虛擬仿真技術(shù)在“天線原理”課程形象化教學(xué)中的應(yīng)用

孔祥鯤 邢蕾 陳新蕾 徐千

【摘要】依據(jù)國家新工科建設(shè)與實(shí)踐的課程建設(shè)要求，分析了“天線原理”課程的重要性、特點(diǎn)、主要內(nèi)容和教學(xué)方法，提出課程教學(xué)中采用多種虛擬仿真技術(shù)開展形象化教學(xué)的構(gòu)想。分析了構(gòu)建形象化教學(xué)平臺(tái)涉及的虛擬仿真軟件特點(diǎn)，與各主要知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合的手段方法。最后通過幾個(gè)形象化的教學(xué)實(shí)例證明開展課程形象化教學(xué)的可行性。文中提出的教學(xué)方法對提高教學(xué)效果、提升學(xué)生工程實(shí)踐能力具有參考意義。

【關(guān)鍵詞】形象化教學(xué)天線原理虛擬仿真技術(shù)

【基金項(xiàng)目】國家級(jí)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目《面向新工科的教師跨界發(fā)展與評(píng)價(jià)激勵(lì)機(jī)制研究》（教高廳函【2018】17號(hào)）;南京航空航天大學(xué)2019年教師教學(xué)能力提升研究課題：《天線原理》課程形象化互動(dòng)教學(xué)改革探索（1901JF0401）。

【中圖分類號(hào)】TN820??? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A???? 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）11-0024-03

“天線原理”作為電磁場與微波技術(shù)系列課程的核心之一，它是本科專業(yè)電子信息類需要涵蓋的必修課程[1-2]。它與“電磁場與電磁波”“微波技術(shù)”“微波電路”一同構(gòu)建起電子信息類本科專業(yè)的主干課，對構(gòu)建專業(yè)特色和人才培養(yǎng)起著重要的作用[3-4]。

該門課程建立在電磁理論的基礎(chǔ)上，又以應(yīng)用為目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力，對教師的教學(xué)目的和教學(xué)方法提出了挑戰(zhàn)[5]。從教學(xué)內(nèi)容的角度看，課程涵蓋的內(nèi)容復(fù)雜，基礎(chǔ)理論涉及面廣。課程對工程數(shù)學(xué)，包括“矢量分析與場論”“微分方程”“特殊函數(shù)與數(shù)理方程”的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)要求高、跨度大、概念抽象、公式繁瑣，學(xué)生不易理解和掌握。課程還需要通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐加深對知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，對后續(xù)課程如“通信原理”“雷達(dá)原理”“電子對抗”影響頗大，其本身的工程性和實(shí)踐性要求學(xué)習(xí)完這門課程的學(xué)生掌握一定的工程實(shí)踐技能。該課程具有理論抽象復(fù)雜、公式推導(dǎo)繁瑣以及實(shí)踐體系建設(shè)難度大等特點(diǎn)，是當(dāng)前師生公認(rèn)的既難教，有難學(xué)的必修課之一[6]。

在日常的教學(xué)活動(dòng)中，傳統(tǒng)授課存在的普遍問題是教學(xué)中信息的傳遞往往是單向的，或者以知識(shí)的單向傳授為主。根據(jù)心理學(xué)的研究，學(xué)生通過課程中將視覺、知覺獲取的信息進(jìn)行理解加工，會(huì)追求事物完整結(jié)構(gòu)整體或者形象化的特點(diǎn)[7]。而在傳統(tǒng)教學(xué)中，靜態(tài)的、理論的知識(shí)要點(diǎn)的不斷推導(dǎo)和切換，使得學(xué)生的視覺感知過程不斷地被切換，思維的完整性缺失，抽象思維能力被削弱。這一點(diǎn)在“天線原理”課程教學(xué)中體現(xiàn)得尤為明顯，不同于傳統(tǒng)的靜態(tài)電磁場，教學(xué)知識(shí)點(diǎn)往往針對麥克斯韋方程組的時(shí)變電磁場理論展開討論。理論公式和靜態(tài)的電磁特性往往很難幫助學(xué)生將感性認(rèn)知和理性認(rèn)識(shí)快速聯(lián)系統(tǒng)一起來。因此，在教學(xué)過程中需要借助豐富的多媒體手段，引導(dǎo)學(xué)生從感性認(rèn)知到抽象認(rèn)知的領(lǐng)域中，潛移默化地將教師設(shè)計(jì)的形象化元素轉(zhuǎn)化為邏輯且理性的抽象概念知識(shí)。在天線原理形象化教學(xué)的摸索階段，我們采用傳統(tǒng)的教學(xué)手段和多媒體形象教學(xué)相協(xié)作的方式，以學(xué)生理解能力提升、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)，深入分析“天線原理”課程的特點(diǎn)，通過形象化的教學(xué)和針對天線仿真項(xiàng)目的教與學(xué)的互動(dòng)，獲得了良好的教學(xué)效果。

1.虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建形象化教學(xué)平臺(tái)

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于數(shù)據(jù)分析、無線通信、深度學(xué)習(xí)、圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺、信號(hào)處理、量化金融與風(fēng)險(xiǎn)管理、機(jī)器人，控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，在電子通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[8]。在“天線原理”課程教學(xué)中引入形象化教學(xué)，能將難理解的時(shí)變電磁方程形象化表示，讓學(xué)生從復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和公式理解中解放出來，有利于基本概念的理解和專業(yè)知識(shí)的掌握。該軟件對于天線特性參數(shù)形象化的理解具有重要的輔助作用。

CST和HFSS均為當(dāng)前天線設(shè)計(jì)工程師常用的三維電磁場仿真軟件。利用CST Microwave Studio工作室套裝以及ANSYS公司旗下的HFSS軟件均可以精確地計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)場3D圖和3dB帶寬;繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、第三定義場分量和軸比。以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為指導(dǎo)，在各種類型天線的教學(xué)中，通過指導(dǎo)學(xué)生對各類天線仿真，掌握電磁仿真軟件，不但有利于高校學(xué)生更加深刻地理解各類天線的基本原理，還可以在教學(xué)中融入行業(yè)內(nèi)企業(yè)、高校及研究所的技術(shù)需求，提高學(xué)生的市場競爭力。

各類虛擬仿真軟件構(gòu)建起來的形象化教學(xué)案例最終需要通過普通的Web瀏覽器方便師生瀏覽使用，才能達(dá)到進(jìn)行便捷的形象化教學(xué)的目的。利用Java語言開發(fā)教育技術(shù)虛擬網(wǎng)絡(luò)課程，是目前較為實(shí)用和應(yīng)用廣泛的手段之一。它在開展形象化教學(xué)過程中，具有諸多特點(diǎn)和優(yōu)勢。首先，它具有容易實(shí)施和開展的優(yōu)勢，對于開發(fā)一些簡單的三維交互動(dòng)畫，根本不需要了解任何編程語言知識(shí)。其次，從三維建模方式的比較來看，Java可以提供的方式靈活多樣，支持程序建模方式，使得三維建模知識(shí)缺乏或美術(shù)基礎(chǔ)薄弱的教師能夠進(jìn)行專業(yè)級(jí)的建模。再次，模型的數(shù)據(jù)量相對較小，界面美觀。最后，流程開發(fā)簡單易學(xué)，可以通過三維建模、交互設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)現(xiàn)。Java語言在課程形象化教學(xué)中的應(yīng)用為2020年新冠病毒流行期間，開展線上線下一體化教學(xué)提供了便捷。

2.天線輻射性能和基本參數(shù)的形象化

在介紹天線的輻射方向圖時(shí)，需要交代方向圖的主軸、主瓣、旁瓣、后瓣、零點(diǎn)、半功率波束寬度、零功率波束寬度、旁瓣電平等概念。學(xué)生對于二維、三維天線輻射方向圖的整體形態(tài)把握，抽象概念和感觀認(rèn)識(shí)之間缺乏生動(dòng)聯(lián)系。通過Matlab對天線的輻射方向圖進(jìn)行仿真，可以讓原本難以聯(lián)系的知識(shí)點(diǎn)展現(xiàn)形象化的匹配。通過程序設(shè)置讓天線的輻射方向圖在二維和三維之間方便地切換，使教師和學(xué)習(xí)者對方向圖相關(guān)概念的理解更加直觀，促進(jìn)學(xué)生對理論知識(shí)的掌握。

在介紹天線輻射機(jī)理的教學(xué)過程中，需要從偶極子臂上的電流分布特點(diǎn)出發(fā)，總結(jié)歸納天線的諧振長度和工作頻率之間的關(guān)系，找到不同電尺寸條件下，天線的輻射場型的特點(diǎn)，這在傳統(tǒng)教學(xué)中是非常抽象的。通過Matlab編寫相關(guān)程序，再利用Java構(gòu)建多媒體交互界面，就可以生動(dòng)形象地展現(xiàn)不同電尺寸條件下，偶極子天線輻射場型的變化。如圖1所示，偶極子天線的電尺寸從1倍波長變化到1.5倍波長時(shí)，天線臂上的電流反向，導(dǎo)致主瓣分裂。這樣在互動(dòng)網(wǎng)頁上進(jìn)行教學(xué)，可以產(chǎn)生較強(qiáng)的感官刺激，通過動(dòng)圖的展現(xiàn)，加深學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。

另外，天線的極化從概念上講是指天線最大輻射方向上，電場矢量的方向隨時(shí)間的變化規(guī)律。因而，天線的極化是一個(gè)時(shí)間關(guān)聯(lián)量，在傳統(tǒng)教學(xué)中，利用書本和靜態(tài)插圖理解線極化、左旋圓極化、右旋圓極化、橢圓極化常常對學(xué)生產(chǎn)生困擾。通過程序編輯和互動(dòng)式網(wǎng)頁開發(fā)，可以通過動(dòng)態(tài)圖像加強(qiáng)該知識(shí)點(diǎn)的形象化教學(xué)，達(dá)到事半功倍的效果。

3.典型天線的仿真實(shí)例與形象化教學(xué)

“天線原理”課程中會(huì)分析很多典型天線的輻射特性參數(shù)，而對于天線輻射出來的電磁波，讓學(xué)生理解這一類看不見，摸不著的事物，研究想象電磁波的傳播規(guī)律，顯然是困難重重，很難抓住學(xué)生的注意力。利用全波電磁仿真軟件，在教學(xué)中輔助學(xué)生理解各類典型天線的輻射特性和參量，為課程的形象化教學(xué)開辟了行之有效的方法。如圖2所示，我們在典型線天線，典型面天線的教學(xué)中，對偶極子天線、八木宇田天線、喇叭天線、貼片天線進(jìn)行全波仿真，獲得包含天線方向圖、方向性系數(shù)、回波損耗、增益等特性參數(shù)，可以加強(qiáng)學(xué)生對各類天線輻射機(jī)理的理解，加強(qiáng)前后知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通。將典型工程問題通過在線網(wǎng)站架設(shè)服務(wù)，上傳至服務(wù)器，供學(xué)生參考，是虛擬仿真技術(shù)在課程形象化教學(xué)中發(fā)揮重要作用的又一手段。

4.結(jié)語

“天線原理”是電子信息類本科專業(yè)的必修課程之一，具有知識(shí)點(diǎn)要求高、跨度大、概念抽象、公式繁瑣，與工程實(shí)踐緊密關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)，學(xué)生不易理解和掌握。利用虛擬仿真技術(shù)在“天線原理”課程中開展形象化教學(xué)，建立建全課程的Matlab仿真庫，典型天線的全波仿真案例，構(gòu)建在線互動(dòng)式教學(xué)平臺(tái)有利于提高學(xué)生上課的積極性，深化理論知識(shí)的理解，提高教學(xué)效果。可以樂觀地預(yù)測它對于學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及實(shí)踐能力的培養(yǎng)均具有積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[8]胡紅娟，杜健，鞠桂玲，范格華.融入數(shù)學(xué)建模思想和MATLAB的中心極限定理形象化教學(xué)[J].信息系統(tǒng)工程，2020（8）：167-168，170.

作者簡介：

孔祥鯤（1980年-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槿斯る姶挪牧掀骷O(shè)計(jì)、計(jì)算電磁學(xué)、電磁場與微波技術(shù)等。