天線實驗課存在問題與教學方法改進的研究

葉志紅　李強　邵羽　廖希

摘要 為了讓學生更好地理解天線的輻射特性，同時提高學生對天線測量的實踐操作能力，開設天線實驗課并達到高效的實驗教學效果就顯得十分重要。針對傳統天線實驗課存在的問題，本文將結合科學研究技術、多媒體和網絡教學平臺，對天線實驗課程的教學方法進行改進，提高課堂教學效率，讓學生在提高天線測量能力的同時，更好地理解天線的理論知識。

關鍵詞 天線實驗課 存在問題 教學方法改進

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.02.048

1開設天線實驗課的必要性

隨著4G和5G通信技術的發展，天線對于通信質量的好壞起到至關重要的作用，其將發射端產生的電磁信號輻射出去，并在接收端進行接收。因此，對于信息與通信工程和電子信息工程專業的學生，開設天線課程十分必要。然而，天線課程涉及到大量的電磁場理論和公式推導，且天線種類繁多，結構不同，輻射機理亦不同。如何更好地講解天線知識，讓學生更容易接收和理解，是值得思考的問題。

因此，學院在制定專業培養方案時，將天線課分成兩部分進行授課，即理論課和實驗課。理論課注重講解各類天線的結構和輻射特性，而實驗課注重培養學生的動手能力，同時加深對天線理論知識的理解。目前，天線實驗課存在課時少，實驗內容不新穎以及學生缺乏積極性等問題，如何科學地解決上述問題，將是本文的研究重點。

2天線實驗課存在的主要問題

2.1課程內容和學時以及實驗室設備之間存在矛盾

目前，學院開設的“無線通信電波傳播與天線”課程共48學時，而天線實驗只占了8個學時。實際上，天線實驗課程涉及的實驗內容較多，但是受學時的限制，課程以內安排的實驗內容有限，只能根據實驗的難易程度選擇一部分進行實驗教學。同時，由于天線測量系統昂貴，受實驗經費的限制，無法滿足學生一人一套天線測量系統的需求。如何協調課程內容與學時以及實驗設備少之間的矛盾尤為重要。

2.2實驗內容缺乏完整性

目前天線實驗課程的內容均為驗證性實驗內容，而缺少設計性實驗和綜合性實驗內容，使得整體實驗內容缺乏完整性。教育部已經提出“在本科實驗教學實驗項目類型設置上，綜合性實驗、設計性實驗必須達到一定的比例”的要求，Ⅲ因此，如何合理制定實驗內容，從而培養學生的動手能力和運用知識解決實際問題能力，顯得尤為重要。

2.3考核方式不合理，無法調動學生學習的積極性

恰當的考核方式不僅能夠對學生學習情況進行評價，同時也能激發學生的學習積極性，從某種角度來講也是對學生的一種鼓勵，能提高學生學習的積極性。因此，如何合理客觀地評價學生的實驗成績就顯得非常重要。目前，天線實驗課的成績只是作為平時成績的一部分，而且考核方式主要以點名和實驗報告作為考核標準。另外，由于實驗設備少，學生需分組實驗，這樣必然會導致有些學生可以投機取巧，不主動參與實驗，而且抄襲同組同學的實驗報告，這也是抄襲現象屢禁不止的原因。如何有效評價學生的實驗課成績，提高學生做實驗的積極性，是目前天線實驗課教學面臨的一個新問題。

3實驗教學方法的改進

針對上述目前天線實驗課存在的問題，將科學研究技術、多媒體和網絡教學平臺結合起來，對天線實驗課的教學方法進行改進，從而提高天線實驗課的課堂效率以及學生做實驗的積極性，達到培養學生動手能力和解決實際問題能力的目的。

3.1調整實驗內容

由于天線實驗課學時少，因此，需在有限的學時內，合理制定實驗內容，使其涵蓋設計性、驗證性和綜合性三類實驗，且合乎邏輯。具體的實施過程可以分成三個階段：（1）天線輻射的仿真分析；（2）天線性能的測量；（3）天線設計加工與測試。

這樣調整的目的是：首先，讓學生花2個學時的時間，利用電磁場仿真軟件（例如CST），對天線進行建模，仿真分析天線輻射的空間電磁場特性以及方向圖、增益等電參數，使得學生對天線設計以及輻射特性有了全面的了解。然后，安排6個學時的驗證性實驗課，測量不同類型天線的方向圖、增益和軸比等電參數，加深學生對天線類型和輻射性能的認識。最后，安排2個學時的綜合性實驗課，選擇一種難易適中的天線進行設計并加工，然后測試天線的方向圖和增益等電參數，從而培養學生的解決實際問題的能力。不過，綜合性實驗無法在2個學時的實驗課堂內完成，因此，在課外需安排2-3個時間段對學生開放實驗室，保證學生有足夠的時間完成天線設計和加工。

3.2將科學研究、多媒體和網絡教學平臺應用到天線實驗教學

實驗課內容安排合理之后，上好天線實驗課就尤為重要。天線實驗課需要包括兩個重要環節，分別為實驗原理講解和實驗演示與學生實驗操作。

實驗原理講解很重要，否則學生只是知道完成實驗內容，而無法從本質上理解和掌握天線的輻射性能。因此，在每次實驗課之前要求學生預習實驗原理。為了督促學生進行預習，可以采用網絡教學平臺（例如對分易教學平臺）進行測試，具體實施方法是：老師預先針對實驗內容設計一套題目，然后上傳到網絡教學平臺上，然后上課之前讓學生登錄平臺進行測試并評分，并以此作為實驗成績的一部分，這樣可以提高學生做好預習的積極性。在講解天線實驗原理時，為了避免讓學生去理解繁雜的理論推導過程，可以將科學研究技術融入進來，例如可以采用時域有限差分（FDTD）方法（一種高效的全波數值算法）對天線結構進行建模，并模擬得到天線輻射信號從近場區到遠場區的傳播過程，然后結合相應的圖片編輯軟件，將整個天線的輻射過程做成動畫，然后通過多媒體進行播放，這樣既能夠讓學生更容易接收和理解，同時可以節省大量的課堂講課時間，留出更多的時間用于實驗操作。

實驗原理講解完成之后，需要學生進行實驗操作。在學生開始實驗之前，老師有必要給學生演示一下，一方面是通過演示的過程可以給學生講解實驗操作步驟，另一方面是，通過演示，讓學生了解有哪些地方或者細節需要注意，同時有必要提醒學生在實驗時需注意操作安全以及實驗操作規范。在學生實驗操作過程中，由于學生是分組實驗，為了避免一些學生不參與實驗，老師應在各組之間多走動，督促學生積極參與實驗。另外，在檢查學生的實驗結果時，不只是檢查測量數據，還可以通過提問的方式，讓學生加深對天線測量和天線性能的理解和認識，例如，實驗采用的哪種天線測量方法，實驗測量的是哪個面的方向圖，等等。

3.3改進考核方式

考慮到學生對實驗成績比較關注，考核方式會直接影響到學生做實驗的積極性。因此，需要對天線實驗課的考核方式進行改進，能夠從多方面綜合評價學生的實驗成績。

實驗成績按照百分制來算，具體可分為4個部分：第一部分為考勤，占實驗成績的10%；第二部分為預習，通過網絡教學平臺可以很方便地進行管理，占實驗成績的10%；第三部分為實驗操作技能，主要考察學生對實驗的態度、參與實驗情況、儀器操作熟練程度、回答問題情況等，占實驗成績的40%；第四部分為實驗報告撰寫和數據分析，主要考察學生撰寫報告的能力、分析問題和解決問題的能力，占實驗成績的40%。

4小結

開設天線實驗課，能夠讓學生更容易理解和掌握天線的理論知識，同時培養學生的動手能力和解決實際問題的能力。針對傳統天線實驗課存在的學時少、實驗內容缺乏完整性以及學生實驗積極性不夠的問題，本文通過對實驗內容進行合理調整，將科學研究、多媒體和網絡教學平臺應用到天線實驗教學來提高教學效率，并對課程考核方式進行改進來激發學生的積極性，對天線實驗課的教學方法進行改進，從而提高天線實驗課的課堂教學效果。