電子信息工程專(zhuān)業(yè)“電磁場(chǎng)與微波技術(shù)”改革與實(shí)踐

摘要：“電磁場(chǎng)與微波技術(shù)”是中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程專(zhuān)業(yè)主要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一。針對(duì)課程學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多、要求高的特點(diǎn)，結(jié)合飛機(jī)電子系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)課程要求從頂層對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)；探索實(shí)踐“系統(tǒng)應(yīng)用化教學(xué)、形象直觀化教學(xué)、研究討論式教學(xué)、對(duì)比分析式教學(xué)”等多種教學(xué)方法和手段，有效解決了課程理論性強(qiáng)、概念抽象、難教難學(xué)的問(wèn)題；加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)工程能力和創(chuàng)新思維，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)；課程內(nèi)容；教學(xué)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）35-0100-02

“電磁場(chǎng)與微波技術(shù)”是我校電子信息工程專(zhuān)業(yè)主要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，載波的頻率不斷提高，其基本理論、基本概念及分析方法在現(xiàn)代飛機(jī)通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

2008年以來(lái)，為了適應(yīng)寬口徑人才培養(yǎng)的需要，這門(mén)課程的學(xué)時(shí)進(jìn)行了大幅壓縮，但工程教育改革和航空維修技術(shù)的發(fā)展對(duì)學(xué)生的知識(shí)和能力要求卻不斷提高。因此迫切需要對(duì)原電磁場(chǎng)與微波技術(shù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行改革和建設(shè)，以有效解決學(xué)時(shí)壓縮與知識(shí)、能力和素質(zhì)培養(yǎng)之間的矛盾。

一、以需求為導(dǎo)向頂層設(shè)計(jì)一體化課程內(nèi)容，優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)

2008年以來(lái)，課程由原來(lái)的80學(xué)時(shí)減少到54學(xué)時(shí)。為解決知識(shí)面寬、學(xué)時(shí)少的問(wèn)題，結(jié)合專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和航空電子系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)課程需求進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，明確課程在培養(yǎng)目標(biāo)中的地位和要求，在此基礎(chǔ)上，將課程涉及到的“矢量分析與場(chǎng)論、電磁場(chǎng)與電磁波、微波技術(shù)基礎(chǔ)、天線(xiàn)與電波”等多門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容結(jié)合前修課程“普通物理、高等數(shù)學(xué)”和后續(xù)課程“雷達(dá)原理、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)”等課程內(nèi)容進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)課程內(nèi)部及與相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)聯(lián)系，使其相互支持。整合后的內(nèi)容主要包括五大部分[1-2]。

1.電磁場(chǎng)理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)部分—矢量分析與場(chǎng)論

主要講授矢量的散度、旋度和標(biāo)量的梯度等概念及運(yùn)算。刪除了與高等數(shù)學(xué)重復(fù)的推導(dǎo)和分析過(guò)程，重點(diǎn)講授這些運(yùn)算的物理概念及其在電磁場(chǎng)理論中的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了“高等數(shù)學(xué)”與“矢量分析與場(chǎng)論”的平滑過(guò)渡，也為學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)理論奠定了基礎(chǔ)。

2.電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)

傳統(tǒng)講授方法是靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)、時(shí)變電磁場(chǎng)、這樣需要的學(xué)時(shí)較多。

對(duì)于航空電子系統(tǒng)，時(shí)變電磁場(chǎng)比靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)更加重要。考慮到學(xué)生在“大學(xué)物理”中已有電磁學(xué)的基礎(chǔ)，因此本章主要是在介紹電磁場(chǎng)中的基本場(chǎng)矢量，積分形式的麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上，結(jié)合矢量分析重點(diǎn)闡述微分形式麥克斯韋方程組的各種場(chǎng)之間的共性和個(gè)性，重點(diǎn)分析理想介質(zhì)中均勻平面波的傳播特性、電磁波的極化、均勻平面波在理想介質(zhì)中的傳播和在不同媒質(zhì)分界面上的垂直入射與斜入射，實(shí)現(xiàn)“普通物理”與“電磁場(chǎng)理論”基礎(chǔ)內(nèi)容的無(wú)縫對(duì)接。

3.微波技術(shù)基礎(chǔ)

該部分是這門(mén)課程的核心內(nèi)容，也是學(xué)習(xí)主要后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程“飛機(jī)通信系統(tǒng)、無(wú)電導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)原理與系統(tǒng)”的基礎(chǔ)。講授的內(nèi)容主要包括傳輸線(xiàn)的分布參數(shù)、傳輸線(xiàn)的工作狀態(tài)、圓圖及其應(yīng)用、阻抗匹配、矩形波導(dǎo)、微帶線(xiàn)、微波網(wǎng)絡(luò)和微波元件等內(nèi)容。

該部分的內(nèi)容克服了我國(guó)傳統(tǒng)教材重理論輕應(yīng)用的問(wèn)題，大量實(shí)例結(jié)合機(jī)載電子系統(tǒng)和實(shí)際工程應(yīng)用，從系統(tǒng)應(yīng)用角度設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。

4.天線(xiàn)與電波傳播

該部分內(nèi)容是新增內(nèi)容，在講授天線(xiàn)和電波基本理論的基礎(chǔ)上，將機(jī)載電子系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)融入教學(xué)中，如機(jī)載電子系統(tǒng)的各種天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和輻射特性，各個(gè)系統(tǒng)的電波傳播特性等，以便于后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

5.電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)

為加強(qiáng)對(duì)微波系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，提高微波測(cè)試能力，開(kāi)設(shè)了微波實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有：微波系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和調(diào)整，微波阻抗的測(cè)量與調(diào)配，電壓駐波比測(cè)量，微波網(wǎng)絡(luò)參量測(cè)量，定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)測(cè)量、電磁波的反射與折射等內(nèi)容。盡管學(xué)時(shí)由原來(lái)的8學(xué)時(shí)壓縮到6學(xué)時(shí)，但通過(guò)合理安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目卻比原來(lái)增加了電磁場(chǎng)部分實(shí)驗(yàn)（電磁波的反射、折射），以及根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟的實(shí)驗(yàn)（定向耦合器性能指標(biāo)的測(cè)量）。

表1為整合前和整合后的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)對(duì)照表。由此可以看出，整合后的學(xué)時(shí)盡管比整合前壓縮了很多，但課程的內(nèi)容卻增加了，更好地滿(mǎn)足了專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)知識(shí)和能力的要求。

二、合理使用多種教學(xué)方法與手段，提高授課效率和效果

針對(duì)“電磁場(chǎng)與微波技術(shù)”課程數(shù)學(xué)要求高、公式多、物理概念抽象、理論難以掌握、學(xué)習(xí)時(shí)易畏難等特點(diǎn)，探索實(shí)踐系統(tǒng)應(yīng)用化教學(xué)、形象直觀化教學(xué)、研究討論式教學(xué)、對(duì)比分析式教學(xué)等多種教學(xué)方法和手段[3-6]，使電磁場(chǎng)與微波技術(shù)理論教學(xué)呈現(xiàn)“抽象問(wèn)題具體化、靜態(tài)內(nèi)容動(dòng)態(tài)化、復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化、公式理解物理化，知識(shí)掌握系統(tǒng)化”的教學(xué)特色，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了授課效率和效果。

1.系統(tǒng)應(yīng)用化教學(xué)

結(jié)合雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的組成引入微波技術(shù)與天線(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容， 使學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)形成系統(tǒng)概念。

結(jié)合飛機(jī)電子系統(tǒng)天線(xiàn)講授天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)、輻射特性和天線(xiàn)的極化；結(jié)合高頻通信系統(tǒng)天線(xiàn)調(diào)諧耦合器講授傳輸線(xiàn)的工作狀態(tài)和阻抗匹配；結(jié)合雷達(dá)天線(xiàn)講授波導(dǎo)中的管壁電流；結(jié)合通信導(dǎo)航系統(tǒng)講授各個(gè)波段電波的傳播規(guī)律和特點(diǎn)。培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)理論知識(shí)分析工程實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生充分意識(shí)到“電磁場(chǎng)與微波技術(shù)”課程在課程體系和專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)中的作用，從思想上更加重視課程的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)的動(dòng)力和熱情。

2.形象直觀化教學(xué)

針對(duì)電磁場(chǎng)理論抽象難懂的問(wèn)題，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)虛擬仿真教學(xué)軟件（如圖1），實(shí)現(xiàn)了“傳輸線(xiàn)中行波狀態(tài)和駐波狀態(tài)，電磁波的極化，圓圖的圖解過(guò)程、波導(dǎo)中的場(chǎng)分布、天線(xiàn)的方向性圖”等抽象概念的形象、動(dòng)態(tài)演示。加強(qiáng)形象化教學(xué)和直觀教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.研究討論式教學(xué)

結(jié)合基本理論與工程應(yīng)用實(shí)際以及學(xué)科發(fā)展的新動(dòng)態(tài)和研究成果，采用提出問(wèn)題、分析現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律、探討方法的方式進(jìn)行教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)的能力，啟迪學(xué)生創(chuàng)新思想，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)拓展應(yīng)用能力的提高。

4.對(duì)比分析式教學(xué)

將分析方法相似或分析問(wèn)題相近的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比式教學(xué)，使學(xué)生加深對(duì)以往學(xué)習(xí)內(nèi)容和新學(xué)習(xí)內(nèi)容的區(qū)別與聯(lián)系的理解。

例如，將“導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波的分析方法和特性與理想介質(zhì)中的均勻平面波的分析方法和特性”對(duì)比講授；“傳輸線(xiàn)方程及其解與波動(dòng)方程及其解”對(duì)比講述；“波導(dǎo)中電磁波的傳播特性與雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)中的電磁波的傳輸特性”對(duì)比講授；“鐵氧體中的左右圓極化波與電磁波極化中的左右旋極化波”對(duì)比講授等。

采用對(duì)比分析式教學(xué)簡(jiǎn)化了分析過(guò)程，使教學(xué)內(nèi)容從分散的知識(shí)點(diǎn)形成一個(gè)整體，加強(qiáng)了課程內(nèi)容之間的聯(lián)系。

三、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)工程能力和創(chuàng)新思維

以任務(wù)或項(xiàng)目的形式設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，培養(yǎng)微波設(shè)計(jì)測(cè)試能力、計(jì)算機(jī)仿真分析能力、技術(shù)概括能力、知識(shí)更新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新思維等工程素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

投資120多萬(wàn)元的微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)室已于2005年進(jìn)行了設(shè)備更新，現(xiàn)有的微波測(cè)試系統(tǒng)為X波段的元件，它與目前機(jī)載氣象雷達(dá)使用的元件相同，也是3cm的矩形波導(dǎo)元件。借助于該系統(tǒng)，不僅使學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)際微波元件，理解微波元件的結(jié)構(gòu)、原理和特性，更注重加強(qiáng)微波測(cè)試儀器的使用和微波系統(tǒng)性能的測(cè)試能力的培養(yǎng)。2008年，學(xué)校投入80萬(wàn)元購(gòu)置了電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)設(shè)備，開(kāi)設(shè)了電磁波的反射與折射，電磁波的極化、介電常數(shù)的測(cè)量等實(shí)驗(yàn)。

學(xué)校設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)基金資助開(kāi)發(fā)了叭天線(xiàn)特性的測(cè)量和魔T（匹配雙T）特性測(cè)量等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

從全面工程教育的角度，擬定開(kāi)展課程設(shè)計(jì)，學(xué)生以3-4人為團(tuán)隊(duì)，學(xué)習(xí)和使用Consol 、ANSOFT、 HFSS等專(zhuān)用的微波仿真工具對(duì)微波元件、天線(xiàn)等進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真，最后撰寫(xiě)總結(jié)報(bào)告并采用PPT答辯。從而培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新精神。表2為CDIO試點(diǎn)班開(kāi)設(shè)的設(shè)計(jì)性項(xiàng)目。

四、結(jié)束語(yǔ)

“電磁場(chǎng)與微波技術(shù)”課程建設(shè)成果在我校“電子信息工程專(zhuān)業(yè)”本科生、CDIO試點(diǎn)班、卓越計(jì)劃試點(diǎn)班中得到了廣泛應(yīng)用，取得了較好的教學(xué)效果，受到了學(xué)生的好評(píng)。在今后的教學(xué)中將繼續(xù)加強(qiáng)理論教學(xué)與工程實(shí)際及科研的密切結(jié)合，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：劉麗娜）