電磁場與微波實驗教學的探索與實踐

凌 丹, 陳文華

(清華大學 電子工程系實驗教學中心， 北京 100084)

0 引 言

電磁場理論的提出和發展，使得電磁場與微波技術在雷達、通信、導航、遙感、醫學、空間研究等領域的應用不斷深入，科技的迅猛發展使得電磁場與微波技術在高等院校電子信息類的學科發展和學生培養中的作用日趨重要。

針對電子信息類知識量爆炸式增長與學生學時有限之間的矛盾，清華大學電子工程系自2008年開始進行本科生教學改革，梳理電子信息科學大類本科核心知識結構，以“信息載體與系統的相互作用”為核心概念，對原有課程體系進行歸納和凝煉，提出了基于現代學習理論的新的課程體系框架。建立了由10門核心專業基礎課、25門專業限選課和45門專業任選課組成的新體系[1]。同時進一步加強實踐教學的力度，為每門核心課配置實驗課程，還建立了實驗系列限選課組和任選課組。

在電子系進行課程改革的同時[2]，電子系實驗教學中心也在探索適應現代科技發展需要的實驗教學模式，提出了“抓兩端、促中間、建平臺”的建設思想。電磁場與微波實驗室根據電子系課程改革的思路，抓住該領域的核心理論知識，梳理實驗課程內容，本著“加強基本概念，培養專業技能，拓展綜合素質和創新能力”的建設理念，建設分層次、開放性的電磁場與微波實驗教學體系。

1 學科理論知識框架

清華大學電子工程系為本科生開設的電磁場與微波技術學科的課程有“電磁場與波”、“微波與光波技術基礎”、“射頻通信電路”和“天線原理”。

“電磁場與波”在靜電場、穩恒磁場的基礎上，引入準靜態場，并通過麥克斯韋方程組介紹時變電磁場，講解平面電磁波的傳播特點，以及極化、色散、反射、折射等特性。由電磁波在無限大空間的傳播特性介紹電磁波在有界空間，如各類傳輸線(包括同軸線、波導)和諧振腔中的傳輸特性[3]。最后介紹電磁場的輻射特性，如電偶極子和磁偶極子的輻射場[4]。

“微波與光波技術基礎”在“電磁場與波”的基礎上，從電路的觀點出發，介紹傳輸線理論，引入分布參數的概念；從場的觀點出發，運用導波理論研究各類傳輸線，包括矩形波導、圓波導、同軸線、微帶線等。“傳輸線理論”用于分析均勻傳輸線和簡單不均勻的電路問題，“導波理論”用于分析各種結構形式的傳輸線內的場的模式。而對于結構復雜的微波元件和微波電路，再引入“微波網絡”的方法，與場理論相互結合，相互補充，解決傳輸線中不均勻區的外特性問題。最后應用傳輸線理論、導波理論和網絡理論分析各類無源微波和有源微波電路的工作原理、特性和應用[5]。

“射頻通信電路”詳細講解各類有源微波電路的基本理論、分析方法和設計，如低噪聲放大器、功率放大器、混頻器、振蕩器和開關控制等微波電路。

“天線原理”介紹天線向空間輻射和接收電磁波的器件，它提供導波和自由空間波之間的轉換。課程詳細講解線天線、口面天線、陣列天線、反射面天線等幾大類天線的分析計算和特性，還介紹了天線的科研新進展，以及天線測量、電波傳播、電磁兼容等內容[6]。

以上四門理論課程，構成了完整的電磁場與微波技術學科領域的理論知識框架，讓學生可以在本科階段進行全面、系統的專業學習。

2 電磁場與微波實驗教學體系

基于以上理論課程形成的知識架構，針對該學科數學推導多、理論性強、抽象難以理解的特點和難點[7]，電磁場與微波實驗室不斷建設和完善電磁場與微波實驗教學體系，并與科研緊密結合，將實驗教學作為理論教學并行的一項重要的教授方法，注重基本技能、綜合能力和創新能力的培養[8-9]，激發學生的學習激情和創造力。

2.1 實驗模式

自電子系進行本科生教學改革以來，電磁場與微波實驗室本著“寬口徑、厚基礎、強實踐、重創新”的指導思想，對該實驗體系的內容進行梳理，從基本原理、基本元件、單元電路到微波系統，將科研方法引入到教學過程，加入探究性內容，構成一個完整、科學、開放性的體系，符合人才培養規律[10]。教學過程中，強調學生的主體地位，強調師生互動，為學生提供完善的環境和條件，師生一起探索學科知識和發展，培養學生的探索精神，建立基于教師指導下的學習模式。

2.2 實驗體系

實驗教學體系包括“電磁場與微波實驗”、“微波電路設計”和“移動終端內置多天線設計”課程，內容涵蓋了該學科領域的基礎型、研究設計型和探究型項目，立足于培養具有探索創新型的人才(見圖1)。

圖1 實驗教學體系

“電磁場與微波實驗”是電子系本科生的必修課，配合專業核心課“電磁場與波”，加深學生對該學科重要知識的理解，內容包括基礎型和設計型項目。該課程針對電磁場和電磁波的知識，采用多媒體動畫演示[11]和電磁波綜合測試儀硬件實驗相結合的方式，研究平面電磁波的傳播特性，包括極化、反射、折射，以及電磁波在自由空間、傳輸線、微波元件中的傳播特性；針對微波相關知識，通過在測量線系統和矢量網絡分析儀上的實驗內容，學習傳輸線理論、導波理論和微波網絡理論，掌握基本測量方法，如波長和駐波比的測量，阻抗測量和匹配，并研究幾類關鍵的微波電路，如帶通濾波器、功率分配器、分支線電橋、環形電橋、定向耦合器等；課程還通過ADS(Advanced Design System，先進設計系統)軟件仿真讓學生學習掌握微帶線的傳輸特性和阻抗匹配的方法。

“微波電路設計”是電子系本科生的限選課，內容側重研究設計型項目。課程選取各類無源微波電路和有源微波電路(選取低噪聲放大器)，讓學生完成從軟件仿真到硬件調試的研究設計實現過程；并以微波電路的典型應用——無線通信系統為例，研究射頻終端的發射機和接收機，加深理解微波電路的特性和應用。

“移動終端內置多天線設計”是電子系自2010年設立“實驗教學專項基金”以來征集開設的實驗教學項目，是電子信息科學前沿專題項目中的一門實驗課程。作為電子系本科生的任選課，側重于研究型和探究型項目。針對多頻無線通信系統中的應用，介紹基于移動終端內置天線的設計、實現和測量。使學生掌握天線的仿真與設計環境，設計制作滿足多頻段應用的內置小型化天線，學習天線測試的校準和調試方法，掌握天線性能指標的測試方法，了解天線方向圖在暗室中的測量原理與過程。并鼓勵學生探索研究提出自己的設計實現方案。

以上實驗課程，“電磁場與微波實驗”在強化基礎知識和方法的同時，加入基本的設計型內容，幫助學生理解掌握該領域的重要知識，為后續學習打下基礎；“微波電路設計”是將科研成果轉化為教學實踐的第一步，它從系統應用的角度，讓學生完成關鍵單元電路的設計實現，并引導學生主動思考，積極研究微波電路和系統的各類問題；“移動終端內置多天線設計”是將科研成果轉化為教學的進一步深化，引導學生進行探究性學習。

該實驗教學體系的課程與理論課程的關系見圖2，此關系基于知識層次結構，相應的課程內容并不完全局限于此。實驗體系的內容從最基本的原理知識和測量方法、關鍵的單元電路到實際應用的系統，項目類型從基礎型、研究設計型到探究型，針對不同層次學生的特點，引導他們去探究該領域的知識和發展[12]。

圖2 課程關系圖

2.3 教學方法

(1) 實驗課程中采用引導、討論、開放的方式。堅持學生的主體性，教師起重要的引導作用。學生從教師這里獲取的絕大多數沒有唯一的標準答案，只有更多的思考。學生和教師一起研究解決問題的更好方法，并付諸實現。在設計研究型和探究型實驗項目中，學生根據自己的興趣點，可以在給定范圍內，也可以在范圍之外，選擇電路類型，選擇電路結構進行設計實現。并且，實驗室采用全開放管理[13-14]，學生提前預約即可來實驗室完成。

(2) 注重基本能力、綜合能力和創新能力的培養。在實驗教學中，我們一直重視扎實的根基，這是重要的前提，也是本科階段培養學生的重要目標之一。在這個基礎上，再通過引導、開放式的實驗內容，讓學生學會自己去查閱各類資料，了解學科發展情況和前沿[15]，并盡力提供各項硬件和軟件條件讓學生去嘗試，提出自己的想法并進行實踐，在不斷地實踐再實踐的過程中，真正培養提高綜合能力和創新意識[16]。

(3) 實驗教學與理論教學相互配合相互促進。理論課教師和實驗教學教師之間溝通交流，并共同參與，從而促進實驗課程建設。這樣才能使得學生利用各項資源去充實和發展自己，理解學以致用，激發學習主動性，從而達到有所思考并逐步提升其探究能力。

(4) 將先進的科研成果轉化為實驗教學。實驗教學與科研緊密結合，努力促進各項條件的成熟從而將科研成果轉化為實驗內容。讓學生在本科階段通過多種途徑去感受科研的魅力，從而對學習提出更明確的方向，并且更加主動的學習。

3 結 語

電磁場與微波實驗教學體系自2002年至今已經應用11年，并緊跟科研發展和人才培養的需要不斷改進，“移動終端內置多天線設計”課程即將投入運行。課程每年接納學生約300人，教學在清華大學教學評估體系中得到學生的好評，學生普遍反映課程對于他們學習理解學科知識，了解學科發展，提高實踐能力和綜合素質起到了重要的作用。該體系的建設先后獲得清華大學2004年教學優秀成果獎、2008年教學優秀成果獎、2010年第十一屆實驗技術成果獎。電磁場與微波教學 實驗室作為電子系實驗教學中心的重要組成部分，作為重要的交流窗口，獲得國內外高校同行和知名企業的高度評價。

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摘要

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