結合仿真技術的微波技術課程CDIO教學實踐模式探索

（杭州電子科技大學 浙江·杭州 310018）

0 引言

隨著國內高等教育改革的持續深入，教學理念隨需求不斷進步，高等學校尤其是工科類專業在辦學類型與特色等方面越來越強調多樣性與實踐性。“產學研”服務鏈式培養理念與需求成為一項重要的衡量指標。如何發揮工科教學優勢，并充分與產業相結合，以滿足服務地方、服務社會的需求，是專業性與實踐類課程改革的重要方向之一。

1 CDIO創新實踐模式

CDIO工程教育模式，最早是由麻省理工學院、瑞典皇家工學院等四所國際知名院校牽頭探索所創立的一種先進的教育改革成果，已在世界范圍內取得了突出的成績，并展現了其在不同領域內的指導性作用。2008年，教育部高等教育司牽頭組建了“CDIO工程教育模式研究與實踐課題組”，針對中國教育環境的獨有特色，探討全球化背景下適合中國工程教育改革的CDIO模式。2016年，在原有研討工作組的基礎上，CDIO工程教育聯盟于汕頭成立，以進一步提高高校工程教育質量，推動高校、企業的深入合作。

CDIO模式主要理念以C（Conceive，構思）、D（Design，設計）、I（Implement，實現）、O（Operate，運作）四項為代表，強調從理論、設計，到研發、運行的知識體系鏈式培養過程，突出理論聯系實際，從基礎知識、個人能力、團隊溝通、系統統籌四個方向實現學生綜合能力的培養。該培養模式的引入，對微波類專業課程的講授及學生的能力培養有積極的促進意義。

2 CDIO模式在微波技術實踐教學中的應用

2.1 微波技術教學中存在的問題

微波技術是電子信息類學科的入門課程，也是無線通信技術中硬件實現的基礎性專業課。其中所涉及的電磁場基本特性、常見基本系統的理論分析，是設計與研發微波器件的核心方法與基礎。微波技術課程旨在幫助學生對微波領域建立宏觀概念，并掌握各類器件的基本工作特性。目前，在教學過程中仍存在一定的不足之處。

（1）教學缺乏針對性：微波技術課程中設計有多種類型的傳輸結構。雖然不同結構的工作特性差距往往非常大，其初始構建的設計原理是想通的。在授課過程中，往往忽視了整個微波器件體系的梳理，使得學生在掌握與理解時只能碎片化記憶，無法融會貫通。

（2）實踐環節不夠直觀：該類課程的一大特點就是理論概念較為抽象，公式化較強。諸多定義及性能分析均是通過麥克斯韋方程組推導而來，不但推導復雜，難以掌握，而且不易理解。尤其是涉及電場模式變化時，由于無法直觀觀察，學生只能機械的記憶。

（3）課程內容不夠靈活：該類課程大多數重點都放在了理論概念講授，工程實踐環節明顯不足。現有實踐也多是基于微帶線、波導等傳輸結構傳輸效率與反射率。對于阻抗、導波模式等較為抽象概念缺乏有針對性設計。且微波技術與無線通信設備是當今發展最為迅速的幾大領域之一。新的技術與方法不斷涌現。當前課程與實際項目及產業結構不緊湊，缺乏對實際問題的練習。

2.2 仿真技術在實踐教學中的應用

針對現有問題，以理論-設計-操作的工程實踐指導思路為基礎，串聯設計教學方案。在拓展知識儲備寬度的基礎上，增加知識掌握深度。將課程掌握程度分為基礎、專業、創新三個程度，分別對應操作、設計、研發三類技能要求。

全波電磁仿真軟件的引入，有效彌補了書本理論抽象的不足。通過對給定結構模擬仿真，除了可以迅速獲得其色散矩陣參數以外，還可以獲得電磁場各分量的視覺化展示效果。通過近場視覺化展示，可以使學生更直觀的理解不同電磁波模式的工作特點，對應理論公式，為設計服務。

以矩形波導的基本工作模式場分布仿真及其形變結構設計為例，介紹仿真軟件在新模式下實踐教學中的探索與應用。實驗遵循理論預測、軟件建模、全波仿真、視覺化顯示與結論印證的操作環節，直觀觀察3D近場分布圖，并與對應模數相照應，理解不同模式數與場分量之間的對應關系。在正確掌握軟件仿真操作與仿真結果分析方法只后，指導學生在標準矩形波導的基礎上，按照特定要求修改波導結構，仿真分析加脊波導等形變結構的工作特性及導波近場分布特性，并通過設計與結果的對應關系總結設計思路。

3 實踐應用展示與結論

圖1：（a）標準矩形波導、（b）加脊和（c）雙加脊形變波導內二階模式截面電場分布示意圖

依照上述實驗操作步驟，在CST仿真軟件中構建矩形波導模型并進行全波仿真，可獲得其各階模式電場分布規律。以其二階模式為例，傳播方向橫截面內電場分布如圖1（a）所示。當設計內部形變結構，不同的金屬附加結構會對波導內部場分布造成不同的影響。當加脊結構位于波導中央，由于二階模式強電場區域對稱分布于波導內部，因此電場會受金屬邊界條件影響發生偏轉，形成從中央至兩側的震蕩形式。其電場分布如圖1（b）所示。為了最大程度保持原有模式不變，加脊結構改為兩組，且對稱分布。此時內部場分量與標準波導場分布的差異明顯減小。通過一系列操作對比，可進一步加深學生對邊界條件、導波模式工作調制原理的理解。

基于CDIO模式設計的實踐教學環節，配以仿真技術的應用，極大的豐富了課堂展示形式，良好的提升了教學效果。使得課堂從單一枯燥的理論講解向多元化、可視化、可操作化發展。學生不但加深了對理論的理解，更得到了動手設計機會，提高了學習積極性，并鍛煉了從設計到分析的實際工程能力。