實戰化要求下《電磁場微波技術與天線》課程建設

任琳 李云鵬 于穎

摘 要：針對于培養具有信息作戰能力的工程學員，分析了工程學員開設電磁場微波技術與天線課程的重要意義，并根據課程特點，從教學內容改革和教學方法改革兩個方面，探討了電磁場微波技術與天線課程的建設思路和措施。

關鍵詞：電磁場；微波技術；天線；課程建設；信息作戰能力

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）17-0086-03

Abstract： In order to train engineering students with information combat capability， this paper analyzes the significance of the engineering students' setting up the Electromagnetic Field Microwave Technology and Antenna courses. According to the characteristics of the course， the construction thoughts and measures are discussed from the reform of teaching content and method.

Keywords： electromagnetic field； microwave technology； antenna； course construction； information combat capability

隨著戰爭電子信息化發展加快，電子對抗裝備在戰爭中的應用更能凸顯出軍事的現代化進程。而先進的微波器件在雷達對抗裝備中的應用有效地提高了雷達對抗裝備的性能，提高了部隊的戰斗力。如何加速培養適應信息戰要求的高素質新型軍事人才，爭取戰場優勢和戰爭主動權，是軍事院校必須面對的重要而緊迫的課題。

一、工程學員開設《電磁場微波技術與天線》課程的重要意義

《電磁場微波技術與天線》是我校電子對抗指揮與工程專業的一門核心專業基礎課程。主要用于電子對抗指揮與工程專業的本科教學，也用于短訓、輪訓和部隊在職培訓。它屬于專業基礎原理類課程，是電子對抗指揮與工程專業教學的通用主體課程，是聯系前面專業基礎課程和后續專業課程之間的重要樞紐。該課程決定專業學習的深度和廣度，是信息化人才培養體系與課程建設體系的重要組成部分。在當今信息化戰爭和反臺獨軍事斗爭準備的新形勢下，空軍信息作戰人才培養對本課程提出了新要求。

本課程的培養目標是：為空軍航空兵部隊培養航空信息對抗專業技術人才，具有適應多種新機型、新種類、新裝備、新技術、新理論的信息與通信工程人員，勝任電子偵察、電子干擾、對抗指揮等技術及管理工作。

綜上所述，本課程的教學內容涉及信息作戰新裝備，培養目標是空軍長遠建設急需緊缺的、復合型的航空電子對抗新型軍事人才。本課程建設的軍事需求迫切，新軍事變革提出的新問題多，建設要求高，難度大，是我軍（尤其是空軍）相對薄弱、亟待加強建設的信息作戰類課程。本課程建設的創新嘗試，對于推動空軍信息作戰課程建設具有重要的引領與示范作用，在空軍信息作戰新型軍事人才體系建設中地位重要，發展潛力大，前景廣闊。

二、根據課程特點，科學構建《電磁場微波技術與天線》課程

（一）課程特點

《電磁場微波技術與天線》主要向學員傳授電磁場與電磁波的基本原理、傳輸線理論、微波傳輸線、微波元件以及天線等體系結構。該課程教學內容具有如下特點。

1. 課程內容量大、涵蓋面廣。本課程主要包括電磁場與電磁波、微波技術和天線三大部分內容，每一部分內容都可以作為一門獨立的學科進行學習和研究，所以在教員講授和學員學習的過程中都存在一定的難度。

2. 概念抽象、理論性強、公式推導復雜。本課程中涉及到的基本概念、基本理論較多，較抽象；尤其是第一章中電磁場與電磁波的基本原理中主要討論時變電磁場的基本規律以及平面電磁波在不同媒質中的傳播特性，第三章中矩形波導中傳輸模式的場結構等都要求學員有較強的邏輯推理能力和空間想象能力；同時課程中存在大量的公式推導，要求學員有較強的數學功底。

3. 前期知識儲備要求高。學習《電磁場微波技術與天線》需要具有扎實的《高等數學》、《線性代數》、《普通物理學》、《電路理論基礎》、《模擬電路》、《數字電路》、《高頻電子線路》、《信號與系統》等課程的相關知識，是體現學員綜合運用知識的課程。

4. 后續專業基礎課和設備課的理論基礎課。《電磁場微波技術與天線》這門課程是支撐《雷達原理》、《雷達偵察原理》、《雷達干擾原理》等專業教育課程的理論基礎課，同時也為《支援干擾設備及應用》、《雷達對抗偵察設備及應用》等崗位教育課程提供堅實的理論基礎。

5. 與工程實踐聯系緊密。課程中多數理論知識都要在實際的工程應用中用到，所以要注重實驗教學環節，使學員經歷實驗和科學研究的全過程。教員一方面針對探索性的工程實際問題創設必要的情境，讓學員在觀察和體驗后有所發現、有所聯想，萌發出科學疑問；另一方面啟發學員結合工程背景，運用所學理論知識具體構建實驗任務，在完成實驗任務過程中鍛煉科學思維能力、組織計劃能力、歸納總結能力、獨立工作能力和團結協作能力。

6. 課程內容結構層次清楚。其中緒論部分主要介紹這門課程的體系結構及特點，并且在講述的過程中介紹了標量場的梯度、矢量場的散度與旋度，為后續內容打下數學基礎；第1部分是電磁場與電磁波的部分，主要討論了麥克斯韋方程組的積分形式、微分形式和相應的邊界條件以及平面電磁波在不同媒質中的傳播特性，基本概念、基本定律較多，理論性極強，存在大量的繁瑣的數學推導過程；第2部分為微波技術部分，主要討論均勻傳輸線理論、微波傳輸線和微波元件，涉及到傳輸線匹配、阻抗圓圖計算、規則金屬波導的傳輸模式及場分布的概念和特點；從工程應用的角度出發介紹了具有代表性的微波器件概念、工作原理和部分器件的設計過程等內容，是本門課程的主體部分；第3部分為天線與電波傳播部分，主要敘述了天線輻射與接收的基本原理、一些常用的天線設備及電波傳播概論等內容，是與實際工程應用和后續設備課程聯系最緊密的一章。

（二）教學內容的改革

從課程目標出發構思教學內容和教學要求，合理運用教學方法手段，積極引導學員自主學習，努力提高教學效果。使學員掌握本課程的基本原理，經歷組織實驗和開展科學研究的全過程，使教學工作更加具有針對性。在教學內容的選取，深廣度要求的確定上都要突出目的性。

1. 上好緒論課。本門課程的理論是一門古老的學科，是以麥克斯韋方程組為核心的經典的電磁場理論。由于這門課程的內容所涵蓋的定律和定理并不會隨時間變化而發生改變，這樣學員必然會感覺比較乏味。那么我們教員不能回避的問題，就是要努力激發起學員的學習興趣，增強他們主動學習的能動性。所以在課程伊始的緒論課就顯得尤為重要，教員要充分利用。在緒論課中，我們首先要通過幾個關鍵詞，結合生活中會遇到的自然現象、生活現象，戰爭實例來幫助學員理解抽象的電磁場，并說明這門課程與我們的生活、我們的機載裝備都是息息相關的。同時要介紹在電磁理論發展的過程中，關鍵時間點的代表人物以及他們的重要貢獻帶來的科技成果，要配以相應的圖片幫助學員理解。比如說隱身飛機，這種飛機就是運用現代科技手段，通過減少有效反射面積，來實現隱身的目的。這種飛機除了采用共型來減少雷達波的反射，還多在表面涂有一種吸波材料，在飛行中，它使照射來的電磁波被散射或者被吸收。這些機體設計所要達到的目的只有一個，就是在實戰中減小戰機的有效反射面積，提高戰場生存能力。再比如微波爐是如何工作的。微波爐的工作頻段是2450MHz，這個頻段是不需要授權的，利用食物內的極性分子，主要是水。在微波電磁場作用下，水就被吸引以2450MHz的頻率做振蕩，分子之間互相碰撞產生大量的摩擦熱量，微波爐就是利用這種分子之間的摩擦熱使食物得到快速的加熱。在宏觀上，我們看到了食物的溫度升高，而在微觀的過程，則是交變電磁場的能量轉換為熱能。那么為什么在微波爐加熱食物的時候不能用金屬器皿呢？這是由于趨膚效應的存在，使得電磁場不能透入金屬材料內部，也就是說微波不能被金屬材料所吸收。

2. 在上課過程中，多采用實例教學。緒論課之后就進入電磁場基本方程的學習，會遇到大量枯燥的公式和理論。之前成功的緒論課激發起的學習熱情也會被晦澀難懂的原理一點點的耗盡。所以教員要不斷的激發學員的學習熱情，活躍課堂氣氛。其實在生活中還是有很多現象是與電磁場和電磁波的特性有關的。比如說大家都在用的手機就存在天線；而我們觀看的有線電視的信號線就是雙線導波系統當中的同軸線；雨后如果馬上有太陽容易出現美麗的彩虹，這就是由于電磁波的色散產生的；3D電影就是利用了電磁波的極化特性。這些生活中的現象除了能夠激發起學員的學習積極性，還能夠培養學員積極的觀察生活并且有意識的主動思考。再比如電磁波雖然看不見摸不著，但它的很多特性我們并不陌生，移動通信一般采用的是線極化，而衛星通信則采用的是圓極化方式。通過合理的引導，學員們在學習了電磁場理論的同時，也能了解許多最新的科技動態。

（三）教學方法的改革

第二部分微波技術是重點內容，其中阻抗圓圖及其應用以及傳輸線阻抗匹配都是利用阻抗圓圖來解決實際問題，教學過程中采用啟發式教學方法，按照提出工程實際應用問題、如何分析問題、最后解決問題的教學思路進行講解闡述。將低頻電路的對應知識遷移到微波電路中，舉一反三，加深認識。

對于阻抗圓圖及其應用，采用的教學方法主要有：

程序教學法——課程的整體組織和設計，即發現工程問題的實際需要——提出問題——解決問題——典型應用。

實例教學法——引出阻抗圓圖。

互動式教學法——得到貫穿整堂課主線的反射系數的兩種表達式。

圖示法——解決等反射系數圓族、等相位線族以及阻抗圓圖的計算方法等重難點問題。

在教學過程中，以學員為主體，教員講授為主的方法展開講解。通過實例教學法，激發學員的好奇心和求知欲望，引出本節課要講述的內容——阻抗圓圖。

整節課的內容都是以前面所學過的反射系數為主線，在這里首先通過互動式教學法，得出歸一化阻抗與反射系數的關系式從而歸納總結出阻抗圓圖的概念。此時交代本次課的教學目標，課程結構，重點以及難點分布。

接下來通過互動式教學法得到反射系數的一種表達式：即與終端反射系數的關系式引出組成阻抗圓圖的前兩種圓族，等反射系數圓族和等相位線族，過程中運用了圖示法和大量的動畫演示調動學員的學習的主動性、積極性；促進學員積極思維，跟上教員思路，掌握分析問題和解決問題的方法，同時突出并解決了課程中的重難點問題。

通過課堂討論法從反射系數的另外一種表達式出發，經過簡單的公式變換，得到分別以歸一化電阻和歸一化電抗為參變量的表達式，通過賦值的方法同樣畫出軌跡圖，得到組成阻抗圓圖的另外兩個圓族：等電阻圓族和等電抗圓族，過程中還運用對比分析法討論兩種圓族的相似之處和不同之處，來加深學員的印象。

最后通過直觀教學法和歸納分析法，即運用阻抗圓圖掛圖對阻抗圓圖的結構特點進行歸納總結，使學員在頭腦中形成一個整體的效果，讓阻抗圓圖的形象由靜變動，調動學員的學習興趣，加深理解和記憶，增強直觀效果。

所謂學有所用，為了提高學員解決實際問題的能力和獨立思考問題的素質，最后以大量動畫演示的方式，并采用互動教學法講解一道阻抗圓圖的典型例題，來辨別航管應答機的三刀天線是否滿足使用要求，讓學員會根據特性阻抗、終端負載、反射系數等參數條件來完成計算，明確阻抗圓圖在工程應用中的實際用途，激發學員自己動手、動腦、動口去獲取知識，解決實際問題。

三、結束語

《電磁場微波技術與天線》課程建設不只是教學內容和教學方法兩個方面，還涉及教材、教員隊伍和教學條件等許多方面，但無論是哪個方面，課程建設的根本目的是為了努力培養高素質工程學員的信息作戰能力。在明確課程教育理念和目標的基礎上，應進一步研究和探索更為科學合理的教學內容、相應的教學方法以及有效教學手段，不斷提高課程教學水平和質量。

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