基于OBE 理念的天線課程工程實踐教學研究

劉亮元，師向群，袁海軍

（電子科技大學 中山學院 電子工程系，廣東 中山 528402）

成果導向教育是指基于學習產出的教育模式（outcome-based education，OBE），重點突出 “學生中心、成果導向、持續改進” 工程教育理念。OBE 教學理念既重視基礎和專業能力培養，又重視與科學前沿、工程實際和社會應用實踐的密切聯系，旨在使課程規劃與教學符合產業需求。OBE 教育理念以學生的學習成果為導向，逆向確定教學計劃和教學環節，把學生作為教學中心，教師指導學生實現預期的學習目標[1-3]。有的學校以行業需求為主線，以工程項目為依托，構建了成果導向的創新型工程實踐平臺和工程應用型人才培養體系[4]。

天線是電子信息類專業的一門重要專業課程，是計算機輔助設計、天線理論、微波技術和微波電路等課程的實踐和應用。其特點，一是理論性強，涉及許多電磁場計算問題，需要用解析方法求解矢量微分方程和矢量積分方程，非常繁瑣；二是理論模型抽象，天線腔體內電磁場具有復雜的模式分布特征，天線輻射的電磁波具有復雜的空間電磁場分布，其幅度和相位具有動態變化特性，很難通過理論理解分析其電磁場特性[5]。傳統的天線課程教學偏重理論計算，而忽視工程實踐，不少學校甚至沒有實踐教學環境。課程培養目標主要側重學生掌握系統且深厚的基礎知識，而忽視培養學生自主設計微波器件的能力，以及探究新產品和新系統的開發和應用能力。學生往往在學習基本微波電路理論及計算公式后，卻不知如何運用，僅能操作一些較簡單的驗證性和仿真性實驗，卻不會分析和調試微波電路，更談不上設計和制作工程天線。

加強實踐教學，培養實踐能力與創新精神，是應用型高校人才培養的重要途徑。在天線課程教學引入電磁仿真軟件HFSS、ADS 微波電路設計和計算機仿真技術，就能使天線原理成為一門應用性和工程性極強的課程。HFSS 具有快速而便捷的計算功能，可快速處理復雜天線結構，并同步實現復雜計算數據的可視化，可通過多種圖形和曲線加以表現[6-8]。一些本科院校開展了針對天線的仿真實驗教學，設計了微波綜合性實驗[9-11]，這些做法對學生工程實踐能力、科研思維和科研能力的培養非常有好處。

1 基于OBE 理念的天線課程實踐教學思路

教學過程不僅是學生掌握知識的過程，也是學生學會學習、獲得經驗、啟發創造、激勵探索、提高能力的過程。借鑒OBE 工程教育理念，教師采用天線項目案例講解理論知識，學生通過對項目的構思、設計、實現、運作加深對這些知識的理解。在教學實踐中，通過組織討論，激發學生興趣，增加他們的感性認識，提高他們分析、歸納和總結的能力。采用OBE 教學模式不僅能使學生獲得基礎理論知識，而且使他們在運用知識解決問題的過程中更早接觸工程實踐，培養他們的實踐興趣和實踐能力。本課程要求學生在教師指導下，通過對4G/5G 移動通信終端天線實例的思考、分析和辯論，進行項目分析、方案制定與論證、基板選型和電路設計、計算機仿真調試、加工測試、答辯驗收和產品評價等。在此過程中，加強學生對工程系統設計要求、制造過程、成本核算的認識，培養學生對工程項目的宏觀和微觀思維習慣，提高通信終端天線系統綜合設計能力。教學流程如圖1 所示。

圖1 天線課程OBE 教學執行流程

1.1 以學生為中心，制定教學目標

確立教學目標是OBE 教學的第一步，是設計教學活動的核心，關系到教學內容選擇、教學過程設計和教學評價，是確保學生在教學活動后取得預期學習效果的前導問題。教學目標要以市場需求為導向，課程教學要以教學目標為導向，教學資源配置要以支撐教學目標的達成為導向。

基于OBE 的天線實踐教學以理論知識掌握和實踐能力提高為教學目標，強調知識與能力的并重。以4G/5G 移動通信天線為主線，進行課程項目建設，從構思、設計、實現、運作方面開展項目化的教學活動，注重學生運用新知識、新技術的能力。將傳統的基本概念、重要原理和基礎理論的教學融入天線課程中，即基于項目進行學習與教學。教師首先要對教學大綱、理論教材和微波天線企業進行分類整理，還要整理項目教學知識點，設計出多個4G/5G 移動通信天線學習項目。

OBE 天線課程的具體目標為：①掌握天線的基礎理論、基本原理和實現方法，能夠分析復雜天線工程問題；②能根據天線的實踐工程問題，查閱文獻資料，設計解決方案；③運用相關基本原理，分析天線設計的影響因素，運用HFSS 專業軟件仿真優化，證實解決方案的合理性；④分析和解釋天線實驗中的數據，形成有效結論并指導實踐。

1.2 成果導向，逆向教學

逆向教學是OBE 教學的第二步。關注學生的學習成果是教師組織教學的核心，因此要從學習成果反向設計教學內容，教學成敗是以學生是否獲得學習成果即是否獲得實際能力為判斷依據的。

電子信息類場波的課程設置通常包括電磁場、微波技術以及天線和電波三門主干課程。首先應給學生建立一個微波通信系統的物理模型，使他們熟悉通信系統各部分的組成與用途。在此基礎上，天線原理與設計課程組提煉出具有代表性的天線學習項目，作為學生基于項目學習的基礎內容。傳統的天線課堂教學側重理論解析推導，OBE 課堂教學則是運用計算機仿真技術分析天線的結構尺寸與電氣特性的關系。天線課程的研究對象是電磁開放結構，而決定天線輻射特性的變量很多，理論模型只能分析簡單規則結構，大多數實際應用中的天線則必須依靠實驗測試。教師要針對所開發的典型的天線項目，設計教學內容，并進行實物制作，設計真實電磁環境。教學內容包括：使用微波測試設備進行測試、對比計算機仿真與測試結果、分析誤差產生原因、指導學生進行分組討論等。學生的預期學習成果是能夠應用理論知識設計工程天線，并用于通信系統。基于此，OBE 教學將設計流程、設計步驟、設計結果和測試結果制成課件。學習表現優秀的學生可以在課堂上展示其作品，從而使教與學形成互動，使學生分析解決工程天線問題的能力逐步提升。

1.3 團隊協作，產品評價

OBE 天線課程要求學生以團隊形式，通過整合所學的零散知識與技能，完成一個與專業密切相關的工程實踐項目，從而使自身的學習上升到一個新的高度。學生的能力各有所長，他們在完成任務過程中相互影響、相互學習，從而使溝通與合作能力得到培養和鍛煉。天線設計完成后，學生要按要求撰寫設計說明書或設計報告，目的是鍛煉學生的書面規范表達能力。這些環節都有利于鍛煉學生的團隊合作精神，協調、管理、競爭與協作能力，以及溝通與交流能力。

學生要在規定時間內完成選題、確定方案、進行軟硬件具體實現等，這就需要制定每周工作進度表，教師負責檢查各組進度，解答學生疑問，指導學生的調研討論、程序設計與調試、加工測試及提交設計報告等。

由于課程設計的任務和側重各不相同，學生既需要相互討論，又需要獨立思考。因此考核應“重能力—看過程—多元化”。考核包括成果PPT 匯報、論文報告、實物作品展示和試卷測試等多種形式，期評成績由平時成績、HFSS 仿真及實驗成績、期末考試成績組合而成。其中，平時成績權重為20%，主要考查學生平時作業中對知識點的復習、理解和掌握程度以及學習態度等；HFSS 仿真及實驗成績權重為40%，主要考查學生理論聯系實際的能力，包括：運用數學和物理等基礎科學理論以及電路和信息系統基本知識的能力，設計與實施電子信息工程相關實驗及分析和處理數據的能力，應用電子信息工程相關行業所需技術、技巧以及使用軟硬件工具的能力，項目管理、有效溝通及團隊合作的能力等；期末考試成績權重為40%，主要考查對天線課程理論內容的掌握程度，包括基本概念、基本原理和理論解析計算等。

2 基于OBE 理念的天線課程實踐教學過程

在學生掌握基本天線理論知識后，即可開展射頻通信天線項目教學，教學內容包括項目調研、設計指標和方案制定、仿真調試、匹配器設計、實物制作和實物測試。天線課程采用線上和線下教學模式（見圖 2）。在線上，課前由教師在線布置工程項目任務書，學生根據該任務書查閱文獻資料，進行課前預習。在線下，教師要對項目進行詳細分析，組織學生推進項目實施。在課后，教師對學生進行在線輔導和項目答疑，學生提交項目報告。

圖2 天線課程線上和線下教學模式

通過仿真和測試實驗使學生加深對射頻和天線相關概念和理論的理解，培養學生的動手能力和科研能力。例如，在微帶圓極化天線項目的實施過程中，要求學生用理論知識和天線基本原理指導實驗調試、分析實驗結果、處理實驗數據，即分析頻率偏移和端口不匹配的原因、調整天線結構和尺寸、記錄并保存重要調試數據等，還要研究參數化掃描天線關鍵尺寸對阻抗匹配、軸比帶寬和輻射性能的影響。其中包括：選取合適的天線基板材料；在覆銅板上腐蝕、焊接鍍膜；進行遠場輻射特性測試；撰寫設計報告和答辯PPT 等。

再以單元圓極化陣列天線為例。系統初始結構和3D 增益方向圖如圖3 所示，天線系統由8 個完全相同的陣列天線和饋電網絡組成。采用同軸線底饋方式，把兩組4 單元陣列的間距D 作為參數進行仿真優化。初始D 取28 mm，仿真優化范圍為20～40 mm，間隔4 mm。仿真結果表明，盡管所有頻點反射系數都在規定范圍即-10 dB 以下，但間距D 為28 mm 和32 mm的陣列天線諧振頻率分別為5.85 GHz 和5.76 GHz，反射系數最小，離設計要求的5.8 GHz 最接近。

圖3 單元圓極化陣列天線結構圖和3D 增益方向圖

在考核方面，要從實驗設計、執行、分析及數據解釋四個方面對學生項目完成情況進行評價。其中A級（90～100 分）為非常好，要求實驗設計方案正確，能達到實驗目的；在實驗執行過程中，要能熟練掌握實驗設備的選擇、使用和執行程序，能取得正確、有現實意義的實驗結果；在實驗分析過程中，要能理解所用的運算及分析工具，且對所有的計算都能進行正確的執行和記錄；在實驗數據解釋過程中，要能理解并正確分析所有重要的實驗結果。

3 結語

本文提出的基于OBE 理念的天線課程教學模式，旨在把理論教學和仿真實驗教學結合起來，加深學生對射頻和天線理論的理解。通過電磁仿真訓練，學生能較好地了解所學的知識及其應用領域、應用前景等。通過項目分析、方案制定、匹配電路設計、仿真調試、實物制作及產品評價等環節的全方位教學，增強了學生對專業技術的認識。