基于做中學(xué)的微波技術(shù)與天線課程教學(xué)改革研究

0 引言

微波與天線是電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一，培養(yǎng)掌握微波與天線技術(shù)的科技人才是發(fā)展電子信息產(chǎn)業(yè)的重中之重，而培養(yǎng)具有扎實(shí)的微波與天線理論基礎(chǔ)、豐富的實(shí)訓(xùn)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具備一定的微波與天線工程能力的大學(xué)生成為當(dāng)務(wù)之急，以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)應(yīng)用型、創(chuàng)新型專業(yè)人才的強(qiáng)烈需求。

微波技術(shù)與天線課程是信息與通信工程學(xué)科的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，根據(jù)電子信息類培養(yǎng)方案要求，該課程的培養(yǎng)目標(biāo)如圖1所示。

圖1微波技術(shù)與天線課程培養(yǎng)目標(biāo)

針對(duì)圖1所示培養(yǎng)目標(biāo)，在每年教學(xué)過(guò)程中對(duì)微波技術(shù)與天線課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行諸多改革與探索。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容中的基本概念、電路分析和系統(tǒng)分析的基本理論與方法可以較好掌握，但在運(yùn)用這些理論和方法分析實(shí)驗(yàn)中遇到的實(shí)際問(wèn)題時(shí)仍存在困難。此外，學(xué)生在設(shè)計(jì)、調(diào)試微波技術(shù)與天線電路及系統(tǒng)方面的工程能力也有待進(jìn)一步提升。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因有以下幾點(diǎn)[1-2]

1）理論教學(xué)與工程實(shí)踐脫離。微波技術(shù)與天線課程理論教學(xué)的重點(diǎn)是通信系統(tǒng)各個(gè)模塊的電路原理及電路設(shè)計(jì)、微波傳輸線理論及器件的參數(shù)指標(biāo)，學(xué)生對(duì)常用的通信模塊、微波器件如諧振功率放大器、振蕩器、混頻器、矩形波導(dǎo)、定向耦合器和天線等，聽(tīng)得多、見(jiàn)得少，而教學(xué)內(nèi)容中缺乏器件設(shè)計(jì)實(shí)例，他們難以將理論知識(shí)和實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系在一起，導(dǎo)致學(xué)習(xí)缺乏積極性。

2）教學(xué)過(guò)程缺乏自主性。課程教學(xué)以教師的教為中心，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)均以教師為主導(dǎo)，課堂教學(xué)無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)也以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生大都是對(duì)照實(shí)驗(yàn)參考書(shū)給出的步驟操作，主動(dòng)探索能力不足。

3）考核方式缺乏創(chuàng)新性。前期考核中，該課程采用閉卷考試 + 平時(shí)成績(jī)的模式，學(xué)生對(duì)課程重視度不夠，且動(dòng)手實(shí)踐能力沒(méi)有提高，考核方式難以滿足培養(yǎng)目標(biāo)的要求。

“做中學(xué)”強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過(guò)親身實(shí)踐和探究來(lái)學(xué)習(xí)，通過(guò)實(shí)踐獲得知識(shí)的提升，被認(rèn)為是更有效的學(xué)習(xí)知識(shí)的方式與途徑。微波技術(shù)與天線課程教學(xué)改革應(yīng)從長(zhǎng)期以來(lái)存在的問(wèn)題出發(fā)，基于“做中學(xué)”理念，以提升學(xué)生在電子信息領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力為目標(biāo)，對(duì)教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)和考核方式等方面進(jìn)行改革，從而有效提高學(xué)生的實(shí)際問(wèn)題解決能力和創(chuàng)新能力。

1基于“做中學(xué)”理念的教學(xué)設(shè)計(jì)

基于“做中學(xué)”理念的微波技術(shù)與天線課程教學(xué)改革始終以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中以設(shè)定目標(biāo)成果、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成果、評(píng)價(jià)目標(biāo)成果和應(yīng)用成果為主線，通過(guò)不斷地迭代優(yōu)化課程內(nèi)容與教學(xué)方法。在教學(xué)過(guò)程中始終強(qiáng)調(diào)教、學(xué)、做的有機(jī)結(jié)合，教中學(xué)、學(xué)中做、做中學(xué)，通過(guò)做中學(xué)不斷強(qiáng)化基礎(chǔ)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合[3-4]，優(yōu)化基于“做中學(xué)”理念的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)，如圖2所示。

2基于“做中學(xué)”理念的教學(xué)實(shí)施

將“做中學(xué)”理念引入微波技術(shù)與天線課程教學(xué)設(shè)計(jì)，在教學(xué)實(shí)施中通過(guò)穿插項(xiàng)目式教學(xué)和實(shí)操式教學(xué)、構(gòu)建持續(xù)化微波技術(shù)與天線課程教學(xué)體系進(jìn)行教學(xué)改革，提升學(xué)生理論與實(shí)踐水平，在做與學(xué)的過(guò)程中提升創(chuàng)新能力。

2.1 項(xiàng)目式教學(xué)

在微波技術(shù)與天線課程教學(xué)過(guò)程中，教師針對(duì)教學(xué)內(nèi)容先提出并發(fā)布若干可行的教學(xué)項(xiàng)目，讓學(xué)生始終以問(wèn)題為導(dǎo)向，在解決問(wèn)題的過(guò)程中學(xué)習(xí)課程的理論知識(shí)并實(shí)踐。

2.1.1 課內(nèi)設(shè)計(jì)實(shí)踐

1）開(kāi)設(shè)課內(nèi)設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)提供的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作并得出結(jié)果，進(jìn)一步理解微波器件的工作原理，但不足以滿足工程化教學(xué)的要求。因此，將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，進(jìn)一步提升學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。課內(nèi)設(shè)計(jì)實(shí)踐可以利用MATLAB、ADS、HFSS等軟件對(duì)微波器件與微波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，對(duì)微波元件及天線從理論設(shè)計(jì)到模型建立再到結(jié)果分析，完成實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，為學(xué)生提升解決問(wèn)題的能力奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2）教學(xué)項(xiàng)目“課內(nèi)設(shè)計(jì)實(shí)踐”要求學(xué)生獨(dú)立完成。學(xué)生結(jié)合課堂講授內(nèi)容，通過(guò)查閱資料，了解相關(guān)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、技術(shù)參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)微波技術(shù)與天線中常用系統(tǒng)，以小作業(yè)形式上交，并在課堂進(jìn)行陳述討論，交流設(shè)計(jì)思想。小型課內(nèi)設(shè)計(jì)一般緊密結(jié)合課堂內(nèi)容，在課前一周提前布置，給予學(xué)生幾天到一周的準(zhǔn)備時(shí)間。學(xué)生通過(guò)認(rèn)真準(zhǔn)備，再結(jié)合課堂講授內(nèi)容進(jìn)行比較分析，最終促進(jìn)對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解并完成典型微波電路與天線設(shè)計(jì)[5]。微波技術(shù)與天線課程課內(nèi)設(shè)計(jì)實(shí)踐參考題目如表1所示。

2.1.2微波技術(shù)與天線課程設(shè)計(jì)

微波技術(shù)與天線理論課程結(jié)束后，基于課程內(nèi)容，為學(xué)生布置與生活或?qū)I(yè)緊密相關(guān)的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難度略高于課程內(nèi)容。學(xué)生利用課余時(shí)間查找與課題相關(guān)的資料，完成方案設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、電路仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，最終完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)。通過(guò)這一過(guò)程，學(xué)生不僅能夠鞏固課程知識(shí)，還能提升微波電路設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新能力。項(xiàng)目式教學(xué)開(kāi)展流程如圖3所示。

圖3項(xiàng)目式教學(xué)開(kāi)展流程

如在微波工程中經(jīng)常進(jìn)行材料介電常數(shù)測(cè)試，介電常數(shù)最常用的測(cè)試方法為波導(dǎo)法測(cè)試，測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示，由同軸線、同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換接頭、BJ100矩形波導(dǎo)管、開(kāi)孔夾具、被測(cè)材料組成。測(cè)量時(shí)需先對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量系統(tǒng)兩端的S參量，經(jīng)過(guò)公式轉(zhuǎn)化即可測(cè)出被測(cè)材料的相對(duì)介電常數(shù)。本例中，通過(guò)材料介電常數(shù)測(cè)試，用到微波技術(shù)與天線課程第二章中“均勻無(wú)耗傳輸線”、第三章中“矩形波導(dǎo)”、第四章中“散射參量測(cè)量”、第五章中“同軸一矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換元件”等知識(shí)點(diǎn)。本項(xiàng)目將這些知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，可以大大加深學(xué)生對(duì)微波傳輸線與微波參量測(cè)試的理解，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

2.2 實(shí)操式教學(xué)

在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)規(guī)定實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入對(duì)課程基礎(chǔ)理論的軟件仿真，目前已加入MATLAB、HFSS、ADS電路仿真。課堂講授理論的同時(shí)會(huì)選擇相應(yīng)的軟件進(jìn)行相關(guān)的實(shí)踐操作，學(xué)生可以帶電腦進(jìn)課堂，跟隨教師學(xué)習(xí)。例如，上課時(shí)使用電磁仿真軟件進(jìn)行傳輸線中電場(chǎng)的演示，如圖5所示，這樣可以讓學(xué)生更直觀地看到傳輸線中電磁場(chǎng)的分布，通過(guò)在電磁仿真軟件中修改傳輸線模型參數(shù)，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的，加深學(xué)生對(duì)物理概念的理解。此外，為了保證教學(xué)質(zhì)量，每一步實(shí)操過(guò)程均錄制指導(dǎo)視頻并上傳至云課堂平臺(tái)，學(xué)生可以自由下載學(xué)習(xí)，保證課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果。

表1微波技術(shù)與天線課程課內(nèi)設(shè)計(jì)實(shí)踐題目

圖4波導(dǎo)法測(cè)量介電常數(shù)

圖5電磁仿真軟件實(shí)操舉例

2.3構(gòu)建持續(xù)化微波技術(shù)與天線課程教學(xué)體系

在電子信息工程、信息對(duì)抗技術(shù)、微波工程等專業(yè)的本科教學(xué)體系中，微波技術(shù)與天線課程以電路原理、電磁場(chǎng)與電磁波為基礎(chǔ)課程。完成本課程的教學(xué)后，后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)還包括微波EDA、微波工程課程設(shè)計(jì)、專業(yè)綜合實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)等。整個(gè)教學(xué)過(guò)程會(huì)涉及微波技術(shù)與天線的基礎(chǔ)理論及實(shí)踐，讓學(xué)生在解決微波工程問(wèn)題的過(guò)程中不斷提升相關(guān)能力。

此外，以本門課程為基礎(chǔ)，組織學(xué)生以微波技術(shù)與天線課程所學(xué)內(nèi)容為素材參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（“大創(chuàng)”項(xiàng)目）、“互聯(lián)網(wǎng)+”等學(xué)科類競(jìng)賽。競(jìng)賽題目涉及雷達(dá)、通信、微波、電子對(duì)抗、電子測(cè)試等領(lǐng)域，既可以由教師指定，也可以由學(xué)生自擬并經(jīng)教師審核。通過(guò)參加競(jìng)賽，學(xué)生能夠不斷鞏固所學(xué)理論知識(shí)，完成從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化，同時(shí)了解本領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)行情，提升創(chuàng)新思維能力，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的升華。

在引導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽的基礎(chǔ)上，積極引導(dǎo)學(xué)生參與項(xiàng)目組的橫縱向研究課題與成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，讓學(xué)生更加深入地了解微波、電子、通信、電子對(duì)抗等領(lǐng)域的實(shí)際需求，進(jìn)一步培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力與創(chuàng)新思維，將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析微波技術(shù)與天線課程目標(biāo)，針對(duì)前期課程目標(biāo)達(dá)成度弱的問(wèn)題，根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)該課程工程化要求，提出基于“做中學(xué)”理念的微波技術(shù)與天線課程教學(xué)設(shè)計(jì)方案，給出“做中學(xué)”教學(xué)設(shè)計(jì)的幾種實(shí)施方法。在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)穿插項(xiàng)目式教學(xué)和實(shí)操式教學(xué)、構(gòu)建持續(xù)化微波技術(shù)與天線課程教學(xué)體系進(jìn)行教學(xué)改革，激發(fā)學(xué)生對(duì)微波電路的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生理論與實(shí)踐水平，在做中學(xué)的過(guò)程中提升創(chuàng)新能力，有效提升課程的目標(biāo)達(dá)成度。

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