張銀蒲

（唐山學院 信息工程系，河北 唐山063000）

一、引言

“電磁場理論”是通信工程必修的專業(yè)基礎(chǔ)主干課程，與“微波技術(shù)”“天線技術(shù)”“射頻通信電路設(shè)計”“射頻識別”等課程構(gòu)成了無線射頻方向課程群。從課程設(shè)置角度來看，該課程群課程為相關(guān)場技術(shù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)，是通信專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。射頻類課程主要涉及源與場的關(guān)系，不僅涉及時域和頻域，還涉及空域和極化，而且課程群相關(guān)課程均具有濃厚的高等數(shù)學與物理學色彩，對于學生空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力要求較高。由于學生頭腦中固有的電路分析習慣，再加上場理論的抽象性，這些課程內(nèi)容理解起來異常困難，繁雜的公式使很多學生失去了學習興趣，因此歷來被通信專業(yè)學生稱為“天書”，被公認為是教師“難教”、學生“難學”的課程［1］。解決教與學的“兩難”問題，必須改革教學方法，開發(fā)與課程群課程相關(guān)的實踐項目。

二、轉(zhuǎn)變教育思想和教育觀念，制定新的教育教學方案

課程改革小組根據(jù)學校人才培養(yǎng)定位，結(jié)合通信專業(yè)培養(yǎng)目標，經(jīng)過調(diào)研討論對培養(yǎng)方案進行合理修訂，將通信專業(yè)原有的微波方向整合為順應(yīng)時代發(fā)展的短距離無線通信方向，相應(yīng)課程也進行了調(diào)整：刪掉擴頻通信、遙感原理、現(xiàn)代數(shù)字音頻技術(shù)，改換為與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的短距離無線通信技術(shù)、射頻識別技術(shù)的內(nèi)容，增強了工程性。同時對原有教學大綱經(jīng)仔細分析與討論適時調(diào)整課程內(nèi)容，以達到明確數(shù)學基礎(chǔ)、減少與大學物理學、電磁學的重復、強調(diào)物理概念、結(jié)合現(xiàn)代科技成果進行教學的目的。將無線射頻方向多門課程內(nèi)容整合為一個系統(tǒng)的整體，有利于學生更好地掌握相關(guān)理論知識，提高工程能力。［2］

三、理論教學改革

（一）教師教學思路的改革

調(diào)整教學思路，精心設(shè)計教學過程，活躍課堂氣氛是提高課堂教學效果的關(guān)鍵。如何在較少的課時內(nèi)，更好地完成教學任務(wù)，獲得理想的教學效果，確實需要教師做出努力，課程改革小組對此進行以下改革。

1.上好緒論課，激發(fā)學生的學習興趣

講授射頻類課程時，尤其是作為其理論基礎(chǔ)的“電磁場理論”，可在緒論中講授場技術(shù)的發(fā)展過程、科技成果以及典型的代表人物等，激發(fā)學生對射頻技術(shù)的學習興趣；以現(xiàn)實生活中摸得著看得見的微波爐、磁懸浮列車、隱形轟炸機等給出射頻技術(shù)在工程中的應(yīng)用，增強學生學習射頻類課程的動力和興趣，充分調(diào)動他們的學習積極性。［1］

2.注重數(shù)學與物理概念的有效結(jié)合

公式推導應(yīng)充分強調(diào)物理概念，著重傳授給學生分析和解決問題的思路和方法。例如，在講解Maxwell方程組時，應(yīng)對全電流方程、電磁感應(yīng)定理、磁通連續(xù)性方程和高斯定理這四個方程的物理意義進行全面的闡述。

3.引導發(fā)現(xiàn)法

在教學過程中對學生提出這樣的問題：任何天線、任何輻射系統(tǒng)都不可能輻射出均勻平面波這種“波形”，而人們還是以均勻平面波作為入門的向?qū)?，這是為什么呢？從這一點引發(fā)出去，可以對學生有頗多啟迪：（1）科學的思維方法。如何建立既是充分簡化而又沒有丟失其物理本質(zhì)的物理模型。（2）思維的靈活性。不去討論平面波如何產(chǎn)生，而是討論這種波形一旦建立在無限的宇宙空間里，是否允許它繼續(xù)存在，以何種方式存在下去。

4.注重創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

例如，在進行“平面電磁波傳播”的教學時，讓學生依據(jù)電磁波中電場和磁場的關(guān)系公式，大膽假設(shè)介電常數(shù)和磁導率同時為負時，直接從麥克斯韋方程出發(fā)在理論上得到了電場、磁場和波矢量的左手關(guān)系。而通常的介質(zhì)，這三者的關(guān)系是右手關(guān)系，這時再設(shè)問是否存在這種左手關(guān)系的介質(zhì)。實際上左手介質(zhì)或負折射率介質(zhì)在自然界中是不存在的，但人工合成的左手介質(zhì)（負折射率介質(zhì)）已經(jīng)得到了實驗證實，被美國《科學》雜志評為2003年的十大科技突破之一，2006年基于左手介質(zhì)設(shè)計實現(xiàn)的電磁波隱形又被美國《科學》雜志評為年度十大科技突破之一。目前，左手介質(zhì)是電磁學界和科學界非常熱門的研究前沿，并可能應(yīng)用到亞波長分辨、電磁波隱身等技術(shù)中。通過這些引申和介紹，既激發(fā)了學生的想象能力，活躍了思維，又提高了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力，取得了非常好的教學效果。［3］

（二）教學方法改革

教學方法是實現(xiàn)教育目的完成教學任務(wù)的基本手段，對于教學的成敗、學生智力的發(fā)展都起著重大作用，因此，在教學過程中大膽嘗試采用各種教學方法。

1.用類比法加深學生對基本概念的理解是提高課堂教學效果的有效途徑

對結(jié)構(gòu)相似的定理、定義與公式，例如，電磁場理論中矢量的散度與旋度的比較、真空中靜電場與靜磁場的特性比較、介質(zhì)中電磁場特性比較等內(nèi)容；微波技術(shù)中矩形波導、圓波導內(nèi)容；天線技術(shù)中電基本振子天線、短振子天線、對稱振子天線的電參數(shù)。通過類比列出表格，對比相似點與差異點，以加深學生對概念的理解與記憶。

2.把握知識的主干脈絡(luò)是培養(yǎng)學生深入掌握知識的有效途徑

傳統(tǒng)教學方法基本上是圍繞單一課程進行講解，缺乏對知識體系的整合，知識系統(tǒng)性較差。在射頻類課程的教學中，教給學生物理定義是相對簡單的，但真正要使電場、磁場這兩個概念在學生頭腦中建立并與通信系統(tǒng)結(jié)合起來并不是容易的事，這就需要找到射頻方向課程群的主干脈絡(luò)。縱觀課程群，發(fā)現(xiàn)相關(guān)課程內(nèi)容均與場技術(shù)有關(guān)，而天才的數(shù)學家對場理論進行了數(shù)學描述，總結(jié)出了麥克斯韋方程組，相關(guān)課程均為場理論的應(yīng)用。因此，麥克斯韋方程組即為射頻方向課程群的主干脈絡(luò)，相關(guān)課程與這一主干有著千絲萬縷的聯(lián)系。

“電磁場理論”課程以三大實驗定律和兩個基本假說為基礎(chǔ)，歸納總結(jié)出宏觀電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律——麥克斯韋方程組，然后再討論靜態(tài)場、時變電磁場與電磁波的傳播與輻射特性。微波、天線和電波傳播的共同基礎(chǔ)是電磁場理論，三者都是麥克斯韋方程在不同邊值條件下的應(yīng)用。射頻電路設(shè)計解釋了隨著頻率的升高，系統(tǒng)分析由路技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳黾夹g(shù)的原因，該課程不僅將基于場技術(shù)的電磁場理論、微波技術(shù)、天線技術(shù)的理論與實踐相聯(lián)系，更將路技術(shù)與場技術(shù)進行了有效結(jié)合。射頻識別將場技術(shù)真正應(yīng)用到了通信系統(tǒng)的分析與設(shè)計。

這樣射頻方向課程群相關(guān)課程以麥克斯韋方程組為主線，從基礎(chǔ)理論到電路實現(xiàn)再到通信系統(tǒng)的設(shè)計，形成不可分割的整體。在授課過程中以無線通信系統(tǒng)為例，以信號流動為主線，針對不同課程內(nèi)容，選取恰當案例，進行多層面、側(cè)重性的講解，到課程群課程結(jié)束時，使學生多層面、多角度掌握射頻知識，理解場技術(shù)中各課程在通信系統(tǒng)中的地位和作用，真正做到從本質(zhì)上掌握射頻理論知識及其在實際工程中的應(yīng)用。

在場技術(shù)的教學中只要把握住主干脈絡(luò)，就可以把前修和后續(xù)課程有機地結(jié)合在一起，不僅可以幫助學生建立比較完整的知識體系，而且能逐步培養(yǎng)和提高學生理解問題、思考問題的能力，這在由應(yīng)試教育向能力教育轉(zhuǎn)化的今天是尤其必要的。再通過實踐教學，就可以減輕學生對場類課程的畏懼心理，教學效果得到提高。

3.教學手段的改革

麥克斯韋方程是經(jīng)典電磁理論的核心，包括積分與微分兩種形式，這兩種形式是通過高斯散度定理與斯托克斯定理聯(lián)系在一起的，由此從過去單一的時變觀念擴展到時間與空間的統(tǒng)一觀念。在授課過程中，尤其在涉及時間和空間時，理論分析圖形多為建立在球坐標系和柱坐標系的三維立體圖形，講課過程中很難用板書作圖，普通的電子課件亦很難將圖形準確地展現(xiàn)出來，用多媒體軟件可以形象地演示波的運動，形象生動，使抽象的問題具體化，極大地提高了學生的學習興趣。［4］

由于射頻類課程教學信息量大、教學進度快，學生在聽課時思維處于持續(xù)緊張狀態(tài)，缺乏足夠的時間對講課內(nèi)容理解、消化、吸收。教學中在講解重要公式、定理及推導時，采取先用課件快速瀏覽以明確思路，再與學生一起在黑板上按步驟推導以加深理解的做法。

教學手段上，采用板書、多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)教學平臺、軟件仿真相結(jié)合的方式，發(fā)揮各自教學優(yōu)勢，營造一個輕松愉快的學習環(huán)境，取得較好的教學效果。

三、實踐教學改革

射頻方向課程群課程具有理論性和工程實踐性強的特點，課程組通過以下教學方法的改革和實施來提高學生的實踐能力。

（一）把實踐教學引入課堂

實踐教學一般在實驗室進行，現(xiàn)在我們把實踐教學引入課堂是指講解理論的同時增加工程應(yīng)用背景，把有代表性的虛擬實驗引入課堂。如在緒論課中播放介紹射頻技術(shù)工程應(yīng)用的視頻，在電子教案中展現(xiàn)工程應(yīng)用的圖片，大量介紹射頻技術(shù)的應(yīng)用，展示實物模型，通過示范實驗演示天線的方向性。虛擬實驗主要是通過一些軟件和虛擬儀器在計算機中進行實驗的仿真。這樣既驗證了教師在課堂講授的理論知識，讓學生加深印象，從而拉近學生和課本中冗長推導的公式之間的距離，加強對場技術(shù)的感性認識，消除學生的畏懼心理，又會提高學生的課堂學習興趣和對后續(xù)實驗室教學的興趣。［5］

（二）開展有趣的應(yīng)用性設(shè)計

通過開設(shè)創(chuàng)新選修學分、課外競賽，鼓勵學生進行更復雜的應(yīng)用通信系統(tǒng)的設(shè)計。在此過程中，學生經(jīng)歷器件選擇、安裝和調(diào)試，最終能把信號發(fā)射成功，從中體驗成功的喜悅，這是學生自我激勵的最佳方式之一。之后，學生自然而然地就會為如何增加發(fā)射距離而積極思考，無形中就可以激發(fā)學生主動學習的積極性。與通過示波器觀察電路波形相比，同學們更喜歡通過自設(shè)通信系統(tǒng)成功發(fā)射的聲音或圖像信號。

（三）“兩化”“三變”實驗教學方法的改革

課題組結(jié)合相關(guān)課程特點開發(fā)出適合通信專業(yè)學生的驗證性、設(shè)計性、綜合性、開放性實驗。

1.實驗教學體系系統(tǒng)化、層次化

從系統(tǒng)目標出發(fā)建立層次化的實驗架構(gòu)，使學生變被動為主動，有的放矢、完整系統(tǒng)地構(gòu)建自己的知識和技能體系，增強學生在設(shè)計上的全局觀念，能夠站在系統(tǒng)的高度理解實驗項目的功能、性能和設(shè)計方法。

2.變被動接受為主動探究

在實驗中除達到應(yīng)知應(yīng)會的基本要求外，還增設(shè)了擴展要求和學生自主探究環(huán)節(jié)，這樣既可以達到學生普遍受益的教學目標，又為優(yōu)秀學生提供了廣闊的探索和發(fā)揮空間，充分體現(xiàn)了“以人為本，因材施教”的教學理念。

3.變孤立實驗為系統(tǒng)融合

建立課內(nèi)外相結(jié)合的層次化、模塊化的實驗教學體系，實現(xiàn)模塊化實驗與設(shè)計性、綜合性實驗的銜接與融合貫通，達到實踐教學體系的系統(tǒng)優(yōu)化。

4.變教師包辦為學生自主選擇

采用目標驅(qū)動式教學策略，讓學生根據(jù)自己的實際情況和興趣選擇確定自己的開放性實驗題目。

根據(jù)最新修訂的教學大綱，編寫實驗指導書和報告冊。同時，將合作性學習模式引入實驗教學。學生按照不同的實驗題目組成實驗小組，培養(yǎng)學生的團隊意識和溝通能力，以提高他們的綜合素質(zhì)。

“兩化”“三變”的實驗教學方法，使學生對理論知識的理解更透徹，工程能力、綜合素質(zhì)都得到了提高。

四、結(jié)語

射頻方向課程群課程具有理論性和工程實踐性強的特點，課程組通過以上教學方法的改革與創(chuàng)新，使學生的實踐能力、創(chuàng)新能力、理論與實際相結(jié)合的能力都得到了很大提高。

［1］田雨波，張貞凱.“電磁場理論”教學改革初探［J］.電氣電子教學學報，2008，30（1）：11－13.

［2］杜國宏，曹俊友.基于CDIO的電磁場與微波技術(shù)類課程教學改革探討［J］.電氣電子教學學報，2009（S1）：52－53.

［3］董建峰，徐鍵.“電磁場與電磁波”課程的教改實踐［J］.中國電力教育，2010（1）：127 129.

［4］宋鐵銳，月華，雷龐，等.用Flash制作《微波技術(shù)基礎(chǔ)》教學課件［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2006（9）：23 －26.

［5］田雨波，張貞凱，解志斌.基于Matlab的電磁場理論之可視化教學研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（20）：90－92.