“信息電子技術中場與波”實驗教學改革

沈長圣，柏寧豐，丁德勝，孫小菡

(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”是電子科學與技術專業的一門專業基礎課程，其任務是使學生掌握微波與光導波的基本概念、理論和分析方法。該課程的理論性強，要求學生物理概念準確，具有較強的抽象思維能力，涉及到大量數學公式和復雜的分析手段，我院該課程組曾對“微波與光導波”和“場與路理論”等相關課程教學內容進行了重新組織，采用多媒體和Matlab工程應用軟件等來形象生動地演示“場與波”。通過課程教學方法和手段的改革，提高了課堂教學效率［1，2]。但是由于種種原因，課堂教學的實例與實踐機會較少，學生也因此懷疑課程的實用性。本學期我們配合所講授的知識，設計出合適的實驗，以加深學生對所學內容的理解。

1 實驗教學的困難及對策

實驗教學中有許多現實的困難需要解決，如經費、場地和師資等問題。因此現在此專業課程很多開設的教學實驗也已不再開設。由于微波與光波的實驗儀器較昂貴［3]，學校很難配置足夠多的儀器，也難以為單獨一門專業課提供教學實驗。這在其他高校都有類似的情況［4]。我們采用的對策是:在設備套數與場地有限的情況下，增配實驗指導教師，對實驗學生編成多個小組，通過多開班次的辦法，增加學生的動手機會，做到實驗日程科學規劃，合理安排，發揮實驗室的最大效能。現在，市場上已推出的實驗套件。比較適合高校教學實驗室。我們將此與通用儀器搭配選購，在功能、指標和數量上折衷［4]。

另外，師資力量也是實驗教學的一個問題。如本校在教師工作量計算時，實驗課時是減半計算的。其實在實驗室建設初期需要投入大量時間，如實驗設計、儀器選購和實驗安排等，以及實驗過程中的儀器管理與維護等都是十分耗時耗力的事情。若學生分組實驗，又需要更多時間。而且，專門的實驗人員由于編制等原因也很難安排。我們通過選配優秀的研究生協助任課教師進行實驗指導，同時鼓勵任課教師本著對學生認真負責的教學態度，克服困難進行奉獻來加以解決。

2 實驗內容的設計

“信息電子技術中的場與波”課程內容主要包含微波與光導波兩部分，教學實驗也設計了微波系統與光波系統兩個實驗，本文以微波系統為例進行介紹。

矩形波導是一種重要的微波傳輸線，我們設計了三厘米微波測量實驗系統。其主要儀器有YS1123信號發生器、隔離器、GX2C-1功率計、YS3892選頻放大器、TC26A三厘米波導測量線和BD20A三厘米波導系統(包括同軸/波導轉換器、E-H阻抗調配器、定向耦合器、可變衰減器、匹配負載、PX16直讀式頻率計、可變短路器和晶體檢波器等)。三厘米微波測量實驗實物和連接框圖如圖1和圖2所示。

通過實驗，使學生了解微波傳輸和測量系統常用的元器件;掌握頻率/波長、波導波長、相位常數、駐波比、阻抗的測量原理和方法;掌握衰減器的衰減量和定向耦合器的耦合度的測量原理和方法。如頻率/波長的測量可以用吸收式頻率計作頻率測量，也可以用測量線或可變短路器來測量，并比較和分析各種方法的優缺點。

電磁波有行波、駐波和行駐波三種工作狀態，是課程中重要的一組概念。為了讓學生能在實際的傳輸線中，對這三種工作狀態駐波比有深入的認識，可以在圖2的終端處接不同負載，如匹配負載和短路器、被測器件等，以實現不同的工作狀態。如進行波導波長的測量，首先將YS1123標準信號發生器調到所需要的輸出頻率，仔細調節E-H阻抗調配器，使指示功率達到最大。然后圖2中的終端處接可變短路器。移動測量線探針，同時適當調整放大器的增益避免在最大輸出位置時使選頻放大器的表頭指針打表。來回移動測量線的探針，觀察傳輸線在終端短路情況下全反射的駐波分布情況。用“平均法”找出兩個相鄰的最小點位置D1和D2，即:移動探針在駐波最小點左右找出兩個具有相同幅度(由選頻放大器讀出)的位置d1和d2，然后取其平均值、即為所需的最小點位置D1，用相同的方法找出相鄰的最小點D2，如圖3所示。相鄰兩個最小點的距離即為半個波導波長，即λg=2|D1－D2|。

圖3 終端短路下駐波分布

3 結語

本文對“信息電子技術中場與波”實驗教學進行了一系列改革，并在課程中實施，使原本抽象的理論教學因有實驗變得具體而形象。同時，通過實驗過程，加深了學生對基本概念的理解，提高對理論知識的應用能力，取得了較好的教學效果。從學生實驗課上的表現來看，學生對此類課程的學習態度發生轉變，由畏難到產生興趣，積極性得到很大提高，也能積極思考提問。

［1] 沈長圣，孫小菡，柏寧豐.“信息電子技術中的場與波”教學改革探討［J] .南京:電氣電子教學學報，2010，32(4):30-31

［2] 柏寧豐，沈長圣，孫小菡.場與路理論在信息電子課程中的教學實踐［J] .南京:電氣電子教學學報，2010，32(5):16-18

［3] 莫蓓莘.規范教學實驗中心管理，追求卓越實驗教學效果［J] .北京:實驗技術與管理，2007，24(11):96-98

［4] 李高升，覃宇建，劉培國，黃紀軍.電磁場與微波實驗教學設計及其實驗室建設研究［J] .西安:高校實驗室工作研究，2010，(4):72-74