射頻電路探索性實驗教學改革與實踐

王 云, 陳付昌, 鄧洪波, 褚慶昕, 李 磊

(華南理工大學 電子與信息學院, 廣州 510640)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)不斷發(fā)展，電磁場與微波技術(shù)學科在雷達、通信、導航、遙感、 醫(yī)學、空間研究等領(lǐng)域的應用不斷深入，使得射頻技術(shù)系列課程在高校電子信息類的學科發(fā)展和學生培養(yǎng)中的作用日趨重要。

對于研究型大學來說，實驗教學內(nèi)容與科研緊密結(jié)合更有利于學生創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)[1-7]。而探索性實驗作為一種開放式的教學實驗方法，能幫助學生初步掌握科學研究的基本過程和基本方法，為高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)創(chuàng)造良好的環(huán)境條件[8]。

因此，為了適應21世紀知識經(jīng)濟對高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的巨大需求，配合學校構(gòu)建一流高校人才培養(yǎng)體系的目標，以課程組的國家自然科學基金項目“小型平面多頻射頻濾波器研究”為依托，結(jié)合國家級精品課程和國家級資源共享課程“射頻電路與天線”的實際情況，將教師的優(yōu)秀科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容，開發(fā)射頻電路探索性實驗，讓學生了解學科的前沿和創(chuàng)新的過程，體會創(chuàng)新的思維，提高學生的創(chuàng)新能力。

1 射頻電路傳統(tǒng)實驗改革遇到的困難

射頻電路與天線課程的特點是涉及數(shù)學知識多、理論性強、概念抽象，普遍被認為是難教、難學的課程。目前國內(nèi)只有部分高校開出了射頻微波的專業(yè)課程，相應的實驗課程大部分都是驗證性實驗為主。近年來為了適應培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的需求，清華大學、北京郵電大學、華南理工大學等高校陸續(xù)對射頻微波的實驗教學開展了改革與探索[9-12]，增加了設(shè)計、綜合性實驗項目，但由于反映專業(yè)前沿性和先進性的實驗教學內(nèi)容仍然相對較少，學生創(chuàng)新意識和能力沒有得到鍛煉，在培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面發(fā)揮的作用仍然有較大提高的空間。

針對射頻電路與天線實驗課程，以培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才為目標，開展本科探索性實驗教學改革存在4個困難：

(1) 學生工程實踐能力和科研能力薄弱。受到傳統(tǒng)教學模式的影響，由于本科生參與的創(chuàng)新性實踐項目相對較少，我國大學生一直以來存在著工程實踐能力和科研能力不足的問題，這也是高等教育存在的一個共性問題。這給開展以創(chuàng)新為目標的探索性實驗帶來了極大的挑戰(zhàn)。

(2) 本科生的專業(yè)知識不夠扎實。射頻電路與天線課程開設(shè)于本科大三學年上學期，在此之前，學生只學過一門“電磁場與電磁波”專業(yè)課，在學生尚未打下堅實專業(yè)基礎(chǔ)的條件下，如何對實驗教學進行探索性改革，是一個值得探討的問題。

(3) 實驗學時有限。該課程一共32學時，要在極其有限的學時里，讓學生了解該領(lǐng)域最新的科技動態(tài)，找到突破點，詳細研讀相關(guān)參考文獻，提出自己的觀點，進行驗證、實現(xiàn)并有所創(chuàng)新，這對射頻電路探索性實驗教學計劃的組織、安排都是一個極大的挑戰(zhàn)。

(4)實驗成本高。由于射頻實驗均是圍繞射頻波段展開，頻率較高，適用于射頻的材料成本、加工成本、測試成本相應都比低頻實驗要高得多，只有盡可能的控制成本，才能將探索性實驗推廣到更多的學生中，讓更多學生受益。

為了解決這些個問題，課程組引入授課老師的最新科研成果，在射頻電路與天線探索性實驗教學改革方面作出了積極嘗試。

2 探索性實驗教學改革方案

探索性實驗教學的基本過程可粗略地分為確立題目—獲取信息—實驗方案設(shè)計—實驗實施—總結(jié)論文—成績評定等6個步驟[8]。課程組的教師需要對教學方案的各個環(huán)節(jié)進行最優(yōu)設(shè)計，一一解決上述困難，以確保探索性實驗項目的順利開展。

2.1 引導學生立題

選題是探索性實驗的首要問題，選題正確與否決定著實驗的新穎性和實驗的意義，甚至決定實驗的成敗。立題過程應遵循：

(1) 立足學科前沿，確保題目的新穎性。結(jié)合本領(lǐng)域的最新發(fā)展形勢，能夠解決目前甚至將來的熱點問題，最大限度地激發(fā)學生的學習熱情和創(chuàng)新意識。

(2) 與科研工作相結(jié)合，確保題目的科學性。引入教師成熟的科研成果，提出目前尚未解決的問題，引導學生結(jié)合自己的興趣立題，首先保留了科研成果中蘊含的創(chuàng)新思想和內(nèi)容，能夠提高學生的創(chuàng)新能力，再次由于擬采取的技術(shù)路線的可行性在科研項目中已經(jīng)得到過驗證，節(jié)省了大量的摸索時間，緩解了學時有限的問題。

(3) 結(jié)合本科生的實際情況，既考慮題目的可行性，又兼顧題目的創(chuàng)造性。由于探索性實驗是實驗教學中的最高層次，難度上要遠高于驗證性、設(shè)計性實驗內(nèi)容，但本科生又存在工程實踐能力和專業(yè)知識不牢固的問題，因此在選題時，要選擇機理相對簡單、適合做為本科實驗教學內(nèi)容開展的項目進行成果轉(zhuǎn)化。其次制定的題目難度要有伸縮性，達到基本指標雖然不難，想要再進一步改進性能則需要付出非常多的努力，既避免了學生因為不能完成實驗帶來的消極情緒，也給有能力的學生提供了發(fā)揮創(chuàng)造力的空間。

(4) 考慮成本，確保題目的實用性。隨著適用頻率的上升，射頻波段的耗材成本成指數(shù)增長，對測量儀器的要求也越高，而平面結(jié)構(gòu)易于加工，可以在實驗室內(nèi)自主完成，因此制定的題目最好限制在微波頻段內(nèi)相對低頻帶的應用，如8GHz以下，而且可以用平面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，這樣就能達到控制成本的目的，為開展大規(guī)模的本科探索性實驗教學提供了保障。

在此基礎(chǔ)上，先為學生簡單介紹目前射頻技術(shù)學科的最新前沿進展，再結(jié)合教師參與的 “小型平面多頻RF濾波器研究”國家自然科學基金項目的科研成果[13-15]，提出目前待解決的問題。經(jīng)過與學生的熱烈討論后，制定出了兼顧新穎性、科學性、創(chuàng)造性、可行性以及實用性的題目：面向5G的平面多模濾波器研究、基于無線局域網(wǎng)應用的平面寬帶濾波器研究等，為探索性實驗的順利開展打下了基礎(chǔ)。

2.2 立體化教學資源，保障學生快速、充分獲取信息

選定探索性實驗的題目后，需要查閱大量的文獻資料，了解本題目已取得的成果和存在的問題。考慮到本科生對專業(yè)知識的掌握尚有不足，且實驗學時有限的條件，以射頻電路與天線國家精品課程網(wǎng)站為依托，以現(xiàn)代化的信息技術(shù)為手段，建設(shè)立體化的教學資源，幫助學生有的放矢地查閱相關(guān)資料，節(jié)省時間，盡快進入課題，提出自己新的想法。課程針對探索性實驗提供的教學資源主要有以下幾種形式：

(1) 課堂教學。使用多媒體課件面對面向?qū)W生介紹國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，列出5～10篇參考文獻，重點講授本課題組已取得的科研成果的設(shè)計原理，并簡單介紹參考文獻的檢索方法，鼓勵學生搜集查閱更多的相關(guān)文獻資料，了解本題目近年來取得的成果和存在的問題。

(2) 文字資源。實驗室可實現(xiàn)的工藝方法介紹.doc、可提供的實驗材料及其特性.doc、制版打印加工流程說明.doc，電磁仿真軟件的使用說明.doc，可在國家精品課程網(wǎng)站下載。

(3) 視頻資源。電磁軟件仿真實例視頻，可在“射頻電路與天線”國家精品課程網(wǎng)站下載。

(4) 交互學習資源。建立專門的探索性實驗交流qq群，教師能夠隨時隨地在網(wǎng)上為學生實時解惑，學生之間也可以隨時隨地交流實驗進展及心得。

在獲取信息的過程中，學生掌握了查閱參考文獻，并對其進行總結(jié)比較的能力，這是開展一切科研工作的前提條件。在該部分要求學生提交一份文獻綜述，至少研讀6篇以上國內(nèi)外參考文獻，按照自己的理解，對文獻的工作作出綜合性介紹，在本課題已有的研究基礎(chǔ)及尚存的研究空間方面提出個人意見。

在教學資源方面，除了師生面對面的講授以外，課程組為學生提供了具有針對性的電子課件，多媒體課件及網(wǎng)絡(luò)交流平臺，大大節(jié)省了時間。教學資源具有文字、聲音、視頻等多樣化的形式，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學生的自主學習積極性，并通過網(wǎng)絡(luò)課程實現(xiàn)教學活動和教學過程的信息化和網(wǎng)絡(luò)化，學生可以更加合理的安排自己的時間，實現(xiàn)了自主性學習和交互式學習。

借助立體化的教學資源，學生可以快速、充分地獲取信息，為在有限的時間里完成探索性實驗提供了保障。

2.3 探索性實驗方案設(shè)計

詳細閱讀大量參考文獻資料以后，依托教師的科研成果，根據(jù)實驗目的和要求來設(shè)計實驗方案。實驗方案的設(shè)計是對整個實驗的總體規(guī)劃，是整個探索性實驗的關(guān)鍵所在。一個正確、詳細、合理、周密的實驗方案，往往能使實驗取得事半功倍的效果。

在實驗方案設(shè)計過程中，采取以學生為主體的教學方法，學生針對題目，結(jié)合實驗室現(xiàn)有條件，提出研究目標和設(shè)計思路，確定實驗材料和工藝方法，制定實驗步驟。教師只是從旁指導，答疑解惑，每周可安排兩次時間，在課堂集中答疑，同時師生可以在探索性實驗交流qq群及時交流心得，展開問題討論等。

完成該部分的設(shè)計后，學生需提交一份實驗方案設(shè)計電子報告，內(nèi)容包含：研究內(nèi)容、研究目標、擬采取的技術(shù)路線、實驗材料、工藝方法、實驗步驟及初步的時間安排，最后由教師對學生實驗方案設(shè)計的合理性、可行性進行評估。

由學生自主設(shè)計實驗方案，積極探索，發(fā)現(xiàn)問題，思考可行的技術(shù)路線，確定實驗步驟等細節(jié)，直至最后確定整個實驗方案的過程中，學生學會了探索問題的方法，體驗到了“學以致用”和“學有所用”，充分調(diào)動了學生的創(chuàng)造積極性。

2.4 探索性實驗實施

這個階段是探索性實驗的關(guān)鍵階段，是實驗的主體階段。由于學時有限，要求教師更加高效地組織教學。教師需制定一個粗略的時間表，突出關(guān)鍵的時間節(jié)點，達到控制進度，保證探索性實驗能夠按時完成的目的。然后由學生根據(jù)自己的實際情況，個性化的具體安排自己的時間。在實驗室配套管理方面，要求相關(guān)實驗室全面開放。針對所定題目，無論采取哪種技術(shù)路線，實施步驟都可簡單分為3步：

(1) 根據(jù)理論值設(shè)計初值。針對自選的題目，按照實驗方案設(shè)計中選取的技術(shù)路線，在1周內(nèi)設(shè)計出微帶濾波器結(jié)構(gòu)的初值。該步驟使學生對所學射頻基本理論及相關(guān)參考文獻的機理有了深層次的理解，為進一步開展創(chuàng)新性的工作打下基礎(chǔ)。

(2) 采用電磁仿真軟件仿真優(yōu)化濾波器。要求學生在2周內(nèi)對自己設(shè)計的濾波器進行仿真、優(yōu)化，仿真結(jié)果需達到基本設(shè)計指標。并盡可能提出新的想法，以達到進一步改進濾波器性能的目的。

仿真結(jié)果正確與否，將對探索性實驗的成敗起到關(guān)鍵性的作用，因此在此一定要設(shè)置檢查機制。要求每個學生提交仿真設(shè)計報告，包括仿真結(jié)果及對各參數(shù)的影響分析。仿真結(jié)果滿足設(shè)計指標的同學可進行下一步工作。

在該步驟的實踐過程中，盡管基礎(chǔ)知識尚不扎實，學生借助仿真軟件設(shè)計、開發(fā)，對仿真結(jié)果進行分析，同時補充知識，完善設(shè)計，學生體會創(chuàng)新的思維，極大提高了創(chuàng)新能力。

(3) 制作、測試濾波器樣品。教師確認仿真結(jié)果后，2周內(nèi)安排加工、測試，為了節(jié)約時間及成本，教師可分批安排幾次集中腐蝕加工及測試，每次腐蝕大約8個樣品，腐蝕后立即用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試[16]，并與仿真結(jié)果比對，發(fā)現(xiàn)問題馬上對前面的設(shè)計、仿真、加工過程進行自查、修正，最后每個學生提交一個樣品。

通過這個環(huán)節(jié)的親力親為，學生親手把自己的設(shè)計結(jié)果變成實際樣品，最大限度的激發(fā)了學生主觀能動性，提高了學生的工程實踐能力，同時鍛煉了學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

圖1所示分別是探索性實驗完成后，其中3名本科生制作的樣品，相比于參考文獻，部分同學還提出了自己的想法，做了不同程度的改進，體現(xiàn)了創(chuàng)新能力的提高。

(a) 寬帶濾波器(b) 耦合饋電雙頻濾波器(c) 抽頭饋電雙頻濾波器

圖1 學生制作的實驗樣品實例

2.5 總結(jié)論文

項目實施完成后，要求每個學生將自己的成果寫成一篇科技論文。在論文中，學生學習用自己的語言突出自己論文選題的理論意義和應用價值，條理清楚地陳述自己的設(shè)計方案、實施過程，強調(diào)自己工作的創(chuàng)新所在，鍛煉了論文撰寫與總結(jié)提煉能力，為今后撰寫論文打下良好的基礎(chǔ)。

2.6 成績評定

合理的評價體系有利于教學改革的健康長遠發(fā)展，有利于調(diào)動學生學習的積極性，在項目成員之間形成良性競爭，營造良好的學習氛圍。具體的評價包括了考勤，項目進度、設(shè)計報告、以及相應的總結(jié)論文，其中仿真設(shè)計是否能夠滿足指標占50%，實驗樣品是否能夠滿足指標占20%，設(shè)計創(chuàng)新性占10%，論文內(nèi)容的條理性、完善性占10%，平時成績占 10%，成績的評定只是一個手段，最重要的是在平時注意及時對學生的工作進行評價，表揚表現(xiàn)突出的成員，使整個學習團隊形成競爭向上的局面。

3 結(jié) 語

在2016～2017年的第一學期，在電子與信息學院對全部選修射頻電路與天線實驗的學生發(fā)布了探索新實驗教學改革的情況后，學生踴躍報名，最后一共確定了23名同學進行探索性實驗。經(jīng)過一學期的努力，學生普遍感覺到，與進行傳統(tǒng)的驗證性實驗的同學相比，不僅加深了對射頻理論的理解，掌握了使用專業(yè)仿真軟件進行射頻器件設(shè)計的能力，學習了親自動手加工、制作及使用專業(yè)儀器測量射頻器件特性的方法，更重要的是體驗了研究的思維方式，提高了自主學習和實際工程能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識和探索精神，收獲遠超后者。實踐證明，射頻電路與天線的探索性實驗教學改革效果是非常明顯的。