電子信息工程專業“電磁場與微波技術”改革與實踐

摘要：“電磁場與微波技術”是中國民航大學電子信息工程專業主要專業基礎課之一。針對課程學時少、內容多、要求高的特點，結合飛機電子系統專業課程要求從頂層對課程內容進行一體化設計，優化知識結構；探索實踐“系統應用化教學、形象直觀化教學、研究討論式教學、對比分析式教學”等多種教學方法和手段，有效解決了課程理論性強、概念抽象、難教難學的問題；加強實踐教學，培養工程能力和創新思維，實現了知識、能力、素質的協調發展。

關鍵詞：電磁場與微波技術；課程內容；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0100-02

“電磁場與微波技術”是我校電子信息工程專業主要專業基礎課之一，隨著通信技術的飛速發展，載波的頻率不斷提高，其基本理論、基本概念及分析方法在現代飛機通信系統、導航系統和雷達系統的應用越來越廣泛。

2008年以來，為了適應寬口徑人才培養的需要，這門課程的學時進行了大幅壓縮，但工程教育改革和航空維修技術的發展對學生的知識和能力要求卻不斷提高。因此迫切需要對原電磁場與微波技術教學內容、教學方法和教學手段進行改革和建設，以有效解決學時壓縮與知識、能力和素質培養之間的矛盾。

一、以需求為導向頂層設計一體化課程內容，優化知識結構

2008年以來，課程由原來的80學時減少到54學時。為解決知識面寬、學時少的問題，結合專業培養目標和航空電子系統專業課程需求進行頂層設計，明確課程在培養目標中的地位和要求，在此基礎上，將課程涉及到的“矢量分析與場論、電磁場與電磁波、微波技術基礎、天線與電波”等多門課程的教學內容結合前修課程“普通物理、高等數學”和后續課程“雷達原理、通信系統、導航系統”等課程內容進行一體化設計，整合教學內容，優化知識結構。加強課程內部及與相關課程教學內容的有機聯系，使其相互支持。整合后的內容主要包括五大部分[1-2]。

1.電磁場理論的數學基礎部分—矢量分析與場論

主要講授矢量的散度、旋度和標量的梯度等概念及運算。刪除了與高等數學重復的推導和分析過程，重點講授這些運算的物理概念及其在電磁場理論中的應用。實現了“高等數學”與“矢量分析與場論”的平滑過渡，也為學習電磁場理論奠定了基礎。

2.電磁場理論基礎

傳統講授方法是靜電場、恒定電場、恒定磁場、時變電磁場、這樣需要的學時較多。

對于航空電子系統，時變電磁場比靜電場、恒定電場和恒定磁場更加重要。考慮到學生在“大學物理”中已有電磁學的基礎，因此本章主要是在介紹電磁場中的基本場矢量，積分形式的麥克斯韋方程組的基礎上，結合矢量分析重點闡述微分形式麥克斯韋方程組的各種場之間的共性和個性，重點分析理想介質中均勻平面波的傳播特性、電磁波的極化、均勻平面波在理想介質中的傳播和在不同媒質分界面上的垂直入射與斜入射，實現“普通物理”與“電磁場理論”基礎內容的無縫對接。

3.微波技術基礎

該部分是這門課程的核心內容，也是學習主要后續專業課程“飛機通信系統、無電導航系統、雷達原理與系統”的基礎。講授的內容主要包括傳輸線的分布參數、傳輸線的工作狀態、圓圖及其應用、阻抗匹配、矩形波導、微帶線、微波網絡和微波元件等內容。

該部分的內容克服了我國傳統教材重理論輕應用的問題，大量實例結合機載電子系統和實際工程應用，從系統應用角度設計教學內容。

4.天線與電波傳播

該部分內容是新增內容，在講授天線和電波基本理論的基礎上，將機載電子系統的相關知識融入教學中，如機載電子系統的各種天線的結構和輻射特性，各個系統的電波傳播特性等，以便于后續專業課程的學習。

5.電磁場與微波實驗

為加強對微波系統的認識，提高微波測試能力，開設了微波實驗課程，實驗項目主要有：微波系統的認識和調整，微波阻抗的測量與調配，電壓駐波比測量，微波網絡參量測量，定向耦合器的技術指標測量、電磁波的反射與折射等內容。盡管學時由原來的8學時壓縮到6學時，但通過合理安排實驗項目，實驗項目卻比原來增加了電磁場部分實驗（電磁波的反射、折射），以及根據實驗原理自主設計實驗步驟的實驗（定向耦合器性能指標的測量）。

表1為整合前和整合后的教學內容和學時對照表。由此可以看出，整合后的學時盡管比整合前壓縮了很多，但課程的內容卻增加了，更好地滿足了專業培養目標對知識和能力的要求。

二、合理使用多種教學方法與手段，提高授課效率和效果

針對“電磁場與微波技術”課程數學要求高、公式多、物理概念抽象、理論難以掌握、學習時易畏難等特點，探索實踐系統應用化教學、形象直觀化教學、研究討論式教學、對比分析式教學等多種教學方法和手段[3-6]，使電磁場與微波技術理論教學呈現“抽象問題具體化、靜態內容動態化、復雜問題簡單化、公式理解物理化，知識掌握系統化”的教學特色，激發了學生的學習興趣，提高了授課效率和效果。

1.系統應用化教學

結合雷達系統和通信系統的組成引入微波技術與天線的教學內容， 使學生將所學的知識形成系統概念。

結合飛機電子系統天線講授天線的結構、輻射特性和天線的極化；結合高頻通信系統天線調諧耦合器講授傳輸線的工作狀態和阻抗匹配；結合雷達天線講授波導中的管壁電流；結合通信導航系統講授各個波段電波的傳播規律和特點。培養學生利用所學理論知識分析工程實際問題的能力，使學生充分意識到“電磁場與微波技術”課程在課程體系和專業培養目標中的作用，從思想上更加重視課程的學習，激發學習的動力和熱情。

2.形象直觀化教學

針對電磁場理論抽象難懂的問題，通過自主開發虛擬仿真教學軟件（如圖1），實現了“傳輸線中行波狀態和駐波狀態，電磁波的極化，圓圖的圖解過程、波導中的場分布、天線的方向性圖”等抽象概念的形象、動態演示。加強形象化教學和直觀教學，激發了學生的學習興趣。

3.研究討論式教學

結合基本理論與工程應用實際以及學科發展的新動態和研究成果，采用提出問題、分析現象、總結規律、探討方法的方式進行教學，調動學生自主學習的積極性，培養學生探究性學習的能力，啟迪學生創新思想，促進學生知識拓展應用能力的提高。

4.對比分析式教學

將分析方法相似或分析問題相近的內容進行對比式教學，使學生加深對以往學習內容和新學習內容的區別與聯系的理解。

例如，將“導電媒質中的均勻平面波的分析方法和特性與理想介質中的均勻平面波的分析方法和特性”對比講授；“傳輸線方程及其解與波動方程及其解”對比講述；“波導中電磁波的傳播特性與雙線傳輸線中的電磁波的傳輸特性”對比講授；“鐵氧體中的左右圓極化波與電磁波極化中的左右旋極化波”對比講授等。

采用對比分析式教學簡化了分析過程，使教學內容從分散的知識點形成一個整體，加強了課程內容之間的聯系。

三、加強實踐教學，培養工程能力和創新思維

以任務或項目的形式設計教學過程，培養微波設計測試能力、計算機仿真分析能力、技術概括能力、知識更新能力、團隊協作能力和創新思維等工程素質，實現知識、能力、素質的協調發展。

投資120多萬元的微波技術實驗室已于2005年進行了設備更新，現有的微波測試系統為X波段的元件，它與目前機載氣象雷達使用的元件相同，也是3cm的矩形波導元件。借助于該系統，不僅使學生認識實際微波元件，理解微波元件的結構、原理和特性，更注重加強微波測試儀器的使用和微波系統性能的測試能力的培養。2008年，學校投入80萬元購置了電磁場與電磁波實驗設備，開設了電磁波的反射與折射，電磁波的極化、介電常數的測量等實驗。

學校設立專項基金資助開發了叭天線特性的測量和魔T（匹配雙T）特性測量等實驗項目。

從全面工程教育的角度，擬定開展課程設計，學生以3-4人為團隊，學習和使用Consol 、ANSOFT、 HFSS等專用的微波仿真工具對微波元件、天線等進行設計、仿真，最后撰寫總結報告并采用PPT答辯。從而培養學生分析問題、解決實際問題的能力，團隊協作能力和創新精神。表2為CDIO試點班開設的設計性項目。

四、結束語

“電磁場與微波技術”課程建設成果在我校“電子信息工程專業”本科生、CDIO試點班、卓越計劃試點班中得到了廣泛應用，取得了較好的教學效果，受到了學生的好評。在今后的教學中將繼續加強理論教學與工程實際及科研的密切結合，進一步提高教學質量。

參考文獻：

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[2]蔡成仁.航空無線電[M].北京：科學出版社，1992.

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[4]裘國華，李九生，申屠南瑛，等.“電磁場理論與微波技術”精品課程建設與教學實踐[J].中國電力教育，2012，（8）：51-52.

[5]張具琴，賈潔，吳顯鼎.“電磁場與微波技術”課程的改革與實踐[J].中國電力教育，2012，（8）：54-55.

[6]劉雄英.電磁場與微波技術課程形象化教學方法探討[J].實驗技術與管理，2007，（6）：104-106.

（責任編輯：劉麗娜）