《微波技術與天線》實驗的信息化教學設計

劉捷 朱振波 賀昌輝 饒翚

【摘要】針對《微波技術與天線》課程重難點，設置實驗內容；針對課程特點及教學對象，進行實驗教學的信息化設計，并制作或開發(fā)相關的信息化資源用于實驗教學。實踐表明，運用信息化手段可解決實驗設備少、昂貴的問題，實現(xiàn)規(guī)模化教學；可突破瓶頸，解決實際平臺難以實現(xiàn)的實驗。

【關鍵詞】微波技術與天線 實驗教學 信息化教學設計

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）45-0255-02

《微波技術與天線》課程是我院本科學歷教育階段的專業(yè)基礎類必修課程。本課程的先修課程是《高等數(shù)學》、《大學物理》及《電路分析》等基礎課程，同時又為后續(xù)《雷達基礎理論》、《雷達分系統(tǒng)原理》等專業(yè)課程服務。通過課程學習，使學員掌握雷達天饋系統(tǒng)的結構、特性及工作原理基礎；具備調整、使用測量平臺的能力及分析解決雷達天饋系統(tǒng)問題的能力；初步具備把所學知識與雷達系統(tǒng)相結合的素質。

一、課程特點及實驗設置

《微波技術與天線》課程[1]具有以下特點：一是理論性強，難教難學。主要是圍繞電磁波的理論和方法比較深奧復雜；二是概念抽象，公式復雜。如長線方程、波導場結構、天線輻射場等；三是應用性強，貼近裝備。主要是與各種米波雷達、厘米波雷達、相控陣雷達以及各種新器件、新技術密切相關。

為此，針對課程重難點設置實驗內容，以平臺搭建為基礎，信息化手段為拓展，從參數(shù)測量入手，開設有4個實驗內容：

“米波測量線實驗”，強化長線、分布參數(shù)、駐波比、阻抗匹配等概念；讓學員通過直接使用微波設備，獲得很好的感性認識；“波導測量線實驗”，強化場結構、波導元件、調諧和波導阻抗匹配等知識，讓學員了解新頻段需要新的傳輸線，且隨頻率升高，實驗設備更精密，對學員實操能力要求更高；“拋物面天線實驗”，強化輻射場、天線發(fā)射與接收、天線方向圖、波瓣寬度及饋源偏焦等概念；讓學員深刻領悟結構改變引起空間饋電；“相控陣天線波束設計與測量實驗”，強化相掃原理、單波束、雙波束及低副瓣波束設計的概念；開發(fā)虛擬仿真平臺1個，讓學員在沒有實際雷達系統(tǒng)的條件下，“早介入”、“早設計”、“早操作”。

二、教學對象分析

課程教學對象為三年級工程專業(yè)本科學員。大部分學員學習態(tài)度端正，學習積極性較高，基本掌握了大學學習方法，具備自主學習能力；少數(shù)學員對本課程學習有畏難情緒，覺得內容抽象難學，特別是初次接觸主模場結構、天線波束等抽象概念時，感到困惑，難以理解；大部分學員對雷達天饋系統(tǒng)認知不夠，由于很少接觸雷達，對同軸線、波導、匹配阻抗器等微波元器件及雷達天饋系統(tǒng)沒有什么了解。但是從先修課程高等數(shù)學、大學物理、電路分析、文獻檢索考試成績看，學員總體數(shù)學基礎較好，具備一定的抽象思維、實踐動手能力、文獻檢索能力，信息化手段運用熟練。

三、信息化教學策略設計

根據課程特點及學員情況，實驗教學時采用“理實一體，虛實結合”的教學策略，充分利用信息化手段，發(fā)揮學員的主動性，破解實驗瓶頸。

為此，制作或開發(fā)相關的信息化資源用于實驗教學。實驗課用到相關信息資源如下：制作的“微波技術與天線網絡課程”可用于內容重難點鞏固，師生互動；開發(fā)的“微波技術與天線虛擬實驗平臺”可用于電磁場傳播及輻射的動態(tài)可視化、傳輸線與天線參數(shù)仿真計算；開發(fā)的“相控陣天線仿真設計系統(tǒng)”可用于交互式相控陣掃描原理仿真、三種波束相控陣天線仿真設計；開發(fā)的“相控陣天線實驗測量系統(tǒng)”是基于局域網絡的實測系統(tǒng)，可進行相控陣天線相關實驗的分時遠程測量；此外，制作相關的Flash動畫、視頻、圖片；采用Matlab軟件進行數(shù)值計算、繪圖。

四、教學實施過程

教學實施過程分“課前在線互動-課上虛實結合-課后鞏固拓展-多項綜合評價”四個步驟。以“相控陣天線波束設計與測量”實驗為例，具體說明。

（一）課前在線互動

課前教員將所需課程知識，課程信息化資源以及本次課的仿真平臺、測試平臺的使用說明書放到網絡硬盤；學員下載后自主學習，有疑問，通過網絡發(fā)給教員互動答疑；教員收集整理意見并有針對性的備課。

（二）課上虛實結合

課堂教學活動按照“原理精講—仿真設計—實驗測量—總結點評”的思路展開。

1.原理精講

作戰(zhàn)應用引入：采用“早期遠程預警相控陣雷達優(yōu)勢”視頻和“機掃相掃”動畫，引入問題：相控陣天線波束掃描是如何實現(xiàn)的？讓學員充分了解本次實驗課的意義。精講實驗原理：通過“相位對波束指向影響”演示相掃本質上是理論課上的不等相位饋電；通過“相控陣技術”視頻介紹相掃的關鍵器件是移相器；通過“相控陣天線掃描原理仿真”綜合演示單波束掃描，使比較抽象的相掃原理，變得形象直觀。精講設計方法：設計特定指向單波束，經MATLAB軟件平臺理論計算，獲得實現(xiàn)單波束的移相碼；通過“相控陣天線仿真設計系統(tǒng)”，虛擬實現(xiàn)單波束的特定指向。具體實施時，教員主機上的仿真設計投影到大屏幕，讓學員看得清，聽得明；讓學員在各自的實驗終端仿真，學中做，做中學。

2.仿真設計

學員通過“相控陣天線仿真設計系統(tǒng)”各自仿真設計單波束、雙波束、低副瓣波束。具體實施時，一人一組，學員獲得的仿真設計參數(shù)正確與否，可通過局域網互相對比討論，典型問題教員投影到大屏幕討論，積極互動共同學習。

3.實驗測量

基于正確的設計參數(shù)，學員使用“相控陣天線實驗測量系統(tǒng)”分別進行三種波束的實驗測量。具體實施時，通過局域網，采用一套天線實驗系統(tǒng)，可同時容納12臺終端進行分時遠程測量；“相控陣天線實驗測量系統(tǒng)”可對實測過程、學員實驗次數(shù)等進行實時監(jiān)控；信號采集系統(tǒng)自動采集和保存測量數(shù)據；學員分析處理實驗數(shù)據，獲得測量結果；撰寫電子實驗報告，然后通過網絡提交。

12臺終端通過網絡分時使用一套實驗系統(tǒng)，破解了實驗設備昂貴，不能規(guī)模化教學難題；利用局域網絡可實現(xiàn)“教”、“學”雙方互動及協(xié)作式學習方式。

4.總結點評

總結本次實驗，包括對實驗仿真結果和實測結果對比分析，對實驗所學知識引申；對實驗過程中學員表現(xiàn)做點評。

（三）課后鞏固拓展

一是專業(yè)內容拓展。如進一步了解實際相控陣雷達的饋電電流分布；二是鞏固提高學員仿真能力。如教學軟件拓展、專題小設計。專題小設計課題，如“寬頻帶螺旋天線的設計與制作”中，天線參數(shù)的仿真設計可以選擇專業(yè)電磁仿真軟件HFSS；實驗測量可用本實驗室的微波暗室測量。

（四）多項綜合評價

包括課前提問質量、課上實驗表現(xiàn)、教員點評、學員互評和系統(tǒng)考評的多項綜合評價機制，將考評融入教學的各個環(huán)節(jié)。

五、小結

將信息化資源運用到《微波技術與天線》課程實驗中，運用信息化手段解決實驗設備少、昂貴的問題，實現(xiàn)規(guī)模化教學；運用信息化手段突破瓶頸，解決實際平臺難以實現(xiàn)的實驗。

綜合考核表明，采用信息化教學后：學員變不想學為想要學，變被動學習為主動學習，實驗能力和機務作風都得到鍛煉。

參考文獻：

[1]傅文斌，董文峰，楊春山.微波技術與天線[M].北京：機械工業(yè)出版社.2015.8