微波技術與天線課程教學改革研究

趙 楠，韓 慧，郭 磊，周長飛

（大連理工大學，遼寧 大連 116024）

信息時代下，微波作為無線信號在自由空間中傳輸?shù)闹匾d體[1]，在各個電子與信息領域均被廣泛應用，例如微波遙感、電磁兼容、衛(wèi)星通信和射頻通信等[2]。而天線作為傳輸線微波與自由空間微波所必需的轉換器隨處可見，例如WiFi 天線、基站天線、手機天線和衛(wèi)星天線等。當前，微波與天線是所有的通信、雷達系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，廣泛應用于移動通信、陣列雷達、深空探測等國民經濟主戰(zhàn)場，甚至已經深入到了各行各業(yè)中[3]。因此，培養(yǎng)微波與天線方面的專業(yè)技術人員也成為了加快我國電子信息領域發(fā)展的關鍵要素之一。

近年來，我國信息通信領域蓬勃發(fā)展，電子信息工程、通信工程等相關專業(yè)的教育改革勢在必行。微波技術與天線（以下簡稱“微波”）作為通信專業(yè)學生培養(yǎng)計劃中的一門必修課程，具有理論體系嚴謹、內容抽象復雜、與工程應用聯(lián)系緊密等特點[4]，與雷達、通信、導航等工程系統(tǒng)聯(lián)系緊密。由于課程難度大、工程性強、學時有限，其授課任務非常艱巨，傳統(tǒng)的教學方式不能很好地滿足新時代高質量人才培養(yǎng)的需求。另一方面，在經濟全球化的不斷推動下，教育資源跨國流動不斷加速，國際化教育發(fā)展已經成為高校教學的趨勢。國際化學術精英人才培養(yǎng)也十分關鍵[5]。在國家積極推進新工科建設的背景下[6]，大連理工大學（以下簡稱“本校”）微波課程的教學團隊進行了一系列改革嘗試，面向新時代社會科技發(fā)展需要不斷創(chuàng)新改進。本文主要介紹了微波課程教學改革探索的成果，并提出了面向一流專業(yè)、一流課程、一流人才建設目標的新型教育模式。

一 教學改革目標

本校開設的微波課程由“微波技術基礎”和“天線原理”兩部分構成，以電路理論和電磁場與電磁波等先修課程為先導，是深入學習無線頻譜中極為重要的微波頻段傳輸、工作特征及天線設計的重要科目，兼具理論性、工程性與實踐性。該課程難度較大，建立在較強的數(shù)學和電路場論等理論基礎之上，是電磁場與電磁波課程的延續(xù)。例如，在微波部分，以麥克斯韋方程組為核心，推導出電磁波在理想傳輸線、導波中的傳播特性，不僅需要授課者對課程綜合理解把握，也需要學生具有高等數(shù)學、電磁場與電磁波、電路理論等相關課程的知識儲備。通過該課程的學習，希望學生能夠具備微波理論、射頻電路、天線設計等方向的工程知識，從而為后續(xù)的射頻電路設計、光纖通信、傳感器技術等專業(yè)選修課程提供理論儲備，同時也培養(yǎng)了利用微波與天線基本理論分析問題并通過獨立研究進行工程實踐的能力，為學生從事微波與天線工程的研究、微波電路設計和微波設備研發(fā)打下重要的基礎[7]。為此，在新工科大環(huán)境下，面向新時代高校育人的要求，本校教學團隊結合十余年的教學經驗，提出了以學生為中心的課程教學改革方案，從而實現(xiàn)為國家電子、信息、通信等行業(yè)輸送兼?zhèn)湓鷮嵗碚摶A與實踐創(chuàng)新能力的高端人才的育人目標。

在本文的教學改革方案中，主要圍繞學生進行全方位的培養(yǎng)，如圖1 所示，夯實學生的理論基礎，使其學習并掌握微波技術與天線的基本概念、基本理論及主要分析計算方法，并與相關專業(yè)知識融會貫通。同時，在新工科背景下，對于電子信息相關專業(yè)學生而言，軟件仿真和硬件設計需要同樣重視，實踐創(chuàng)新性培養(yǎng)需要持續(xù)加強，從而不斷提高專業(yè)綜合素養(yǎng)，實現(xiàn)全面的發(fā)展。另外，高校不僅要提供專業(yè)教育，更應以立德樹人為根本，在課程改革中重視思政元素引入，加強愛國主義、文化自信和工程倫理教育是高校建設發(fā)展的必然選擇?？傊ㄟ^在思政培養(yǎng)和夯實專業(yè)兩方面齊頭并進，以育人為本的課程創(chuàng)新改革建設，將有效支撐一流課程、一流專業(yè)和一流人才培養(yǎng)目標的達成。

二 課程改革特色與創(chuàng)新

（一）教學內容和分析方法

本校的微波課程主要涉及微波技術和天線原理兩方面內容，相關理論學習非常抽象復雜，老師難教，學生難學。例如，微波部分主要應用了“路分析法”“場分析法”等相關思想[8]，如圖2 所示，通過從“路”到“場”再到“路”的遷移學習，學生對微波系統(tǒng)和網絡的認知不斷提高，學習思路與能力螺旋式上升。為了有效提升教師教學質量，改善學生學習效果，微波教學團隊以學生為中心，結合本校專業(yè)必修課培養(yǎng)方案和實際教學條件，充分利用網絡教學平臺等資源，提出了一系列特色鮮明的創(chuàng)新性教學方案。

圖2 微波技術主要內容及分析方法

（二）創(chuàng)新型教學方案

1 “板書-課件-軟件-動畫”融合

針對高難度的理論授課任務，可以將板書、課件、軟件和動畫相互融合，從而豐富課堂上“教”與“學”的形式，充分調動學生的積極性和參與度。具體而言，線下授課以板書講解結合課件演示為主，通過詳細的數(shù)學推導板書加強對復雜規(guī)律的學習，通過演示自制動畫幫助學生對抽象物理概念的認知，借助工程軟件推動對理論知識的強化理解，從而最大化提高學生的課堂學習效率。例如，針對均勻傳輸線理論，通過動畫演示行波、駐波及行駐波傳輸特點，加深對傳輸線上不同微波傳輸特點的理解。通過借助史密斯圓圖軟件設計實例，反向推動對史密斯圓圖與微波傳輸線各個物理概念對應關系的強化理解，如圖3 所示。在規(guī)則金屬波導這一章節(jié)中，矩形波導和圓波導內電磁場分布規(guī)律非常抽象復雜，需要圍繞麥克斯韋方程組，結合邊界條件來證明。在具體授課過程中，通過板書逐步詳盡推導證明出金屬波導內場分布的固有規(guī)律，并利用仿真設計軟件進行實現(xiàn)，制作了三維動畫來模擬金屬波導內場的變化規(guī)律，如圖4 所示，有效加強了學生對金屬波導內微波隨時間周期性變化規(guī)律的理解。根據實際教學反饋，通過在課堂上板書結合課件演示，對于復雜規(guī)律理論結合軟件仿真和動畫模擬，可以有效提升學生的課堂學習效率，加強對復雜知識點的理解掌握。

圖3 史密斯圓圖軟件仿真演示

圖4 矩形金屬波導內電磁場分布模擬

2 線上課程與教學相融合

微波課程是學生和教師公認的既難學又難教的課程，在有限課時的基礎上，本校教學團隊充分利用網絡資源平臺，進行多媒體教學資源建設，開展了超星金課平臺線上課程輔助線下教學。微波教學團隊授課教師合作錄制網課視頻并上傳到超星學習通平臺，每段網課大概20～30 分鐘，主要針對學生課后學習遇到的疑難點進一步答疑講解，從而輔助學生加強對本課程抽象概念和理論內容的理解。通過后臺數(shù)據統(tǒng)計反饋，學生課下靈活管理學習時間，自學比例較高，自主學習意愿較強，通過觀看網課，顯著提升了微波教學的效率。因此，多媒體教學資源建設也是加強學生管理自我學習能力，提升課程學習效果的有效手段，特別是在新冠感染疫情期間線下教學指導難以開展的情況下，通過線上課程與課堂教學相融合，充分利用網絡資源平臺，可以進一步加強師生間的互動，提升學習效果。

3 工程實踐環(huán)節(jié)與創(chuàng)新性實驗

由于傳統(tǒng)授課方式存在著偏重理論教學、實踐比重較小等問題，學生對課程內容不能充分理解甚至與實際相脫節(jié)，有“聽天書”的感覺。信息數(shù)字化時代已經到來，將現(xiàn)代信息技術與本課程深度融合是實現(xiàn)“場”類課程改革的必然方向。因此，本校教學團隊非常注重培養(yǎng)學生的工程實踐能力，加強學生的軟硬件應用鍛煉，引導學生學以致用。比如，在課堂上講解理論知識的同時，通過軟件仿真對實際工程案例進行講解，圖5 為基于ADS軟件的天線設計案例。課下開展虛擬仿真設計實踐，學生自主選擇題目進行設計，從而培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提升工程實踐能力，使信息化與工程深度融合。

圖5 基于ADS 軟件的天線設計

此外，本校微波課程還匹配了一門工程實驗必修課，包含了一系列創(chuàng)新性實驗，比如“MATLAB 對金屬波導場分布模擬仿真”“二端口微波網絡參數(shù)的測量”“移動環(huán)境無線信號特性的研究”等實驗，兼顧軟件實踐與硬件鍛煉。實驗課程由工程師帶領學生在微波實驗室進行，如圖6 所示。微波工程實踐和創(chuàng)新性實驗有效加強了學生的實踐動手能力，強化了軟硬件應用鍛煉，并反向推動，加深對理論的理解，因此是專業(yè)理論課程不可缺少的環(huán)節(jié)。

圖6 線下微波工程實踐課程

4 知識教育與思政教育相結合

近年來，我國信息通信領域取得了長足的發(fā)展，微波技術也不再僅僅滿足軍事需要，已經廣泛應用于移動通信、廣播電視、計算機網絡等民用領域中。對于衛(wèi)星通信、深空通信、移動通信等國民經濟的主戰(zhàn)場，微波和天線技術的發(fā)展水平將直接決定了通信系統(tǒng)的有效性、可靠性與安全性。對于微波、天線等工科院校電子信息工程、通信工程等專業(yè)課程的改革，不僅要扎實理論基礎，更要加強思政建設與情懷培養(yǎng)，立足于國家實際發(fā)展需求，為學生介紹當下“卡脖子”的核心關鍵技術，并引導其樹立正確的人生觀與價值觀，延續(xù)大連理工大學的“紅色基因”，成為有追求有擔當?shù)囊淮嗄?。為此，本校教學團隊將思政元素充分融入到了教學各個環(huán)節(jié)，以傳承工匠精神，堅守科技報國的信念。在課堂上，通過介紹我國信息通信領域最新的發(fā)展成就，例如5G、雷達陣列天線、深空通信天線等技術的發(fā)展現(xiàn)狀，生動而非生硬地引入思政元素，厚植愛國情懷。在課下過程考核任務中，布置相關技術前沿調研任務和國內外科學家精神小論文撰寫任務，鼓勵學生自主查找探索，不斷拓寬眼界和思維，堅定理想信念。另一方面，在繁重的理論學習過程中引入前沿技術和思政等元素，也可以使枯燥乏味的教與學變得生動起來，從而有效地緩和緊張的課堂節(jié)奏，充分調動學生課上課下學習的積極性，最大化提升課程改革的效率。愛國情懷培養(yǎng)是高校育人的關鍵環(huán)節(jié)，通過該課程的教學改革，將知識教育和思政教育相結合，從而堅守高校教育為國家輸送有理想、有擔當?shù)娜瞬诺某跣摹?/p>

5 全程化、多元化的成績評定方式

以往的教學考核方式非常固定，平時考核形式以課后作業(yè)和課堂出勤為主，期末考試成績占據了較高的課程考核比例。課后作業(yè)和習題練習作為最傳統(tǒng)的過程考核形式易行有效，且對掌握并強化課程教學內容是非常必要的。盡管如此，為了激發(fā)學生的積極性和主動性，本微波教學團隊提出了更加全程化、多元化、客觀量化的成績評定方式，提高了過程考核的比重，并結合課堂出勤、課堂測驗、課后作業(yè)和課下實踐等多種方式來強化過程性考核，如圖7 所示。對于課下實踐環(huán)節(jié)，學生可以從以下幾個備選方案中自主選擇實踐內容，例如，梳理章節(jié)重點知識并錄制說課視頻展示，調研報告近年來微波與天線在國家層面的重要應用案例，對微波與天線方向的國際科學前沿技術進行調研并撰寫小論文等。通過加強過程考核任務，可以加深對理論的理解和實踐，同時通過調研專業(yè)相關科技發(fā)展狀況來拓寬學生視野，增強實踐能力。此外全程而多元化的考核方式更加客觀公平，有效地激發(fā)了學生學習熱情。

圖7 新型考核方式

（三）國際化“英強班”雙語授課

隨著高等教育不斷向國際化發(fā)展，如何培養(yǎng)扎根中國、服務社會、放眼國際和引領發(fā)展的國際化一流人才，無疑是建設具有中國特色世界一流大學的重要課題及全新挑戰(zhàn)。大連理工大學以“建設特色鮮明的世界一流大學”為發(fā)展目標，對于師生國際化的重視及支持力度不斷增強。具體來說，針對具有較高英語水平、較強國際化意愿及學習能力的學生組成英語強化班（即“英強班”），并通過增設國際化課程等方式，拓展學生的國際化視野，強化國際化意識及能力，力求打造電信學部“國際化精英班”，營造國際化學術精英人才培養(yǎng)的品牌效應。基于此，本校教學團隊針對“英強班”的微波課程開展了雙語授課和全英文考核的改革，從各個方面提升學生的專業(yè)英語能力與素養(yǎng)，拓寬學生的國際視野，不斷培養(yǎng)國際化思維。

由于微波課程本身抽象復雜，雙語教學在一定程度上更增加了教學難度，對師生來說都是很大的挑戰(zhàn)。為了充分利用雙語國際化的優(yōu)勢與特點，雙語微波課程的教學不僅注重夯實專業(yè)理論基礎，更是采用了多樣的創(chuàng)新培養(yǎng)方式來開拓學生思維。結合上述普通班級微波課程的創(chuàng)新方案，本校教學團隊針對雙語班級的教學也進行了改革?！坝姲唷庇珊Ｍ庖M人才擔任教學技術骨干，授課教師具有豐富的雙語授課經驗。針對外文專業(yè)教材書籍較少、出版較早、內容滯后和不適合直接用作學生的參考教材的情況，教學團隊通過參考國內外微波經典教材，結合當前國際科技前沿發(fā)展，按照課時安排編寫了一套英文課件，用于老師課堂授課和學生課下自主學習，圖8 為天線部分章節(jié)的課件節(jié)選。其次，為了強化學生的專業(yè)英語素養(yǎng)，課后作業(yè)、課堂小測、期末考核等均采用英文環(huán)境，從而達到與國際教育接軌的目標。通過布置微波、天線等相關領域文獻閱讀、英文學術論文翻譯、國外科技前沿學術報告等任務來豐富微波雙語課程的形式，加強在微波課堂上的雙語練習與實踐，從而提升學生專業(yè)英語表達運用的能力，充分調動學生的積極性和主動性。圖9 為學生在課堂上關于微波天線專業(yè)方向的科技前沿英文匯報，通過課前精心準備和課上精彩的分享展示，實現(xiàn)了從“被動”輸入理論知識到“主動”參與輸出的轉變。

圖8 “英強班”英文課件節(jié)選

圖9 課堂上的科技前沿英文匯報

三 結束語

面向新工科建設的大環(huán)境，本校微波課程教學團隊根據多年經驗，結合學校培養(yǎng)人才的實際情況，提出了扎實理論、軟硬兼修、愛國思政和實踐創(chuàng)新的課程改革方案，簡要介紹了本校國際化英語強化班級雙語授課改革方案，為建設一流專業(yè)、一流課程、一流人才探索了新型教育模式。通過以學生為中心，理論基礎和工程應用“兩手抓”，注重思政滲透和愛國情懷培養(yǎng)，強化過程性考核，最終達到了既改善教學效果又教書育人的目的。總的來說，微波課程的教學改革是一個長期探索、不斷借鑒、逐步完善的過程，需要根據實際經驗不斷調整，教學改革沒有終點。