新工科背景下应用型本科院校“电磁场与微波技术”课程理论与实验一体化教学设计研究
时间：2023-04-08 10:40:05 来源：千叶帆 本文已影响人
花 涛 覃 翠 包永强 王保升
1.南京工程学院信息与通信工程学院 江苏南京 211167；
2.南京工程学院实验室与设备管理处 江苏南京 211167
“电磁场与微波技术”是高等院校通信、电子类专业的重要的专业必修课程，是学生学习天线、射频技术、微波电路等后续知识的基础，近几年来，5G、6G通信技术的迅猛发展对“电磁场与微波技术”知识掌握也提出更高的要求。然而，“电磁场与微波技术”课程对学生的数学功底要求较高，许多知识内容在理论上充斥着各式各样的数学公式，这会让一些学生产生学习恐惧感，进而失去学习兴趣。并且，相比于研究性高校，应用型高校学生的平均数理基础会略低，上述问题也会更加突出，这就不断要求运用新的教学方法或手段来提高学生学习“电磁场与微波技术”知识点的效率[1-3]。当前我国工业产业经济正处在转型升级的关键时期，需要大量的应用型人才作为支撑。2017年，国家教育部提出了“新工科”建设项目，突出强调了新时代、新环境、新形势下工程应用型人才的培养。笔者所在的高校南京工程学院是一所强调应用型人才培养的本科院校，“学以致用”是其校训。笔者在从事“电磁场与微波技术”课程的讲授过程中，面对许多学生的数理基础有限，从而对电磁场与微波知识学习兴趣不强，学习成绩分布方差很大的难题困境，近年来逐渐采用理论与实验一体化融合教学的模式，有利于对知识点的灵活掌握和实际应用。
理论与实践相结合的一体化教学模式要求在课堂上同步开展理论与实验教学，进而加深学生对相关知识点的理解。教师和学生在课堂上充分互动，进行教师授课、学生学习、实验操作、巩固练习的同步进行，形成融知识传授、能力培养、素质教育于一体的教学模式。
目前，理论实践一体化教学模式应用在了许多高职高专院校教学中。而针对于应用型本科院校，理论与实践一体化教学模式在具体课堂融入时应具有以下几个特点：(1)传统教学模式一般是“先理论课、后实验课”的模式，本科院校理实一体化教学应更强调尝试“先学生实验探索、后教师理论讲授”的模式，以此激发学生对相关知识点的探索兴趣以及对相关原理的深刻掌握，突出对学生探索精神和科学素质的培养。(2)不仅是应用技能的学习，本科院校的理实一体化教学更加强调学习系统性的知识，更加强调学生对实验现象背后的理论定律的深刻理解。(3)由于将来许多学生会进入专业性更强的研究生阶段学习，因此本科院校的理实一体化教学更加强调融入学生创新能力的培养，强调融入更多的综合设计性的实验环节，而不仅仅是验证性。(4)本科院校的理实一体化教学应更加强调引入研讨式教学。每节课在保证教学进程完成的前提下，通过学生现场实验操作的实际表现，以及学生的现场回答问题反馈，及时调整课程教学时间安排。(5)相比于传统的实验教学，理实一体化教学在时间安排上需要加大教师讲授部分的时长，并采用多节点方式，教师知识点讲授和学生实验操作演练交替进行，最终达到课程教学目标。
“电磁场与微波技术”课程由于具有相对复杂的理论知识体系，是一门适合于实行理论实践一体化教学模式的本科课程。笔者在这里通过两个实际的教学设计案例，来和大家交流研讨本门课程理实一体化教学设计的具体实施。
(一)实例一：微波传输线的工作状态教学
传输线的工作状态分析是传输线理论中十分重要的一个章节，这之中需要学生掌握传输线在不同工作状态时的特点与条件，包括线上反射系数、输入阻抗、电压与电流波分布等，尤其重点掌握负载阻抗对传输线工作状态的影响。与这些知识点相联系的数学公式相对比较复杂，单纯的教学PPT演示并不容易让学生快速准确地掌握这些重要知识点。理论实验融合教学中的实验系统如图1所示。
可调频率的微波源将一定频率的电磁信号输入矩形波导传输线中。信号首先经过一段衰减器，用以调节合适的信号功率进入传输线；
然后经过一段波长计，波长计由一个圆波导谐振器构成，通过调整谐振器腔体尺寸以引起共振来精确测定输入信号的频率；
接着信号进入矩形波导传输线中传输，传输线顶部中央有开槽，接有选频电压表，用以测量传输线各位置的电压；
在波导传输线终端可接入不同类型的负载，如匹配负载、失配负载、短路片等。
学生通过上述设备在课堂上测量操作，结合教师在课堂上的同步讲授，重点学习掌握以下知识点：(1)波导尺寸与传输信号截止频率的关系。波导最常见的结构是传输电磁波的空心金属管结构，在横截面为矩形的空心金属管内传输电磁波，在理论上其频率需大于c/2a才能够传输，其中c为真空中光速，a为矩形波导空心横截面宽边的长度。学生操作时缓慢调节信号源的频率，同时测量传输线上电压表信号的有无，探寻传输线上有电压信号时的源频率范围。随后教师讲解其背后的原理，学生再一次动手验证加深印象。(2)传输线接不同类型负载与传输线上工作状态的关系。传输线终端接不同类型负载时，对应着不同的工作状态，不同工作状态下的传输线上各位置的电压电流分布、驻波比、输入阻抗等特性是不同的。当终端接匹配负载(负载阻抗值等于传输线特性阻抗)时，传输线处于行波工作状态，线上能量可以完全输送到负载；
当终端接短路片或空载开路或纯电抗元件时，传输线处于驻波工作状态，能量完全无法输送给负载；
当终端接失配负载(不等于传输线特性阻抗的负载，且不是短路、开路和纯电抗元件)时，传输线处于混合波(行驻波)工作状态，线上能量部分可以输送给负载。建议学生先动手进行测量操作，探索接不同类型负载时的传输线上不同位置的电压、驻波比、输入阻抗等特性，进而教师进行知识点讲授，让学生加深记忆与理解。(3)谐振腔的尺寸与谐振频率的关系。谐振腔是使得高频电磁场在其内部持续振荡的闭合金属空腔，具有较高的品质因素。电磁场能量集中于腔内，没有辐射损耗。谐振腔中比较常见的是圆柱形谐振腔，图1系统中的波长计就是由圆柱形谐振器构成。调节谐振器腔体长度可以调节谐振器的谐振频率，当微波信号频率与谐振器谐振频率相等时，传输线内的微波信号功率会迅速降低，传输线上电压表的电压值迅速变小。基于此，让学生探索测量谐振器腔体长度与其谐振频率的关系，进而教师再进行理论讲授，学生再动手验证加深印象。
综上，通过以上步骤的理实一体化教学实例，学生可以很好地掌握微波传输线理论的重要知识点。让学生先去测量探索，一方面增强学习兴趣，培养他们的探索精神与科学素养；
另一方面也有利于学生对相关知识点的记忆与理解。
(二)实例二：微波网络基础教学
微波网络是指具有若干输入、输出端口的区域，内部为由各类型传输线连接的微波元器件所构成的微波电路或系统。微波网络理论与电磁场理论同为微波领域中主要的基础理论，是“电磁场与微波技术”课程中重要的知识章节。然而，学生在学习微波网络理论时常会对其抽象的数学算式缺乏理解，比如非常重要的知识点，散射参量S参数的含义与用法；
另一方面，学生也普遍没有学会使用工业界常用的微波工程电磁仿真软件如HFSS、CST软件。因此，笔者建议在进行微波网络教学时，课堂上代入HFSS或CST的教学，学生边练边学，促进对相关知识点的理解。
图2是基于HFSS软件建模的腔体交指型滤波器构成的二端口网络器件，图3是该二端口器件的散射参量S参数曲线仿真结果。
图2 基于HFSS软件建模的腔体交指型滤波器构成的二端口微波网络器件
图3 上述二端口器件的散射参量S参数曲线，红色曲线为S11曲线，紫色曲线为S21曲线
学生通过在课堂上进行软件操作，结合教师在课堂上同步教授，重点学习掌握以下知识要点：(1)工业界中常用微波工程仿真软件的使用。对于应用型本科院校电子信息类专业学生来说，不仅要掌握基础理论知识，也要学会目前业界主流的工程软件的用法。笔者在“电磁场与微波技术”课程的教学进程后期，微波系统、微波网络章节教学时，在课堂上会代入HFSS电磁仿真软件的教学，以提升学生的工程应用能力。图2是基于HFSS软件的常用微波器件，腔体交指型滤波器的建模设计。(2)微波网络参量的含义。任何复杂微波元件实际上都可以用一个网络来代替，其特性可用网络端口参考面上选定的变量以及相互之间的关系来描绘。如果选定参考面上的变量是电流或者电压，就可以得到Z参量(阻抗参量)、Y参量(导纳参量)以及A参量(转移参量)；
而如果选定参考面上的变量是入射电压波和反射电压波，就可以得到S参量(散射参量)和T参量(传输参量)。这五种参量之间可以相互转换，其中S散射参量是最常用、最重要的一种参量，表示微波网络中的反射系数和传输特性。学生通过HFSS软件建模，不断调整器件结构并仿真得到微波器件各端口S参数值，如图3所示，促进学生对S参数等微波网络参量的理解与掌握。(3)微波网络参量与工作特性参量的关系。二端口元件作为微波系统中最常用的元器件，其工作特性参量对于微波器件来讲是很重要的特性指标，如插入反射系数、插入驻波比、插入衰减、插入相移、电压传输系数等。学生通过不同类型二端口器件的建模，得到器件的网络参量值。学生根据网络参量值自行计算器件的工作特性参量，结果与工作特性参量的软件仿真结果相比较，以此促进微波网络参量与工作特性参量之间相互运算关系的掌握。
笔者在“电磁场与微波技术”课程授课过程中，在多个重要知识点上融入了理论与实践一体化教学模式，强调让学生先进行自行实验探索，摸索规律，培养其科学素养与探索精神，随后再跟进教师理论授课，以此让学生加深对相关重要知识点的理解与掌握。近几年来，笔者所带的南京工程学院电子信息科学与技术专业的学生，每届都会有多名学生毕业后从事射频、微波天线就业方向，且每届都会有学生考取双一流高校的“电磁场与微波技术”专业方向的研究生。如2022年，所教学生中有四名考取了上海交通大学、南京大学、北京航空航天大学“电磁场与微波技术”专业方向的硕士研究生，其中一名更是取得了425分，专业笔试第一名的好成绩。他们优秀的“电磁场与微波技术”专业课考研成绩，体现了笔者将新教学方式融入“电磁场与微波技术”课程的优秀的教学效果。
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