微波技術分類開放式實驗的實施

全紹輝

(北京航空航天大學電子信息工程學院，北京100191)

“微波技術”課程是電子信息類、通信工程類專業課程體系中的核心課程，國內外高校都對其教學開展過較多研究［1-4]。該課程也是射頻、微波和天線等工程師職位的入門課。企業在招聘這些職位時，均要求應聘者在微波仿真軟件、射頻和微波儀器測試等方面具有較多的實踐經驗，這對微波類課程實驗教學提出較高要求。

我國高校開設的“微波技術”課程實驗，主要是針對傳輸線理論、波導理論和微波網絡的波導測量線驗證性實驗，存在如下問題:①較少涉及實用微波元件原理和工作性質，缺乏趣味性和實用性;②缺乏針對課程的軟件設計和軟件仿真實驗;③實驗內容單調，缺乏開放性和綜合性訓練。

1 分類開放式實驗定位

我們在保留傳統波導測量線實驗的基礎上，結合早期開展微波虛擬實驗的經驗［5]，嘗試進行一種分類開放式實驗。這樣可以充分考慮學生多元化個性特征和發展特征，重在發揮學生的自主性和調動學生的積極性。

我校的“微波技術”課程被安排在大三進行，主要講授傳輸線理論、波導理論、微波網絡和微波元件［6]。我院大部分學生將在電子類和通信類的相關專業方向發展，部分學生有可能選擇電磁場與微波技術相關的專業繼續學習深造。

考慮到這一現狀，我們在教學中設計了三類開放性實驗，包括:信息收集類實驗、軟件設計類實驗和軟件仿真類實驗。實驗從學期初開始布置，到學期末完成。

2 開放性實驗設計實例

1)信息收集類

選擇信息類實驗的學生可以廣泛搜集并整理相關資料，對自己將來發展方向進一步明確定位。對課程建設而言，通過這些實驗可以逐漸建立各種微波學科和專業相關的信息和資料庫。通過在網站發布，還可以分發給其他學生，實現共享資源和普及信息知識。

設計實例:“航空航天領域的微波技術”。

要求學生通過查閱文獻，寫一篇這類問題的綜述論文。論文考評內容有:①原創性和創新性;②題目、摘要、引言和結論以及對論文核心內容和成果的概括性和提煉度;③正文層次是否清晰，內容是否豐富;④參考資料的完整性和權威性;⑤論文上傳網站被用戶閱讀、提問和評價的情況;⑥論文作者在線答疑的情況。

2)軟件設計類

設計類實驗任務主要針對課程教學和學習中的一些疑難原理和計算問題，讓學生自由選擇自己熟悉的軟件工具，編程完成規定的功能設計。學生通過這一類實驗，可以對課程教學內容進一步熟練掌握，也鍛煉了實際承擔軟件編程的能力。對課程建設而言，學生設計完成的軟件可以作為輔助教學的有效工具。由于這些軟件是由正在上課的學生在教師教輔指導下共同完成的，其功能更具有教學的針對性和實用性。

設計實例:“史密斯圓圖動態展示”。

要求學生設計完成具有可視的友好界面且可獨立運行的教學演示軟件。藉此可以演示史密斯圓圖的形成過程，顯示傳輸線上不同位置的圓圖變化特征，形成完整的史密斯圓圖，當作計算工具使用。該軟件還可以拓展演示史密斯圓圖其它實用功能，如參數展示和支節匹配等。

3)軟件仿真類

仿真類實驗針對目前流行的一些電磁微波仿真軟件，收集總結相關的使用技巧、原理和方法，并針對課程學習的微波傳輸線和微波元件，選用一種仿真軟件進行場結構模擬和參數分析。這類實驗有一定難度，不僅要求學生具有較扎實的電磁和微波理論基礎，并具有較強的實際動手能力。

設計實例:“雙T和魔T接頭的仿真優化”。

要求學生選定初始工作頻段(如X波段)，對一定尺寸的雙T接頭進行仿真設計，并利用圓柱、圓錐和膜片等結構對其進行調配而成為魔T。該仿真軟件可以展示內部場結構和端口的S參數隨結構調整的漸近變化過程，以及結構隨頻率變化的特征。

3 微波學堂網選題和考評

通過構建微波學堂網論壇［7]，依托該網站的“在線課程→微波技術→實驗實踐”欄目，可實現分類開放式實驗實踐的在線選題、成果提交和考評。

1)選題方式

在選題階段，每個題目都根據難易程度、課程需求設定了星級。最高五星，最低三星，不同星級對應評分不同。規定每人至少選1題。鼓勵1人多題，也可以1題多選。采取網上自由報名形式，先報先定。報名者回帖說明所報題目，教輔通過審核評分或回帖即為報名生效。對先報名者有加分獎勵，對所有報名者進行抽簽分組。

2)考評方式

在考評階段，要求將實驗報告提交到對應班級版塊。總結報告和相關軟件設計，學生都應獨立思考和完成。如出現雷同可酌情減分，與已提交報告完全相同且不能出示獨立完成證據者或明顯將前面提交學生的報告修改拼湊提交者均沒有成績。報告提交較早者可以獲得一定的額外獎勵加分。

3)選題結果分析

對2011-2012年度選修微波技術課的學生，我們共提供了35道題目供學生選擇。以筆者任教班級參加選題的102人為例，表1給出了選題統計。包括題目分類、種類題目數目、選題人數/比例和選題人次/比例。表中的選題人數比例加起來超過100%，是因為有一些學生同時選擇了兩個或兩個以上題目。

從表中可以看到，選擇信息收集類的人次數最多。有較少人選擇軟件設計類，說明這些軟件設計任務對電子信息工程學院的大部分學生來說還是偏難的。有較多學生選擇了難度稍大的軟件仿真任務，說明這些學生專業基礎扎實，對深入微波專業學習有興趣，實際動手能力也較強。

表1 選題人數和人次統計

學生完成這些實驗后，既達到對課程知識擴展鞏固的目的，又鍛煉了動手能力。所有完成的這些實驗實踐成果都成為課程建設的寶貴資源。

［1] Pozar，D.M.，A modern course in microwave engineering，Education［J] ，IEEE Transactions on Education.，1990，33(1):129

［2] Hertling，D.R.and Feeney，R.K.，RF and microwave design courses at Georgia Tech［J] ，IEEE Transactions on Education.，1989，32(4):430-435

［3] 凌丹，王薔，電磁場與微波技術實驗教學的改革［J] ，北京:實驗技術與管理，2010，27(9)

［4] 趙春暉，張朝柱，趙旦峰，微波工程系列課程的體系改革與教學內容優化［J] ，南京:電氣電子教學學報，2008，30(2)

［5] 全紹輝，微波虛擬實驗在教學中的應用［J] ，南京:電氣電子教學學報，2005，27(3)

［6] 全紹輝，微波技術基礎［M] ，北京:高等教育出版社，2011

［7] 微波學堂網:wbxt.buaa.edu.cn