“天線與電波傳播”課程教學改革思考與探索

摘要：“天線與電波傳播”課程是電子信息類專業的一門基礎課程，該課程具有較強的實踐性和綜合性，在通信、雷達等專業人才培養中發揮著非常重要的作用。同時，該課程理論性強、概念多且非常抽象，被認為是一門“學生難學、老師難教”的課程。基于此，本文對該課程的教學現狀進行分析，并從教學內容、教學形式和考核方式三個方面進行改革和探索，致力于激發學生的學習動力，并增強教學效果。

關鍵詞：天線；電波傳播；教學改革

一、引言

天線是任何無線電子系統的重要組成部分，在整個系統中起到了能量轉換的作用。“天線與電波傳播”課程是普通高等學校電子信息類專業的一門非常重要的專業基礎課，也是通信、雷達、電子對抗等專業的必修課。該課程以“高等數學”“場論”“電磁場與電磁波”等課程為先導，為“雷達原理”等專業背景課夯實理論基礎，在高校人才培養體系中起著承上啟下的作用。課程內容主要分為兩大部分，第一部分為天線的基本原理和各種典型天線的結構特點、輻射特性及應用；第二部分為電波傳播，主要講授不同傳播方式的特點。該課程理論性強，并且涉及大量公式、物理概念抽象，因此對學生的數學和物理功底要求較高，被普遍認為是一門“學生難學，老師難教”的課程。

如何讓學生較好地學習并掌握本門課程的相關知識，教師作為整個知識傳授過程中的引導者和課程的組織實施者，起著非常關鍵的作用。通過近幾年的“天線與電波傳播”課程的教學實踐，筆者認真思考并總結了在教學過程中出現的問題，并基于學生的學情和課程情況，積極探索課程教學方式方法的改革，以激發學生的學習熱情，提高課程的教學質量和效果。

二、“天線與電波傳播”課程教學存在的問題

（一）教學內容與教學學時數的矛盾突出

隨著國家高等本科教學的改革和學科專業的優化調整，本科院校學生所學的課程總量普遍增加。在總學時不變的情況下，大部分課程的學時數都進行了一定的壓縮。以“天線與電波傳播”課程為例，經調整，課程學時數由50學時變為40學時，壓縮了20%。“天線與電波傳播”課程作為通信、雷達等專業的主干課程，其教學目標是讓學生在進入通信、雷達專業課程學習之前了解不同天線輻射特性以及不同電波傳播方式的特點，因此該課程的知識點多且理論性強。此外，新的人才培養方案更重視對學生實踐能力的培養，課程教學形式由純理論教學轉變為理論和實踐相結合，并逐步加重實踐教學的權重，理論授課學時也將進一步壓縮。在理論課程學時壓縮的情況下，如何保證教學內容高質量地完成是目前本課程所面臨的問題之一。

（二）課程理論性強，學員基礎不一，“畏難”情緒明顯

“天線與電波傳播”課程開設于大三上學期，屬于“電磁課程群”（電磁場與電磁波、微波技術基礎、天線與電波傳播）中的最后一門專業基礎課。本課程理論性強，概念抽象、公式繁多、數學推導煩瑣，需要學生具備較強的空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力，是一門“學生難學，老師難教”的專業課程。此外，由于本課程知識點繁多、零散，學員在學習過程中容易出現“見木不見林”的情況，進而形成較為明顯的畏難情緒，最終導致學習效果不佳。因此，如何消除學員的畏難情緒、提升學習興趣是有效實施本課程教學所要考慮的第二個問題。

（三）課程考核形式單一

“天線與電波傳播”課程包含了天線的基礎理論、線天線、面天線以及電波傳播等理論內容，知識點多且較為零散，大多為抽象的概念，如天線的基本電參數。而課程考核僅僅將上述課程內容以閉卷形式進行理論考核，再加上課內實驗的考核成績，導致很多學生會有“臨時抱佛腳”的心態，靠著考前突擊過關。因此，這種單一的評價方式并不能完全反映學生學習的實際情況。

三、“天線與電波傳播”課程教學改革探究

通過對“天線與電波傳播”的課程教學現狀進行分析，下面將從教學內容、教學方法以及考核方式三個方面進行探討，以尋找合適的課程教學模式，并提升教學質量。

（一）對教學內容進行重構，開展線上線下混合式教學，提升學生自主學習能力

針對課程教學內容多、學時少的問題，教師可以開展線上線下混合式教學。教師可以對教學內容進行重構，以知識點為單位，將授課內容分為低階知識和高階知識，再將低階知識制作成微課，通過Uclass、雨課堂等軟件搭建線上學習平臺，讓學生在線上自主學習低階知識點，并掌握基本知識點和相關公式。同時，教師可以在線上布置與本知識點的相關的一些小測試、小作業，讓學生“學中做，做中學”。根據線上平臺統計的相關學習數據，教師能夠及時掌握學生的學習情況，對線上學習時間少的同學實施預警機制，對疑難問題或錯誤較多的作業可以進行線下集體輔導。當學生在線上掌握了基本的知識點后，教師在線下就有更多的時間講解高階知識點，并通過介紹相關應用實例和科研項目，培養學員的知識遷移能力。

（二）從系統的角度設計優質案例，培養學員系統的知識體系

線上學習的知識點相對離散，學生往往能夠較好地理解各個知識點，但無法把握各個知識點之間的聯系以及其在整個授課體系中的作用，導致學生在學習的過程中容易出現“見木不見林”的情況。此時，教師需要從體系的角度對線上對知識點進行串聯，實現“見木不見林”，通過案例教學法實現不同章節知識點之間的有效銜接。本課程作為通信、雷達等專業的基礎課，有很多案例可以從相關專業領域中直接引入。

例如，教師可以以相控陣雷達為例，以雷達探測目標的距離為切入點。對于雷達而言，當探測目標一定的情況下（散射截面積一定），探測目標的精度和距離通常由反射信號強度決定。此時，反射信號強度則取決于由發射天線輻射的電磁波經過傳播后到達探測目標附近的功率大小，具體地可以用公式Ps = Pr－L來表示，式中Pr發射天線的輻射功率，L為電磁波傳播電道的損耗。根據該式可以發現，要想使得雷達探測的距離更遠，可以從兩方面入手，一方面是增大發射天線的輻射功率，另一方面則是減小電道的傳輸損耗。

如何增大天線的輻射功率呢？根據第一章天線的基本電參數輸入阻抗可知，在發射機輸出功率一定的情況下，要想增大天線的輻射功率，就要使得天線的輸入阻抗與饋線的阻抗匹配，這樣就可以使得反射系數最小，發射機輸出的功率將大部分被輻射出去。

當發射天線的輻射功率一定的情況下，要想增加雷達的探測距離，則需要減小電道的傳輸損耗。

如何減小電道的傳輸損耗呢？根據第十一章電波傳播的基礎知識可知，電道的傳輸損耗等于L = L0＋LF－Gr－GL，其中LF為自由空間的傳輸損耗（主要由頻率決定），LF為媒質的損耗，不同的傳播方式所帶來的損耗，例如地波傳播和天波傳播，因此就引出了地波雷達和天波雷達。Gr發射天線的增益系數，GL為接收天線的增益系數。當電波的傳輸電道固定后，只能夠通過改變發射天線和接收天線的增益來彌補電道的傳輸損耗。

如何來提高天線系統的增益呢？以發射天線為例，通過分析增益系數可知，單個天線的方向性是有限的。雷達天線通常采用天線陣，采用若干個天線單元按照一定方式排列而成。這種排列方式可能是直線陣、平面陣、圓形陣等。此時，教師可以將天線陣的概念融入其中進行講解。

那么，接著又可以提問，天線陣中的天線單元的數量和天線的增益系數又存在什么關系呢？教師可以講解天線陣方向性增強原理，讓學員理解天線單元越多，天線陣的方向性越強。因此，雷達為了探測更遠的距離，通常由成千上萬個單元組成。當由天線陣各個單元相位同相時，就可以在陣列的法向形成最大輻射，并改變天線單元的相位，實現波束的掃描，從而實現對不同方向目標的探測，這就是相控陣雷達。

教師通過介紹相控陣雷達的這一案例，將天線的方向性、增益系數、無線電波傳播基礎知識、天線陣等本課程的核心知識點進行了有效的串聯，也讓學生從系統地了解了相控陣雷達的工作原理。由于任何無線電子系統都是由收發天線和傳輸信道組成，通過對該案例的學習，學生能夠很好地進行舉一反三，自主分析和理解武器裝備上無線電系統的各個戰技指標。

（三）突出實踐能力，優化課程考核方式

傳統的課程考核方式主要以期末的閉卷理論考試為主，導致很多學生都會有“臨時抱佛腳”的心態，靠著考前突擊過關。這種單一的評價方式并不能完全反映學員的實際情況。教師應該從多個維度考查學生的能力提升情況，并采用多元化的評價方式：在知識層面，主要考查學生對基礎知識的掌握情況，其成績可以由線上的小測試和最終的期末考試兩部分組成。在能力層面，主要考查學生對知識的理解和應用，通過方向圖測量、矢量網絡分析儀的操作等相關實驗，強化學生的動手能力。在素質層面，鼓勵學生利用相關電磁仿真軟件來設計相關天線或參與教師的科研項目、申請專利或撰寫論文等。

四、結束語

基于“天線與電波傳播”的教學實踐，本文總結了該課程在教學過程中存在的授課內容多與學時不夠、學生畏難情緒明顯以及考核方式單一等問題，并對以上問題進行了思考，從教學內容、教學方法、考核方式上進行了積極探索和改革。經實踐證明，采用新的教學方式和考核機制顯著提高了學生的學習興趣、能力和素質。

作者單位：吳華寧 謝慧 趙林 潘麗 馮慧婷 海軍工程大學電子工程學院

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