“微波技術與天線”課程多媒體教學改革

張海

摘要：本文探討了如何利用現代多媒體技術及EDA電磁仿真軟件提高“微波技術與天線”課程的教學質量。通過多媒體技術能將抽象的概念形象化，利用EDA仿真軟件能夠對微波器件及天線等進行三維仿真設計，達到理論與實踐相結合的目的。同時，建立了相應的課程網站，豐富了課程的教學手段。

關鍵詞：微波技術；多媒體技術；電磁仿真；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）15-0084-02

一、引言

當今社會，無線通信技術已經遍及生產生活的各個領域，而實現無線通信的最重要載體就是電磁波[1]。其中“微波技術與天線”是這些學科專業中的一門關鍵課程。該課程理論性較強，且概念抽象，不易理解和學習[2，3]，對如何講授這門課程的老師及如何學好這門課程的學生都是一個不小的挑戰。同時，該課程的工程實踐性強，學生不僅要學好理論知識，還要掌握常用微波元件和天線的設計方法，以及相關儀器的使用。由于微波測量儀器的價格昂貴，學校采購數量有限，很難滿足每一位同學的實驗操作需求[4]。因此，本文探討了如何在傳統教學中，將現代多媒體技術與EDA電磁仿真軟件相結合，合理融入到教學過程中。通過多媒體技術，使抽象的概念更加形象和直觀，便于學生理解。

二、理論教學改革

1.合理安排教學內容。“微波技術與天線”既是一門理論課程，也是一門工程實踐性較強的課程，其主要內容包括微波技術與天線兩大部分。其中微波技術又包含傳輸線理論、波導及網絡分析，以及常用微波器件設計等內容；天線技術主要包括天線的基本概念，常見天線基本原理，課程結構如圖1所示。其中，紅色方框部分應作為課堂講解的重點內容；虛線框中內容具有較強的工程實踐性，授課教師應對相關內容做一些詳細介紹，同時對學習興趣濃厚的學生做一些研究方向的指引。另外，紅色方框部分的學習過程涉及大量的數學知識，包括高等數學、復變函數和矩陣理論等知識，還涉及電路、電磁場和電磁波等基礎理論，學習比較枯燥且容易忘記。教師講授時需要多花一些課時，并且強調學習這部分的重要性。在課后需要給學生安排一定的課后作業或臨時測驗，起到鞏固知識、加深理解的作用。

2.合理使用多媒體技術。“微波技術與天線”課程中的很多概念抽象復雜，僅僅使用簡單的文字描述或靜態圖片展示很難理解。通過使用現代多媒體技術可將抽象的概念形象化，利用彩色圖片及動畫等技術手段將抽象難懂的知識生動直觀地展示給學生。例如“場”這一概念，很多學生反映難以理解。多媒體這一教學手段可以很生動、形象地去表達“場”這一看不見摸不著的物質，幫助學生去建立或者重構“場”在他們大腦中的印象，避免教師在“場”教學中的枯燥乏味，從而達到良好的教學效果[5]。

另外，在講授無耗傳輸線工作狀態、規則金屬波導中的場時，也可采用多媒體教學。如對矩形波導中TE10模的電場、磁場以及三維場分布，可以采用多媒體動畫的形式來呈現，這樣就會使學生更加直觀、深入地認識矩形波導中的場分布，加深理解，提高教學效果。對于各種不同的天線結構，可借助幻燈片，收集一些相關的圖片展示給學生，加深學生對相關知識的認識與理解。

三、電磁仿真軟件

“微波技術與天線”是一門實踐性強的課程，由于該課程的實驗儀器都非常昂貴，且學生人數較多，實驗過程中的儀器管理與維護等需要耗費大量時間，并且在有限的時間內難以讓每位同學親手操作一遍，因此可以使用現有的EDA電磁仿真軟件來解決上述問題。目前，常用的微波仿真軟件有CST、Ansys HFSS、ADS與Ansys Designer等，并且都提供了相應的學生免費版，免費版完全可以滿足課程教學的需求。利用這些軟件可以讓學生對“微波技術與天線”課程中的常用微波器件及天線進行仿真設計。在仿真實驗中，可以加深學生對相關物理概念的理解，以及對理論知識的掌握，同時增強學生們的學習興趣。圖2所示為利用三維電磁仿真軟件設計和模擬微波器件的圖形界面。

四、課程網站建設

近年來，網絡教學作為一種新型、高效的教學方式，很好地彌補了傳統教育的不足，也推動了高等院校的教育改革[6]。通過精品課程網站，學生可以跳出傳統教學在時間、空間上的制約，通過網站復習課堂上的知識，利用網站上的資源進行更深層次的學習，還可以與老師留言交流。精品課程網站逐漸成為了運用互聯網技術改善教學質量、增進師生間交流的一種有效方式。

微波技術是研究微波信號產生、放大、傳輸、發射、接收、變換及測量等技術的學科，在衛星通信、移動通信、雷達、微波遙感等領域得到了廣泛的應用。“微波技術”作為一門重要的專業基礎課，是后續“移動通信”、“微波通信”等課程的重要基礎。“微波技術”課程涉及到電磁場理論和微波網絡系統以及天線技術，內容廣泛，理論性強，信息量大，所用到的高等數學、物理學、電磁場與電磁波等知識較多，是電子與通信相關專業比較難學的一門專業基礎課。

目前，傳統的微波技術教學存在一些問題。首先，教學方法比較單一，大多數時候還是采用課堂上ppt講解和板書的授課方式，這有助于進行嚴謹的理論推導，但講課效率卻無法充分提高；其次，在有限的課堂教學中僅能將基本的概念、原理、方法教給學生，而對微波技術的發展前沿，更深層次的知識點，發散性、探索性的問題涉及較少。建設《微波技術》精品課程網站是配合教學現狀，進行網絡教學改革的實踐。將網絡教學與課堂教學有機結合起來，是對以現代信息技術為基礎的新型教學方法和教學模式的探索。能夠充分發揮學生學習的積極性和自主能動性，從而提高教學質量。

本教研組運用新型的Web前后端技術，采用B/S（瀏覽器/服務器）架構，使用近年來新興的Node.Js搭建后端服務器[7]，使用Nosql數據庫MongoDB做為數據庫，使用jquery、Bootstrap等前端類庫和技術搭建一個性能、體驗良好的《微波技術》課程網站[8]，并采用響應式設計進行多終端適配，使網站適應PC、手機等不同尺寸的設備。該網站不但豐富了該課程的教學手段，而且改善了教學質量，增進了同學與老師之間的溝通與交流。

五、結論

本文分析了“微波技術與天線”課程的內容特點及教學難點，并對傳統教學方法提出了一些改進措施。通過合理安排教學內容及運用多媒體技術來提高教學質量。同時，開發和建立了相應的課程網站，該網站為學生提供觀看視頻課程、資料下載、查看老師文章、向老師留言提問等功能，為老師建立一個后臺管理系統，提供文章的發布和管理、視頻資源上傳、回復學生留言等功能，有效提高了該課程的教學質量。

參考文獻：

[1]袁海軍，馬云輝，劉詠梅，等.《微波技術與天線》課程教學中理論性與工程應用性的結合探討[J].科技資訊，2012，（24）：169-170.

[2]夏祖學，李少甫，胥磊.《天線與微波技術》課程的教學改革研究與實踐[J].實驗科學與技術，2013，（06）：49-51.

[3]蔣鐵珍，廖同慶.《微波技術與天線》教學：與工程應用相結合[J].教育與教學研究，2014，28（06）：78-80.

[4]李新營，曹雪.《微波技術與天線》教學的研究與探討[J].物理通報，2014，（12）：25-27.

[5]李素萍，吳偉.《微波技術與天線》課程教學改革探討[J].中國電力教育，2011，（08）：108-109.

[6]高思禮.教育部啟動精品課程建設工作[J].中國大學教學，2003.

[7]郭家寶.Node.js開發指南[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[8]樸靈.深入淺出Node.js[M].北京：人民郵電出版社，2013.