“信息電子技術中的場與波”教學改革探討

沈長圣,孫小菡,柏寧豐

(東南大學電子科學與工程學院,江蘇 南京 210096)

“信息電子技術中的場與波”是工科電子信息類專業的一門重要技術基礎課,是在學習了“電磁場與電磁波”等課程基礎上,深入研究微波與光波領域的重要課程。其特點是理論與工程性及實踐性較強。課程的任務是使學生掌握微波與光導波的基本概念、基本理論和分析方法。其講授的內容涵蓋了微波與光導技術所涉及的各個方面的知識。

由于“信息電子技術中的場與波”所涉及的電磁波比較抽象,所以學生普遍反映比較難學。隨著教學改革的不斷深入和發展,要求學生學習的課程門數不斷增加,而總學時不變,這必然使每門課程的平均學時有所下降。本課程從64個學時壓縮到48個學時。如何讓學生面對課時少、內容多及課程難度大的現況,更好地掌握相關的微波與光導波知識,是我們目前面臨的一個重要課題。

1 課程特點

微波與光波的波長相差3～4個數量級,它們的傳播特性也是不同的。一直以來,微波與光波被分開獨立研究,處理方法也各有特點,因此微波技術和光波技術歷來被分作兩門課程。到20世紀80年代,隨著微電子、激光與通信技術的發展,微波與光波技術的交叉越來越明顯,將微波技術與光導波技術組織在一門課程中教學已逐漸成為一種實際需要[1］。

本課程是由微波技術、光波技術兩門課程合并一起的課程:主要內容包括傳輸線理論和圓圖的應用;波導理論如矩形波導、圓波導、同軸線和光波導等的物理構成及其工作原理;諧振腔的結構和特征參數等。其中場結構在三維空間分布,要求學生具有一定的空間想象能力和抽象思維能力。公式推導和計算繁多,學生需要較堅實的數學基礎。

2 教學方法改革

2009年開始,本課程進行了教學改革。具體措施是在星期一由一位資深教授主講基本概念,使學生對基本知識全面掌握;在星期四,學生分成兩個班,兩位教師分別講解公式推導、物理概念、例題講解和具體應用等等,使學生領會知識的內涵和應用。這種教學改革將微波技術與光導波技術內容真正組織在一門課程中。例如對金屬波導和介質波導的尺寸、工作模式、解法、導波模式和場分布等進行比較;對于金屬波導在確定邊界條件下求解矢量波動方程,不能用幾何光學方法處理,一般是主模工作(或少數幾個高次模工作);而對于介質波導,可用場解法、幾何光學方法處理,可多模工作;對于金屬波導,在邊界以外沒有電磁波存在,導波模的截止對應于β=0,即純橫向諧振而無縱向傳播(波矢的縱向分量為零,只有橫向分量),金屬邊界側向封閉,不可能產生能量的橫向泄漏或輻射;當波導發生彎曲和變形等不均勻性時,在其附近將產生高階模式;而對于介質波導,場充滿整個空間,在不同的區域滿足不同的條件,具有不同性質(芯區為橫向振蕩、縱向傳播;包層區為橫向衰減、縱向傳播),導波模的截止對應于β=k0n2,此時仍有縱向傳播,只是開始出現橫向泄漏或輻射,因為其為開放式結構,泄漏模和輻射模完全可能存在,不勻均性將引起能量的橫向泄漏或輻射。

本課程組由一名資源教授帶領兩位年輕教師,實現了合理的教學梯隊結構。課程組多次研究改進教學內容、教學方法、考核方式、教學管理以及教學研究等,及時糾正并規范教學中所出現的問題,使年輕教師的教學水平得到較快地提高。

3 教學手段改革

1)加強背景知識介紹

“信息電子技術中的場與波”從內容上來看,數學工具使用較多,對于先修的基礎課如“復變函數”、“線性代數”和“電磁場理論”等要求較高。由于傳輸線理論和導波場論等非常抽象,我們在講授中較多注重課程內容實際應用背景的介紹,以提高學生的學習興趣。同時鼓勵一部分學有余力的學生提前進入實驗室參加到科研工作,培養學生的自主學習能力。

2)計算機技術的應用

現在,科學計算語言,如Matlab和Math CAD等,已在大學教育和科學研究中得到廣泛應用[2］。Matlab語言提供了問題求解、模擬和實現結果的可視化的可能[3］,能使學生可深入理解導波模場的空間分布。圖1所示為用Matlab畫出了矩形波導中的場分布,由圖可以很直觀地看出場在各個方向的變化情況。

圖1 矩形波導中場分布

3)網上教學改革試驗

充分利用網絡教學來補充課堂教育,將網絡教育與課堂教育有機地融合起來。我們還開設了答疑郵箱,通過郵件與學生交流答疑,同時指導學生利用網絡資源了解本學科發展的最新動態和當前研究的熱點問題。我們已經建設了一個“信息電子技術中的場與波”課程教學網站(http:∥esr-poc.seu.edu.cn/luntan/)。

4 結語

通過對學生的調查反饋表明,學生對于教學改革是比較認可和支持的。學生的考試成績的提高也反映出學生對所學課程的理解和掌握情況。通過課程教學方法和手段的改革,激發了學生的學習興趣,提高了課堂教學效率。

[1］陳抗生.微波與光導波技術教程[M］.杭州:浙江大學出版社,2000

[2］梁振光.Matlab在“電磁場”教學中的應用[J］.南京:電氣電子教學學報,2004,26(3):105-106

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