通信工程專業電磁場與微波技術系列課程教學改革探索

張景貴

（湖南第一師范學院 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410205）

引言

隨著信息時代的不斷發展，作為信息主要載體的高頻電磁場與微波，不僅在移動通信、微波遙感、電磁兼容、衛星通信、軍事雷達等高科技領域獲得了廣泛的應用，而且已經深入到各行各業中[1]。此外電磁場與微波技術的基本理論又為一些交叉學科（如生物電磁學與微波化學）的生長點和探索科學研究前沿學科（如超表面與超常電磁介質等）的發展基礎。因此，與此相關聯的電磁場與微波技術系列課程被規定為高等學校電子信息工程類相關專業的基礎知識體系之一。該系列課程群主要包括“電磁場與電磁波”“微波技術”“微波電路理論分析”和“天線與電波傳播”等四門課程。由于電磁場與微波技術系列課程牽涉到高等數學的知識較多，內容廣泛、概念抽象、特別是電磁場分布和數值計算非常復雜，給教與學工作帶來了相當大的困難。因此，該系列課程可以說是通信工程、電子信息工程與電子科學與技術等相關專業的一門公認難學難教的課程。為了解決這一難題,改進教學效果,提高人才培養質量，近幾年來國內各高校在本系列課程教學改革方面做了大量研究工作，如葉宇煌提出了電磁場與微波技術系列課程的改革[2]，但其僅從理論教學模式出發提出了教學改革方案，卻沒有涉及實際的課程體系問題。歐陽義芳以史密斯圓圖（Smith chart）中的阻抗圓圖（Impedance chart）為例建立了課程教學改革項目[3]，但該論文僅僅僅針對“微波技術與天線”一門課程，沒有與電磁場與微波技術課程群體系相結合，具有一定的局限性。陳宇、白雪梅等提出以電路、電場與電波三者為主線，面向通信工程專業學生，側重研究移動通信、數據通信原理與雷達技術教學改革思想[4]。邊莉、張起晶等著重研究了電磁場與微波技術系列課程教學內容重構與優化思想[5]，但未涉及到課程體系中每門課的具體教學內容。趙春暉、張朝柱針對哈爾濱工程大學通信工程專業的實際情況，基于課程體系改革及教學內容優化方面提出電磁場與微波技術系列課程建設與改革的初步方案[6]。近年來，隨著通信工程專業升本成功，我校對電磁場與微波技術課程的改革和實踐也作了些前期探索工作，并且取得了初步教學改革效果，但作為地方師范類高校，由于升本時間不長和資金條件的限制，在教學改革經驗與資源上無法與校齡較長傳統工科高校相比。

目前國內地方高等學校電磁場與微波技術系列課程的教學改革多以關注校級、市級及省級“精品課程建設”等各類課程建設為主，并且大部分教學改革工作只針對課程體系中某門課程的教學內容和教學方式的調整，相對于整個電磁場與微波技術課程群來說，僅僅是局部優化與調整而已。本文結合傳統電磁場與微波技術系列課程特點和我校的實際情況，對該系列課程體系的構建、課程教學內容的優化與實踐教學環節等方面進行了探索，并結合當前工程應用最為廣泛的射頻微波技術實際需求提出電磁場與微波技術系列課程建設與改革的方案。通過該系列課程教學改革有助于促進電磁場與微波技術課程群理論教學與當前實踐工程相結合，提高學生對該系列課程的專業知識和技術的實際應用能力，提高整個課程體系的教學質量，從而促進我校通信工程專業特色的形成，同時對我校電子科學與技術與計算機應用專業的發展也將提供強有力的支撐與保障，并為其他高校在同類課程群建設中的理論與實踐教學改革方面提供新思路。

一、課程體系的重構及實踐教學環節的建設

電磁場與微波技術系列課程被規定為高等學校電子信息工程與通信工程等相關專業的基礎知識體系之一。該系列課程群主要包括“電磁場與電磁波”“微波技術”“微波電路理論分析”和“天線與電波傳播”四門課程以及相應的實驗和創新環節。本系列課程教學內容多，知識結構復雜，理論性強，是典型的難學難教課程。為適應當前通信工程專業應用技術型人才培養的需要,筆者擬將電磁場與微波技術系列課程內容進行了整合，并對每門課的教學課時進行適當調整。課程教學體系重構的基本原則是各課程的教學內容不重復，各課程知識點之間關系既存在相對的獨立性又具有連續性，實踐實訓環節或技能培養環節連續遞進。課程教學改革的基本目標是構建厚基礎、重能力、寬口徑、求創新的課程教學體系。調整后的電磁場與微波技術系列課程體系安排如圖1所示。本系列課程教學改革是以“微波技術”為中樞，將傳統“微波電路理論分析”更名為“微波射頻電路理論分析與設計”，并對教學內容做適當調整，將“電磁場與電磁波”和“微波技術”兩門課程的實驗教學內容單獨提煉出來，整合為一門單獨開設的實驗課程即“電磁場與微波技術實驗課程”，同時為提高學生工程實踐動手能力，新增設“微波技術與天線課程設計”。學生前期所修各門課最終將服務于后期新開設的微波射頻系統綜合實訓環節，改革后的課程體系加強了該課程群與工程實際的結合，提高學生的微波系統設計和系統優化的能力，符合地方院校通信工程專業應用技術型人才培養的目標。

在進行課程群體系結構改革的同時，筆者所在學校也非常重視相應課程實踐環節建設的開發和建設工作。2012年，隨著我校通信工程專業升本成功，電磁場與微波技術課程建設進入起步期。除將“電磁場與電磁波”和“微波技術”兩門課程列入通信工程專業必修課之外，為增強學生實踐動手能力，我校還將“射頻技術與應用”及“射頻電路課程設計”兩門實驗課程列入通信工程專業選修課。并且在專業建設經費的支持下，筆者所在學院新建了無線移動通信實訓室、購買了分光儀5套、電磁場與微波智能實訓平臺4臺、微波頻譜儀2臺、射頻微波試驗箱4臺、標量網絡分析儀2套、矢量網絡分析儀2臺，并且依托我院信號與信息處理重點學科平臺購置電磁與微波工程設計軟件CST。加強與IT企業，尤其是通信企業建立穩定的協作關系，在校內實行微波實驗室“全日制”開放，積極開辟學生第二課堂，改革教學方法與手段，取得了一定的教學效果。實踐教學工作的重點是充分利用學院現有的軟件與硬件條件，從培養學生創新能力出發，構建分層遞進式電磁場與微波技術課程群實驗實踐教學體系，即由一般驗證性實驗向綜合性實驗和設計性實驗轉型；強調實驗的開放性與突出學生的自主性；課程設計和系統設計、選做和必做實驗、課外自主開發項目和課內基本技能培養三者相互統籌，最終形成不同層次多類別的實驗教學體系。具體方案如下：第一層次為基礎知識培養,該實踐環節由電磁場與微波技術實驗課程承擔，主要包括:法拉第電磁感應定律的驗證、位移電流的測量、電磁場與電磁波的反射與折射實驗、電磁場與電磁波波單縫及雙縫衍射實驗、邁可爾遜干涉實驗、電磁波的極化實驗、微波駐波系數及反射系數測定、天線的方向圖繪制及其增益的測定。第二層次為系統設計能力提升，該實踐環節由微波與天線課程設計完成，主要包括微波有源電路及器件設計、微波無源電路及器件設計與微波天線設計。第三層次創新型實踐能力培養，該實踐環節由微波射頻系統綜合實訓環節承擔，主要工作是開發出一個基于工程設計軟件的綜合微波系統，此外還可以依托學院大學生科技創新項目與教師科研課題完成學生自己擬定的課題。

圖1 電磁場與微波技術系列課程體系結構

三、課程教學內容的優化

（一）電磁場與電磁波教學內容的優化

目前國內高校通信工程專業的“電磁場與電磁波”課程內容主要包括矢量場分析、電磁場的基本規律、靜態場及其邊值問題解、時變電磁場、均勻平面波、導行電磁波和電磁波的輻射等知識點。當前高等學校專業課程改革的基本指導思想是壓縮專業課程學時，同時強調專業基礎與突出教學重點。因此根據我校通信工程專業培養方案，筆者擬對傳統電磁場與電磁波課程內容進行了優化。將矢量場理論分析內容歸入到前期課程“高等數學”，將導行電磁波內容歸入后期課程“微波技術”，與此同時將電磁波的輻射內容歸入后期課程“天線與電波傳播”。調整后的“電磁場與電磁波”課程只保留了電磁場的基本規律、靜態場及其邊值問題解、時變電磁場與均勻平面波等內容。反映調整后電磁場與電磁波課程知識體系如圖2所示。

圖2 “電磁場與電磁波”知識體系

（二）微波技術教學內容優化

目前國內高等院校通信工程專業所開設的“微波技術”課程內容主要包括:均勻傳輸線理論（平行雙導線與同軸線）、規則金屬波導（矩形波導與圓形波導）、微波集成傳輸線（微帶線及帶狀線）、微波網絡理論、微波元器件（衰減器、功率分配與合成器、隔離器、濾波器、諧振器腔以及微波鐵氧體器件等）等知識點。為適應現代微波工程技術的發展，切實提高學生實際動手能力，筆者擬將原有的“電磁場與電磁波”中導行電磁波內容作為微波傳輸線的基礎理論嵌入到“微波技術”課程中，此外為適應現代射頻微波技術發展需求，改革后的“微波技術”課程還增加了兩個知識點，其一為微波電路CAD技術;其二為微波CST電磁仿真軟件。反映整合后的微波技術課程知識體系如圖3所示。

圖3 “微波技術”知識體系

（三）微波射頻電路理論分析與設計教學內容優化

微波射頻工程領域一個典型應用就是無線射頻識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達反射的傳輸特性，實現對目標物體的自動識別。因此，結合當前射頻微波技術工程實際需求，筆者擬將傳統的“微波電路設計”改為“微波射頻電路理論分析與設計”，在教學內容上也進行了調整，去掉與前期課程“微波技術”相重疊內容如傳輸線理論和微波網絡基礎。與此同時，為提高學生在無線射頻技術領域實際動手能力，新增加ADS射頻電路仿真設計。調整后的“微波射頻電路理論分析與設計”課程內容主要包括微波諧振電路、微波濾波器、微波放大器、微波混頻器、微波檢波器、微波控制電路以及ADS射頻電路仿真設計。改革后的知識體系將更有益于學生對無線射頻識別技術的基本知識的掌握，更符合地方院校通信工程專業應用技術型人才培養的要求。調整后微波射頻電路理論分析與設計課程知識體系如圖4所示。

圖4 “微波射頻電路理論分析與設計”知識體系

（四）天線與電波傳播教學內容優化

圖5 “天線與電波傳播”知識體系

傳統通信工程專業本科培養方案一般將天線技術教學內容合并到微波技術這門課程中，形成單獨開設課程既“微波技術與天線”。基于無線射頻識別技術發展需求，因對天線性能設計要求更高，筆者擬將傳統的“電波傳播理論”和“天線技術”兩門課程整合為“天線與電波傳播”一門課程。并且將傳統“電磁場與電磁波”課程的中的電磁波輻射與接收內容作為電波傳播基礎理論嵌入到“天線與電波傳播”課程知識體系中。與此同時在保留了原“天線技術”課程中主要經典天線理論知識如天線基本知識、線天線技術、面天線技術、寬頻帶天線技術、微帶天線技術等知識點以及 傳統“電波傳播理論”課程中介紹高中低頻電波與微波段等各個波段的電磁波傳播規律和傳播模型知識模塊，此外增加了目前廣泛應用于現代移動通信的新型天線技術既智能天線原理與設計。整合后“天線與電波傳播”課程知識體系如圖5所示。

四、教學改革的成效

2012年我院通信工程專業由專科層次升格為本科層次，與本專業人才培養方案密切相關的電磁場與微波技術系列課程建設工作按照本方案同步推進，并且取得了一些初步教學改革成效，比如在課程體系的重構及實踐教學環節中，我們基于專科層次人才培養方案的基礎上將“電磁場與電磁波”和“微波技術”兩門課程列入通信工程專業必修課，此外為增強學生實踐動手能力，我院還將“射頻技術與應用”及“射頻電路課程設計”兩門實驗課程列入通信工程專業選修課。特別是在本系列課程教學改革的支持下通信工程專業于2016年被評為湖南省普通高等學校“十三五”專業綜合改革試點項目，這是我校通信工程專業教學改革的標志性成果。此外通信工程教研室每年還多次召開“基于無線射頻技術的電磁場與微波課程改革”教學研討會，多次接納來自兄弟院校同行的參觀訪問，產生良好的社會效益。在實踐教學環節中，我院積極加強與IT企業尤其是微波通信企業建立穩定的協作關系，在校內實行電磁場與微波技術實驗室全天開放，并且開辟了電磁場與微波技術實驗第二課堂。在課程教學內容優化方面，我們建成了電磁場與微波技術軟硬件教學平臺，推動了以提高學生綜合素質和創新意識為目標的電磁場與微波技術系列課程的教學改革，建立了電磁場與微波技術新的課程體系和實踐教學模式。近期依托于湖南省普通高等學校“十三五”專業（通信工程）綜合改革試點項目，我院按照優化后的課程體系完成全部教學資源修訂工作，主要包括課件、電子教案、教學大綱、課程實驗大綱、習題庫、學習要點等等。總之，本改革實施近五年來，我院通信工程專業電磁場與微波系列課程教學質量、學生學習的主動性以及工程應用能力得到了明顯提高，取得了良好的教學效果。

結語

根據我校電磁場與微波技術系列課程的特點、教學現狀以及存在的問題，筆者對該系列課程結構體系的重構、課程教學內容的優化與實踐教學環節的構建等方面進行了研究，并結合射頻微波技術工程實際需求提出電磁場與微波技術系列課程建設與改革的方案,通過該系列課程教學改革有助于促進電磁場與微波技術課程群理論教學與當前實踐工程相結合，提高學生對該系列課程相關專業技術知識的實際應用能力，并為其他高校在同類課程體系建設中的理論與實踐教學改革方面提供新思路，讓電磁場與微波技術系列課程體系煥發出新的活力。相信通過本教學改革的實施，該系列課程教學質量和效果、學生學習的主動性以及工程應用能力會得到明顯提高。

[1]David M.Pozar.電磁場與微波工程[M].張肇儀,等譯.北京:電子工業出版社,2014.

[2]葉宇煌.“電磁場與微波技術”課程設置初探[J].高等理科教育,2003（S1）:124-125.

[3]歐陽義芳.《電磁場·微波技術與天線》課程教學的幾點體會[J].廣西高教研究,1999（3）:38-39.

[4]陳宇,白雪梅,蔡立娟,李洪祚.電磁場與電磁波、微波技術和移動通信課程群實踐環節教學改革[J].科教導刊,2016（2）:118-119.

[5]邊莉,張起晶,劉鑫,關雪梅,張莉娟.電磁場與微波技術系列課程教學內容重構[J].電氣電子教學學報,2013（4）:48-50.

[6]趙春暉,張朝柱,趙旦峰.微波工程系列課程的體系改革與教學內容優化[J].電氣電子教學學報,2008（2）:15-18.