黎鵬?周桐?高翔?高云霞

摘要：本文闡述了“電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)"課程教學(xué)改革的一種思路，提出了改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、建立開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)理念。硬件實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的重要手段，電磁仿真軟件是微波硬件實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)反哺理論教學(xué)，對(duì)于高校培養(yǎng)既懂場(chǎng)理論，又具備工程動(dòng)手能力的高素質(zhì)人才具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：電磁場(chǎng)；實(shí)驗(yàn)改革；仿真教學(xué)；開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）36-0182-02

“電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)”課程是本科通信專(zhuān)業(yè)學(xué)生重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程之一，電磁場(chǎng)理論數(shù)學(xué)公式繁多，概念抽象，電磁波看不到、摸不著，學(xué)生難以理解。在過(guò)去的理論教學(xué)實(shí)踐中，單靠課堂講解，很容易使學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，而且，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力，因此其實(shí)驗(yàn)課程顯得尤為重要。為適應(yīng)這一教學(xué)需要，我們開(kāi)設(shè)了涉及電磁波空間波長(zhǎng)測(cè)量、極化和二次輻射等內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)課程，以電磁學(xué)基本定律為切入點(diǎn)，用場(chǎng)方程來(lái)描述場(chǎng)分布，重點(diǎn)反映空間交變場(chǎng)的一些最基本特性，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，以實(shí)驗(yàn)反哺理論教學(xué)，培養(yǎng)通信專(zhuān)業(yè)學(xué)生具備從事天線(xiàn)、微波電路的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試和工程應(yīng)用基本能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究意識(shí)，實(shí)現(xiàn)“讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)的手段和方法研究電磁規(guī)律”這個(gè)總體目標(biāo)。

一、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

由于電磁場(chǎng)與微波類(lèi)課程理論性強(qiáng)，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的抽象思維能力，學(xué)生反映學(xué)習(xí)枯燥，因此，實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)難度較大。如何將看不見(jiàn)、摸不著的電磁場(chǎng)用形象生動(dòng)的方式展現(xiàn)在學(xué)生的面前，讓學(xué)生更好地掌握微波的基本知識(shí)和測(cè)量方法，是本門(mén)實(shí)驗(yàn)課程面臨的最大挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)多年教學(xué)實(shí)踐，我們總結(jié)出兩種生動(dòng)、直觀的教學(xué)方法，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)熱情。

1.多媒體動(dòng)畫(huà)演示

教師提前準(zhǔn)備好關(guān)于電磁場(chǎng)與微波理論相關(guān)知識(shí)的一些多媒體動(dòng)畫(huà)（視頻或FLASH等），在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，給學(xué)生播放諸如電磁波的傳播、駐波的形成、極化特性等動(dòng)畫(huà)（視頻），直觀反映電磁波的特點(diǎn)，將枯燥的電磁波理論變得生動(dòng)，既能吸引注意力，又有助于學(xué)生對(duì)抽象基本概念的理解。

2.借助Matlab、HFSS等仿真軟件

Matlab具備強(qiáng)大的計(jì)算、圖像處理功能，在電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程中，能發(fā)揮重要輔助作用。在做每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)前，可布置學(xué)生提前查找（或由教師直接給出）Matlab的代碼，將軟件仿真和硬件設(shè)備測(cè)試結(jié)合起來(lái)，既能軟、硬件互補(bǔ)，深入理解實(shí)驗(yàn)原理，又能解決微波設(shè)備價(jià)格昂貴，臺(tái)套數(shù)不足的難題。Ansoft Designer，Microwave，HFSS等電磁仿真軟件，能從不同的角度模擬天線(xiàn)等電磁元器件的特性參數(shù)、場(chǎng)分布，為教、學(xué)都提供了有力的軟件支撐。在仿真實(shí)驗(yàn)中，借助軟件可再現(xiàn)電磁波的動(dòng)態(tài)特性，包括：行波、駐波的三維動(dòng)態(tài)模擬，波導(dǎo)中電磁波的傳播和分布特性，偶極子天線(xiàn)的方向圖分布等，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生形象逼真地了解電磁波的空間分布和傳播特性，達(dá)到硬件實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)的目的。

目前，我院將微波分光儀、電磁場(chǎng)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、射頻參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)三套硬件分別結(jié)合不同的軟件，進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生對(duì)于電磁基本概念、傳播特性、場(chǎng)分布等內(nèi)容，變得不再抽象，由畏難變得充滿(mǎn)興趣，積極性得到很大提高，能積極思考、提問(wèn)，并能利用課后時(shí)間對(duì)思考題進(jìn)行軟件測(cè)試，學(xué)生對(duì)此類(lèi)課程的學(xué)習(xí)態(tài)度發(fā)生了極大轉(zhuǎn)變。

二、改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容

“電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)”課程是學(xué)生理解電磁場(chǎng)與微波天線(xiàn)技術(shù)理論的重要途徑，能有效彌補(bǔ)理論課堂講授的不足，有助于澄清理論課程學(xué)習(xí)中的模糊認(rèn)識(shí)認(rèn)識(shí)，能形象、生動(dòng)的豐富場(chǎng)類(lèi)課程的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的改革將實(shí)現(xiàn)由單純驗(yàn)證型向設(shè)計(jì)研究型轉(zhuǎn)變，建立較完善的場(chǎng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，逐步增加綜合型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的比例，增設(shè)一些學(xué)生感興趣并富有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。將電磁仿真技術(shù)應(yīng)用于場(chǎng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，將抽象的場(chǎng)問(wèn)題形象化，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體，做到“實(shí)踐檢驗(yàn)理論，理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)課程與理論課程相輔相成”。

1.對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在完成硬件實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，增加軟件仿真手段。通過(guò)硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可觀察測(cè)量到電磁波波長(zhǎng)、頻率、波腹、波節(jié)、反射、衍射、偏振、極化等電磁現(xiàn)象，深入體會(huì)邁克爾遜干涉、布拉格衍射等電磁特性，能加深對(duì)電磁波空間傳播特性的認(rèn)識(shí)和理解。與此同時(shí)，由于電磁波看不見(jiàn)，摸不著，傳播過(guò)程只能靠想象，引入Matlab軟件仿真手段，將使電磁現(xiàn)象鮮活的呈現(xiàn)出來(lái)，一目了然。學(xué)生可以從程序代碼和仿真結(jié)果圖兩方面與硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對(duì)比，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行各種函數(shù)后處理，得到所需的結(jié)果。例如電磁波的極化實(shí)驗(yàn)，硬件設(shè)備只能靠微安表感知是橢圓極化還是圓極化，引入Matlab程序，可直觀的看到電磁波傳播的過(guò)程、橢圓極化和圓極化的方向圖，與冷冰冰的儀器數(shù)據(jù)相比，Matlab的圖形具有更大的親和力。

2.對(duì)設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)，采取分小組、分功能模塊和電磁仿真軟件（Ansoft Designer、HFSS等）總體設(shè)計(jì)相結(jié)合的教學(xué)方法。結(jié)合學(xué)時(shí)，將每批同學(xué)分為若干課題小組，每個(gè)小組3-4人，由每位小組成員分工完成各個(gè)軟、硬件模塊設(shè)計(jì)，進(jìn)而組合成整體，完成整個(gè)大綜合實(shí)驗(yàn)。例如做射頻圖像傳輸實(shí)驗(yàn)時(shí)，1人做射頻前端發(fā)射機(jī)軟件部分，1人做后端接收機(jī)軟件部分，另外2人合力完成硬件部分實(shí)驗(yàn)，最終4人共同提交完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)搜集資料，小組成員討論，與教師討論完成課題期間，軟件參數(shù)、硬件傳輸?shù)戎T多問(wèn)題需要不斷調(diào)試，才能得到預(yù)期的目的。無(wú)論實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何，這都能極大的鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

傳統(tǒng)“電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)”所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為7個(gè)硬件單元驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，1個(gè)設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我們改革的做法是每個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目配以電磁仿真軟件程序，并在有限學(xué)時(shí)下減少2-3個(gè)單元性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加1-2個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，減少實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)，增加實(shí)驗(yàn)難度、深度和實(shí)用性，例如減少電磁波反射衍射、定向耦合器、振蕩器設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線(xiàn)設(shè)計(jì)等軟、硬件設(shè)計(jì)，合并兩次課時(shí)為一次（4個(gè)學(xué)時(shí)），以課題小組的形式各自分別完成一個(gè)大綜合實(shí)驗(yàn)，從硬件和軟件角度設(shè)計(jì)、完成實(shí)驗(yàn)，加大了實(shí)驗(yàn)難度，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

三、實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核要全面

實(shí)驗(yàn)課成績(jī)著重考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容的理解程度，考查學(xué)生的動(dòng)手能力和分析解決問(wèn)題的能力。因此，成績(jī)?cè)u(píng)定應(yīng)看重學(xué)生的實(shí)驗(yàn)態(tài)度、軟硬件能力、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、誤差等幾個(gè)方面，總體上呈現(xiàn)出兩頭小、中間大的正態(tài)分布趨勢(shì)。

1.預(yù)習(xí)情況

引入“仿真實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方式，有效彌補(bǔ)了課內(nèi)學(xué)時(shí)不足，將學(xué)生預(yù)習(xí)情況按比例記入總成績(jī)，提前給學(xué)生布置下一次實(shí)驗(yàn)的任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間鉆研，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理，建立好仿真軟件的模型，預(yù)料在實(shí)驗(yàn)室里可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，明確需要驗(yàn)證、觀測(cè)的現(xiàn)象、參數(shù)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)按互動(dòng)研討的方式實(shí)施，鼓勵(lì)學(xué)生勤思考，多提問(wèn)，分析在軟件設(shè)計(jì)和硬件調(diào)試測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，記錄自己的心得體會(huì)，重點(diǎn)考察學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。教師根據(jù)學(xué)生的分析問(wèn)題的能力和動(dòng)手解決能力評(píng)定成績(jī)，一是考核學(xué)生對(duì)一些常用儀器設(shè)備（示波器、選頻放大器等）的熟練使用程度，二是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，按一定比例記入總成績(jī)。

3.實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)占總評(píng)成績(jī)的50%以上，是學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的全面總結(jié)，尤其是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄和思考題的認(rèn)真程度，反映出了學(xué)生做該次實(shí)驗(yàn)的體會(huì)和質(zhì)量，所以要求學(xué)生不只是完成作業(yè)，還需把實(shí)驗(yàn)報(bào)告當(dāng)作一次科技論文寫(xiě)作訓(xùn)練，力求數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)，概念準(zhǔn)確，分析合理，文字簡(jiǎn)明流暢，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，良好的職業(yè)習(xí)慣，扎實(shí)的科技論文寫(xiě)作技能方面，都有良好的效果。

4.教學(xué)相長(zhǎng)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程前、后，鼓勵(lì)學(xué)生勤思考，多提問(wèn)，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容和教師授課提出有創(chuàng)新性、建設(shè)性的意見(jiàn)，適當(dāng)記入總評(píng)成績(jī)。

四、建立開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)不足，這是各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的一個(gè)共同的難題。由于微波設(shè)備臺(tái)套數(shù)的限制，學(xué)生分組完成“電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)”課程中的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往感覺(jué)“一次實(shí)驗(yàn)2個(gè)學(xué)時(shí)”時(shí)間不夠，如發(fā)射機(jī)、接收機(jī)實(shí)驗(yàn)，需要首先完成HFSS軟件設(shè)計(jì)，再進(jìn)行硬件的測(cè)試。顯然，2個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間不夠，因此實(shí)驗(yàn)室采取開(kāi)放的方式，方便學(xué)生根據(jù)自己的時(shí)間自由進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。教師在制定教學(xué)方案時(shí)，可設(shè)置2-3個(gè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)前先查閱資料，設(shè)計(jì)好方案， 按2-4人為一個(gè)課題組，經(jīng)指導(dǎo)教師審查實(shí)驗(yàn)方案、可行性后，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的數(shù)周時(shí)間內(nèi)，自由安排時(shí)間進(jìn)入到開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、軟件編程、系統(tǒng)調(diào)試和撰寫(xiě)報(bào)告等。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室使“電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)”課程彈性空間增大，讓學(xué)生由“被動(dòng)學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)向“主動(dòng)學(xué)習(xí)”。由于學(xué)生可自主安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自由選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間，使學(xué)生有充分的時(shí)間和自由度安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，極大的調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。實(shí)踐證明，推行實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放制度以來(lái)，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成的質(zhì)量高、效果好，學(xué)生普遍感覺(jué)收獲很大，甚至有許多同學(xué)將歷年的電子設(shè)計(jì)大賽題目拿到開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室里來(lái)做，極大鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，取得很好的收效。

“電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)改革旨在解決電磁場(chǎng)理論教學(xué)中抽象與具體的矛盾，在熟悉電磁仿真軟件的基礎(chǔ)上，鍛煉學(xué)生工程應(yīng)用中的硬件動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)課堂有效補(bǔ)充了理論課的動(dòng)手環(huán)節(jié)，融知識(shí)學(xué)習(xí)與能力發(fā)揮為一體，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，促進(jìn)了學(xué)生自主分析和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)出了大批既懂場(chǎng)理論，有熟悉現(xiàn)代電磁設(shè)備的高層次人才。目前正值4G通信大發(fā)展的契機(jī)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)密切圍繞課程知識(shí)重點(diǎn)，切實(shí)提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題和獨(dú)立工作能力奠定堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊軍，等.面向創(chuàng)新實(shí)踐的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學(xué)改革探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2009，（8）.

[2]凌丹，王薔.電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，（9）.

[3]黃冶，張建華，戴劍華.電磁仿真在場(chǎng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，（4）.

[4]劉萬(wàn)強(qiáng)，孫賢明，王海華.電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].大學(xué)物理，2012，（12）.

[5]張清河.“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)改革研究[J].中國(guó)電力教育，2013，（14）.

（責(zé)任編輯：劉翠枝）