“電磁波與天線”課程“三位一體”實踐教學(xué)改革探討

朱衛(wèi)剛 薛紅 曹文權(quán)

［摘 要］ 高等教育教學(xué)改革的本質(zhì)目的是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。實踐教學(xué)作為高校工程教育的主陣地，是確保高校工程教育質(zhì)量和提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?！半姶挪ㄅc天線”課程理論性強、公式繁雜、概念抽象，實踐教學(xué)對于形象展示抽象理論知識和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面具有獨特作用和優(yōu)勢。聚焦學(xué)生電磁工程實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，分析了課程實踐教學(xué)現(xiàn)狀和問題，探討了基于基礎(chǔ)理論驗證、模型虛擬仿真、實物效能評測“三位一體”的電磁工程實踐教學(xué)改革與創(chuàng)新，給出了實踐教學(xué)改革的典型案例，對于其他電磁類課程實踐教學(xué)改革也具有借鑒意義。教學(xué)實踐表明，基于“三位一體”的電磁工程實踐教學(xué)有力推動學(xué)生在全國和校內(nèi)創(chuàng)新競賽中取得優(yōu)異成績。

［關(guān)鍵詞］ 電磁波與天線課程；實踐教學(xué)；三位一體

［作者簡介］ 朱衛(wèi)剛（1971—），男，河南滎陽人，碩士，陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院學(xué)院副教授，主要從事電磁場與微波技術(shù)教學(xué)與研究；薛 紅（1981—），女，安徽合肥人，碩士，陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院副教授，主要從事電磁場與微波技術(shù)教學(xué)與研究；曹文權(quán)（1985—），男，江西大余人，博士，陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院副教授，主要從事電磁場與微波技術(shù)教學(xué)與研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-07-08

高等教育教學(xué)改革的本質(zhì)目的是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。新工科作為高等教育“緊缺人才培養(yǎng)”的重要抓手，是構(gòu)建中國特色、世界水平的工程教育體系，加快推進中國從工程教育大國走向工程教育強國的重要舉措。實踐教學(xué)作為高校工程教育的主陣地，深化實踐教學(xué)改革是確保高校工程教育質(zhì)量和提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1-2］。

一、課程的基本情況

“電磁波與天線”課程作為筆者所在院校新工科專業(yè)的重點建設(shè)課程，是分析和研究現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域中各類電磁問題的理論基礎(chǔ)。隨著先進教育信息技術(shù)的發(fā)展，課程近幾年的教學(xué)模式發(fā)生了很大變化，MOOC、在線課程、微課、SPOC教學(xué)、智慧教學(xué)等方式逐漸走進課堂教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法也隨之改革，新工科專業(yè)建設(shè)所面臨的新形勢和新要求，推動了實踐教學(xué)改革向縱深發(fā)展。

（一）課程歷史沿革

在2014年之前，筆者所在院校的電磁類核心課程包括“電磁場與波”“天線與電波傳播”“微波技術(shù)基礎(chǔ)”等三門課程，要在兩個學(xué)期完成教學(xué)，課程教學(xué)內(nèi)容多，時間跨度長。隨著院校教育和人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變，電磁類課程體系也隨之發(fā)生變化，理論教學(xué)內(nèi)容進行了融合和優(yōu)化，對實踐教學(xué)條件進行了重新配置，并在國內(nèi)首次設(shè)置了電磁類的唯一專業(yè)核心課“電磁波與天線”。

（二）課程實踐教學(xué)內(nèi)容體系

“電磁波與天線”課程以“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”和“電路分析”等作為先導(dǎo)課程，為“通信原理”“微波通信”“衛(wèi)星通信系統(tǒng)”等專業(yè)課程提供專業(yè)基礎(chǔ)理論，成為筆者所在院?，F(xiàn)階段最為重要課程之一，在新工科電子與科學(xué)技術(shù)、通信工程專業(yè)課中起到承上啟下的作用。課程實踐教學(xué)內(nèi)容體系包括電磁場理論實驗、傳輸線與微波路實驗、天線與電波傳播實驗三個部分，貫通電磁波從發(fā)射、傳播、接收的全過程，全面培養(yǎng)學(xué)生電磁信息素養(yǎng)和工程實踐能力。

（三）課程實踐教學(xué)面臨的問題

由于課程內(nèi)容知識模塊多且公式繁雜，概念抽象不易理解，原有課程實踐教學(xué)與電磁理論的聯(lián)系存在脫節(jié)現(xiàn)象，學(xué)生動手實驗的參與度和積極性不高，對于典型的電磁工程問題探究缺乏興趣，實踐教學(xué)的效果得不到體現(xiàn)，具體問題表現(xiàn)為以下五個方面：一是面對課程抽象內(nèi)容和繁雜公式，實踐教學(xué)方法單一，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，自發(fā)學(xué)習(xí)電磁理論的內(nèi)在動力不足，導(dǎo)致理論學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用脫節(jié)；二是實踐教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)目標(biāo)與崗位任職關(guān)聯(lián)的不夠緊密，缺乏電磁工程應(yīng)用領(lǐng)域的針對性內(nèi)容設(shè)置；三是實踐教學(xué)考核缺乏形成性考核評價，最終考核以提交實驗報告為主，影響了電磁工程實踐能力生成的定量判定；四是實踐教學(xué)中個性化的實驗項目偏少，學(xué)生動手鍛煉的機會不足，而且項目實踐的時間偏短，不利于創(chuàng)新能力培養(yǎng)；五是電磁工程應(yīng)用背景需求定位不準(zhǔn)，軟件虛擬仿真支撐偏弱，對于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題所需的綜合能力形成了限制。

二、課程實踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新

針對實踐教學(xué)的這些問題，聚焦了新工科建設(shè)和發(fā)展的需求，按照“打牢基礎(chǔ)實驗，突出虛擬仿真，強化應(yīng)用拓展”的思路實施教學(xué)，構(gòu)建了“三位一體”電磁工程實踐教學(xué)平臺，著力實現(xiàn)“基礎(chǔ)理論驗證”“模型虛擬仿真”“實物效能評測”三步走的目標(biāo)，形成了學(xué)員思維活躍、師生溝通順暢、創(chuàng)新能力目標(biāo)明確的實踐教學(xué)氛圍［3-4］。

（一）優(yōu)化實踐教學(xué)內(nèi)容體系

新工科專業(yè)建設(shè)提出了工程教育要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。課程將實踐教學(xué)內(nèi)容按照基礎(chǔ)理論驗證實驗、虛擬仿真實驗、實物制作及效能評測實驗三個難度等級劃分，包括電磁場、傳輸線及微波電路和天線實驗三大類模塊，貫通電磁波從發(fā)射、傳播到接收的全過程，學(xué)生通過闖關(guān)升級式實驗項目的檢驗，電磁工程實踐創(chuàng)新能力也逐級提升。

（二）探索“虛實”結(jié)合教學(xué)方法

實驗室是實踐教學(xué)的主陣地，電磁虛擬仿真技術(shù)進步為實踐教學(xué)采用“虛實”結(jié)合的教學(xué)方法提供了有力條件［5-7］。實踐教學(xué)要以理論基礎(chǔ)為先導(dǎo)，學(xué)生動手實驗前，必須掌握好理論基礎(chǔ)，才能做到理論與實際相結(jié)合，才能達到創(chuàng)新能力的提升，否則實驗過程只能是走馬觀花，流于形式。實踐教學(xué)也可以將理論教學(xué)中的問題牽引式、案例式等教學(xué)方法引入，結(jié)合虛擬仿真和實物演示，把抽象概念形象具體化，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和電磁工程實踐能力。此外，利用網(wǎng)上教學(xué)平臺，將實踐教學(xué)資源課后推送線上，緩解課堂課時不足帶來的矛盾，利于學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)和實驗項目總結(jié)。

（三）健全形成性考核評價機制

傳統(tǒng)的實踐教學(xué)考核往往采用終結(jié)性考核，形式上以提交實驗報告為主，缺乏形成性考核評價，結(jié)果造成學(xué)生對基礎(chǔ)理論理解的淡化。采用形成性評價機制，有力于促進學(xué)生沉浸式體驗實驗過程，更能將理論實際結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。形成性考核評價可以將實驗項目成績細(xì)化為實驗原理、實驗步驟和實驗結(jié)果三個部分，每部分再細(xì)化為子項目成績，以利于教師量化考核，督促學(xué)生注重過程。

（四）突出學(xué)生個性化創(chuàng)新能力培養(yǎng)

基礎(chǔ)理論驗證實驗在實踐教學(xué)中處于基礎(chǔ)地位，對所有學(xué)生而言具有普遍性，每個人都需要掌握，但學(xué)生對電磁理論的理解和掌握具有明顯差異性，對電磁工程應(yīng)用的興趣點也不同，這是個性的表現(xiàn)。在培養(yǎng)電磁工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)上，通過增設(shè)不同難度等級的實驗項目供學(xué)生參與和體會，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力［8］。課程在實踐教學(xué)中，設(shè)置了三種難度等級的試驗項目，學(xué)生根據(jù)自己興趣和儲備的知識，有計劃地參與相關(guān)實驗項目，比如可以選擇虛擬仿真類項目，也可以選擇實物制作類項目。

（五）強化模型虛擬仿真及效能評測

課程實踐教學(xué)中，傳統(tǒng)的實驗項目以實物演示為主，經(jīng)常要到野外實驗場地操作，由于受到實踐場地的限制，許多實踐項目的開展受到了限制。隨著電磁仿真軟件HFSS、ADS的普及應(yīng)用，各類電磁對象的輻射特性都可進行虛擬仿真，從而給出直觀的結(jié)果，為理解電磁理論帶來了極大的方便。此外，為了對實物的特性的評測，實踐教學(xué)條件也進行了改善，建立了功能強大的微波暗室，可以對經(jīng)過虛擬仿真和優(yōu)化后的實物進行效能評測，形成電磁輻射特性的權(quán)威評價，同時也促進了理論與實際相結(jié)合，電磁工程創(chuàng)新能力得到了檢驗。

三、課程實踐教學(xué)典型應(yīng)用案例

在“電磁波與天線”課程實踐教學(xué)過程中，學(xué)生要在有限的時間內(nèi)完成實驗項目，要合理安排實踐和場地。實物類實驗項目需要在教師的指導(dǎo)下，安排合適的試驗場地和器材；虛擬仿真類實驗項目，則可以安排在課后時間，由學(xué)生自主完成。

（一）電磁波參數(shù)測量

電磁波波長及介電常數(shù)測量屬于基礎(chǔ)理論驗證實驗。實驗項目使用微波分光儀，并需要教師現(xiàn)場指導(dǎo)。該實驗?zāi)康氖茄芯侩姶挪ㄔ诳臻g傳播的反射與折射定律，利用相干波源測定空間電磁波的波長，并基于加載介質(zhì)板所形成波腹點和波節(jié)點測定介質(zhì)板的介電常數(shù)。通過實驗，學(xué)生可以沉浸式體驗電磁波反射與折射定律，并能驗證相干波源在接收點處形成波腹點和波節(jié)點的干涉效應(yīng)，加深對電磁波理論的理解。

（二）電磁波極化實驗

電磁波的極化在電磁工程應(yīng)用中是非常重要且抽象的概念，是教學(xué)中的一個難點。電磁波的極化方式描述了電磁波在空間傳播時空間某點上電場矢量隨時間的變化軌跡，有線極化、圓極化和橢圓極化等多種形式。為了在實踐教學(xué)中形象展示電磁波的極化特性，實踐教學(xué)設(shè)置了兩類實驗項目，一類采取實物形式的儀表和裝置搭建實物驗證系統(tǒng)，驗證極化匹配的概念；另外一類設(shè)置了虛擬仿真實驗項目，通過MATLAB虛擬仿真沿+Z軸方向傳播的圓極化波，形象地展示出電磁波電場矢量在空間隨時間的變化軌跡，加強學(xué)生對理論知識的理解。通過兩類實驗項目，學(xué)生既有感性認(rèn)識，又有理論推導(dǎo)，極化概念變得形象直觀，也增加了學(xué)生對電磁理論學(xué)習(xí)的興趣。

（三）天線的輻射實驗

天線是用來發(fā)射和接收電磁波的裝置。在工程應(yīng)用中，天線的方向特性是天線四大特性中最為重要的特性。由于天線的種類多樣，形狀各異，如何形象地表示天線在空間中的方向特性是學(xué)生實驗的重要內(nèi)容，在實踐教學(xué)中通常測量天線方向圖和增益指標(biāo)。

在實踐教學(xué)中，對于典型天線的輻射特性，設(shè)置了三類實驗項目，難度等級逐漸升高。其中，基礎(chǔ)理論驗證實驗采用3厘米波長天線測試系統(tǒng)，測量喇叭天線的方向性和增益。虛擬仿真實驗用于不易制作的復(fù)雜結(jié)構(gòu)天線和電大尺寸天線，可以通過MATLAB、HFSS、ADS軟件模擬天線的電磁輻射特性。實物制作類實驗用于學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，學(xué)生根據(jù)自己的興趣和愛好，采用HFSS設(shè)計天線模型，模擬輻射特性并進行優(yōu)化，然后加工制作成實物天線，最后在將實物天線架設(shè)在微波暗室中進行實物效能評測，得到實物真實的方向特性、極化特性和阻抗特性等指標(biāo)。

學(xué)生通過三類難度等級不同的實驗項目，基于基礎(chǔ)理論驗證—虛擬仿真—效能評測“三位一體”電磁工程實踐教學(xué)平臺，把所學(xué)的電磁理論應(yīng)用到實際中，既達到了實踐教學(xué)的目標(biāo)，又強化了學(xué)生解決復(fù)雜電磁問題的能力。

近幾年，隨著實踐教學(xué)改革不斷推進，更多的學(xué)生對學(xué)習(xí)電磁理論產(chǎn)生了興趣，理論與工程實際應(yīng)用結(jié)合越來越緊密，投入到創(chuàng)新項目的內(nèi)驅(qū)力不斷提升，在科技創(chuàng)新活動中取得了優(yōu)異成績。先后在校級“卓越杯”獲得一等獎6項；全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽一等獎1項，二等獎2項；全國大學(xué)生機器人大賽一等獎6項；發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。

結(jié)語

課程“三位一體”的實踐教學(xué)表明，基于基礎(chǔ)理論驗證、模型虛擬仿真、實物效能評測“三位一體”的電磁工程實踐教學(xué)，可充分滿足學(xué)生對電磁工程創(chuàng)新的需求，發(fā)揮虛擬仿真和實物效能評測的功能，將抽象難懂的概念形象化和具體化，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，促進了理論知識相電磁工程實踐能力的相互轉(zhuǎn)化。此外，對其他同類課程的實踐教學(xué)改革也有一定的借鑒意義，是提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力和解決復(fù)雜工程問題的重要舉措。

參考文獻

［1］劉鑫橋，王庚，吳津蕊.新工科的研究現(xiàn)狀、實踐進展與未來趨勢［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2021（4）：63-69.

［2］劉維尚，袁麗.新工科人才培養(yǎng)模式探索［J］.中國高等教育，2021（2）：13-15.

［3］王永華.新工科人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的三個維度［J］.中國高等教育，2021 （19）：50-52.

［4］楊慧，堵俊，顧菊平，等.論新工科人才培養(yǎng)的集成模式［J］.教育現(xiàn)代化，2020，7（56）：14-16.

［5］孫霞，郭來功，蔡俊.新工科人才培養(yǎng)的多元化教學(xué)實踐［J］.集成電路應(yīng)用， 2021，38（10）：48-49.

［6］王奇，范山崗，戴海鴻，等.面向工程能力培養(yǎng)的電子信息類專業(yè)實踐教學(xué)改革［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2020，18（6）：71-75.

［7］姜艷紅，崔承毅，秦曉梅，等.國內(nèi)外虛實結(jié)合實踐教學(xué)理念及方法研究綜述［J］.工業(yè)和信息化教育，2019（10）：1-6.

［8］王爾申，趙珩，曲萍萍，等.基于“虛實結(jié)合”的衛(wèi)星導(dǎo)航課程教學(xué)方法研究［J］.實驗室科學(xué)，2019，22（6）：74-77.

Abstract： The essential purpose of teaching reform in higher education is to improve the quality of talents. As the main field of engineering education in universities and colleges， practice teaching is the key to ensuring high quality engineering education and fostering students abilities to address complicated engineering problems. The course of electromagnetic waves and antennas covers a large number of complex formulae and abstract concepts and is highly theoretical. Practice teaching plays a unique role in this regard and is advantageous to a vivid presentation of abstract theory and the enhanced learning interests of the students. This paper focuses on the cultivation of students practice and innovation competence in electromagnetic engineering， analyzes the status quo and problems in the practice teaching of the course， explores the three-in-one reform and innovation in practice teaching of electromagnetic engineering which integrates “verification of fundamental theories， virtual simulation of models， and real-object effectiveness evaluation” into a whole， and puts forward typical cases of practice teaching reform， which can also provide a reference for the practice reform of other electromagnetic courses. As a result of our practice teaching， our students have achieved excellent performance in the scientific and technological innovation competitions held at the school and national levels in recent years.

Key words： course of electromagnetic waves and antennas; practice teaching; Three-in-One