diǎn)電荷的電力線(xiàn)模擬圖，從中心向外發(fā)出，很好地解釋了書(shū)本上的電力線(xiàn)發(fā)于正電荷的結(jié)論，圖1（b）給出了點(diǎn)電荷的電位立體模擬圖，形象展示了點(diǎn)電荷在整個(gè)空間的分布，直觀(guān)形象。通過(guò)虛擬仿真，學(xué)生普遍反映，既鍛煉了編程能力，也對(duì)抽象概念有了更為清晰的理解，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。

（二）? 電磁波極化演示的“虛實(shí)結(jié)合”

電磁波在空間傳播時(shí)，電磁波的極化方式有多種形式，包括線(xiàn)極化、圓極化、橢圓極化，概念非常抽象，許多學(xué)生課堂無(wú)法理解電磁波極化方式，也無(wú)法判別電磁波極化的旋向，成為教學(xué)中的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，為此教學(xué)可以采用問(wèn)題牽引式教學(xué)方法予以解決。圖2就基于軟硬件“虛實(shí)結(jié)合”的手段對(duì)電磁波極化的概念進(jìn)行了演示，并給出了電磁波極化直觀(guān)結(jié)果。在圖2（a）中，學(xué)生采用Matlab軟件編寫(xiě)了電磁波極化的程序，虛擬仿真沿+z方向傳播左旋圓極化波，并繪制出三位空間的電磁波圓極化曲線(xiàn)，讓抽象的極化概念形象直觀(guān)呈現(xiàn)在眼前，促進(jìn)了學(xué)生理解電磁波極化這一抽象概念。圖2（b）為電磁波極化的實(shí)物演示平臺(tái)，學(xué)生通過(guò)實(shí)物平臺(tái)中天線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，感受電磁波極化的影響，展示并驗(yàn)證不同極化天線(xiàn)接收電磁波時(shí)發(fā)生極化匹配和失配現(xiàn)象，提升學(xué)生的興趣，并潛移默化地讓學(xué)生理解電磁波極化概念的重要性和工程應(yīng)用的意義。

（三）? 電磁波參數(shù)測(cè)量

電磁波波長(zhǎng)及介電常數(shù)測(cè)量屬于電磁理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)的主要儀器儀表是微波分光儀。該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯侩姶挪ㄔ诳臻g傳播的反射與折射定律，利用相干波源測(cè)定空間電磁波的波長(zhǎng)，并基于加載介質(zhì)板所形成的波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)測(cè)定介質(zhì)板的介電常數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以沉浸式體驗(yàn)電磁波反射與折射定律，并能驗(yàn)證相關(guān)波源在接收點(diǎn)處形成波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)的干涉效應(yīng)，加深對(duì)電磁波理論的理解。圖3給出了電磁波參數(shù)測(cè)量的示意圖，其中圖3（a）為微波分光儀，儀表操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)精度高，不僅可以測(cè)量參數(shù)，同時(shí)可以測(cè)量電磁波的反射與折射等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。圖3（b）為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的的原理圖，通過(guò)實(shí)物的測(cè)量，可以讓學(xué)生直觀(guān)感受到電磁波的存在和傳播特性參量。

（四）? 天線(xiàn)輻射特性的虛擬仿真

天線(xiàn)的輻射特性是課程最為抽象的教學(xué)內(nèi)容，也是電磁工程實(shí)踐中理論聯(lián)系實(shí)際最為緊密的內(nèi)容。天線(xiàn)輻射機(jī)理晦澀難懂，涉及了大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)抽象概念往往一知半解。如何將天線(xiàn)輻射特性直觀(guān)展示在學(xué)生面前，成為教師課堂教學(xué)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，為此教學(xué)中可以采用案例教學(xué)法予以解決。教師可以基于Matlab軟件，讓學(xué)生編寫(xiě)程序，模擬時(shí)變電偶極子在空間輻射時(shí)的情況，讓學(xué)生直接觀(guān)察到電磁波是如何形成的，并體會(huì)空間電力線(xiàn)的形態(tài)和變化，圖4（a）給出了三個(gè)不同時(shí)刻電磁波的輻射。圖4（b）則是針對(duì)實(shí)際天線(xiàn)應(yīng)用時(shí)，采用HFSS電磁仿真軟件對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行建模，模擬出其三維空間的立體方向圖，讓學(xué)生體會(huì)天線(xiàn)輻射的電磁能量在空間的分布狀況。通過(guò)兩種方式對(duì)比，可以讓學(xué)生更深刻地感受到電磁波輻射的本質(zhì)特性，讓抽象的概念更易理解，更易被學(xué)生接受。

實(shí)踐表明，電磁波與天線(xiàn)課程采用“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)方法，課堂教學(xué)效果明顯提升，也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)電磁理論的興趣，提高了學(xué)生電磁工程實(shí)踐創(chuàng)新能力。學(xué)生在近幾年的科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中取得了優(yōu)異成績(jī)，先后在全國(guó)和校級(jí)大學(xué)生科技競(jìng)賽中獲得多項(xiàng)一、二等獎(jiǎng)，并在會(huì)議期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，推動(dòng)了更多學(xué)生投入到創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中。

四? 結(jié)束語(yǔ)

基于“虛實(shí)結(jié)合”的多元融合教學(xué)方法，可充分發(fā)揮軟件虛擬仿真技術(shù)和小型電磁波與天線(xiàn)演示儀功能，將課堂抽象難懂的概念形象化和具體化，對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動(dòng)力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐創(chuàng)新能力具有重要作用。此外該教學(xué)方法在提高課堂教學(xué)效果的同時(shí)，也提高了年輕教師的授課水平，促進(jìn)了課程教學(xué)質(zhì)量的提高，對(duì)其他電磁類(lèi)課程的教學(xué)方法改革也有一定的推廣和借鑒意義。

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