“電磁場(chǎng)與電磁波”實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)的暑期學(xué)校模式

張 朵， 王 輝， 丁光澤， 高國(guó)平， 梅中磊

(蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是電子信息類專業(yè)重要的一門(mén)基礎(chǔ)課，是“光纖通信”、“微波技術(shù)”、“天線”等課程的基礎(chǔ)。它主要講述電磁場(chǎng)的基礎(chǔ)理論和基本概念，課程具有理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高和概念抽象等特點(diǎn)。同時(shí)，該課程實(shí)踐器材一般占地面積大，費(fèi)用較高，統(tǒng)一組織學(xué)生參與動(dòng)手實(shí)踐較為困難。單純使用電磁仿真軟件可以在一定程度上解決實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)不充分的問(wèn)題，但不能完全替代動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)。

在大多數(shù)高校，學(xué)生必須要花費(fèi)20周的時(shí)間來(lái)進(jìn)行該課程理論學(xué)習(xí)，在這期間除了要完成授課教師布置的課程作業(yè)以外，還要通過(guò)各種各樣的考試。在這種制度下，學(xué)生精神處于高度緊張的狀態(tài)。而隨后近兩個(gè)月的暑假時(shí)間，學(xué)生基本是自主安排學(xué)習(xí)，雖然可以彌補(bǔ)在正常學(xué)期中自主性過(guò)少的問(wèn)題，但缺乏必要的考核和監(jiān)督，不利于保持知識(shí)的連貫性[1]。若單獨(dú)開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，不但周期較長(zhǎng)，而且內(nèi)容多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，形式單一、乏味。

暑期學(xué)校是教學(xué)組織方式和人才培養(yǎng)模式上的一次創(chuàng)新。它的興起順應(yīng)教學(xué)改革、建設(shè)學(xué)習(xí)型社會(huì)、提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的需要[2]。國(guó)內(nèi)外暑期學(xué)校模式都在不斷變革、不斷發(fā)展中，又適逢教育部提倡各高校開(kāi)展課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，構(gòu)建“金課”。因此，結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了可用于兩周或者一周時(shí)長(zhǎng)的“電磁場(chǎng)與電磁波”集中實(shí)踐環(huán)節(jié)，內(nèi)容涵蓋天線理論、波導(dǎo)理論、傳輸線理論等知識(shí)點(diǎn)，訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)值計(jì)算能力、全波仿真能力、動(dòng)手加工能力以及實(shí)際測(cè)量能力等。利用多種有效方法和手段，從軟件仿真、實(shí)物制作和戶外趣味活動(dòng)三個(gè)方面對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了建設(shè)與研究，并提出了具體的建設(shè)和實(shí)施方案。

1 實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)

該暑期學(xué)校模式以“豐富課余生活、強(qiáng)化知識(shí)體系、提高動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神”為指導(dǎo)思想，充分利于暑期課余時(shí)間，按照理論講解、軟件仿真、工程制作、實(shí)驗(yàn)測(cè)量、報(bào)告分析的全鏈條活動(dòng)形式，為學(xué)生創(chuàng)造更多學(xué)習(xí)知識(shí)、交流合作、動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，從而提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)和適應(yīng)能力。同時(shí)，考慮到學(xué)習(xí)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程的學(xué)生數(shù)量較多，因此，暑期學(xué)校開(kāi)展應(yīng)具有投資少、見(jiàn)效快、效益高、可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)。

1.1 內(nèi)容設(shè)計(jì)

該暑期學(xué)校的覆蓋內(nèi)容大致包括以下幾個(gè)方面。

1)天線相關(guān)基本理論

天線相關(guān)理論知識(shí)包括：天線性能參數(shù)、偶極子天線理論、縱向場(chǎng)法和規(guī)則波導(dǎo)、傳輸線理論等[3]。

2)科學(xué)計(jì)算工具M(jìn)atlab

Matlab具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能，實(shí)踐過(guò)程中的所有復(fù)雜計(jì)算都由Matlab完成。同時(shí)，帶領(lǐng)學(xué)生熟悉Matlab的偏微分方程工具箱(PDE Toolbox)，掌握二維穩(wěn)定場(chǎng)方程、波動(dòng)方程以及輸運(yùn)方程的求解步驟和方法，能夠利用 PDETool 進(jìn)行上述方程的數(shù)值求解、圖形化演示[3]。

3)電磁仿真軟件應(yīng)用

在大多數(shù)情況下，電磁問(wèn)題都沒(méi)有解析解，必須使用數(shù)值計(jì)算方法如有限元、時(shí)域有限差分、矩量法等來(lái)完成相關(guān)計(jì)算工作[4～6]，如輸入阻抗、天線方向圖等。因此，掌握必要的數(shù)值計(jì)算方法和全波電磁仿真軟件是必須的環(huán)節(jié)。這部分教學(xué)要求學(xué)生熟悉電磁仿真軟件的工作環(huán)境及基本操作，能夠完成簡(jiǎn)單天線結(jié)構(gòu)的建模和仿真，并能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)果的可視化。

4)天線制作

本次暑期學(xué)校主要設(shè)計(jì)和加工兩種天線，即鐵罐天線和微帶貼片天線。

其中，鐵罐天線主要利用茶葉罐、咖啡罐等金屬容器作為波導(dǎo)和反射器，單極天線作為激勵(lì)，設(shè)計(jì)、仿真、加工并測(cè)試一種鐵罐天線。涵蓋矩形、圓形波導(dǎo)的傳輸理論，二維有限元仿真等。

微帶貼片天線采用矩形微帶貼片結(jié)構(gòu)，涉及到傳輸線理論、諧振腔理論等，選用底饋方式，設(shè)計(jì)之前要先確定介質(zhì)基板，計(jì)算微帶貼片尺寸和饋電點(diǎn)的位置等，偏重全波仿真。該實(shí)踐內(nèi)容可以培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械制圖能力、PCB 板加工能力、電磁仿真方法和天線測(cè)量能力等，并為今后就業(yè)、領(lǐng)域內(nèi)深造打下基礎(chǔ)。

圖1和2給出了兩種天線的實(shí)際照片。

圖1 微帶天線

圖2 鐵罐天線

5)天線應(yīng)用

無(wú)線電測(cè)向是天線應(yīng)用最有代表性的一項(xiàng)趣味運(yùn)動(dòng)[7]。在戶外事先隱藏好數(shù)部信號(hào)源，定時(shí)發(fā)出規(guī)定的電報(bào)信號(hào)。參加者手持無(wú)線電測(cè)向機(jī)，測(cè)出隱蔽電臺(tái)的所在方向，采用徒步方式，奔跑一定距離，迅速、準(zhǔn)確地逐個(gè)尋找出這些信號(hào)源。以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，找滿指定臺(tái)數(shù)、使用時(shí)間少者為優(yōu)勝。活動(dòng)中需要參賽者掌握偶極子天線的方向圖函數(shù)，法拉第電磁感應(yīng)定律，場(chǎng)的疊加原理等電磁理論。

1.2 課程詳細(xì)安排

此次暑期學(xué)校活動(dòng)的主要面向?qū)ο鬄橛幸欢姶呕A(chǔ)，如學(xué)過(guò)“電磁場(chǎng)與電磁波”的本科生，人數(shù)大概在100人左右，活動(dòng)時(shí)間持續(xù)兩周。在場(chǎng)地安排上，需要一間實(shí)驗(yàn)室來(lái)加工測(cè)量天線；一個(gè)計(jì)算機(jī)機(jī)房用于電磁仿真；同時(shí)，需要一間教室開(kāi)展理論知識(shí)講授，配備基本的PPT設(shè)備。無(wú)線電測(cè)向活動(dòng)在校園里開(kāi)展，無(wú)需特意準(zhǔn)備場(chǎng)地。所有學(xué)生每?jī)扇藶橐唤M組團(tuán)，最終考核以小組為單位進(jìn)行，主要根據(jù)兩個(gè)天線的設(shè)計(jì)報(bào)告、無(wú)線電測(cè)向成績(jī)等進(jìn)行綜合考核。

1.3 材料費(fèi)用

舉辦暑期學(xué)校，針對(duì)100名左右的學(xué)生開(kāi)展微帶天線、鐵罐天線以及無(wú)線電測(cè)向等等活動(dòng)，所需設(shè)備、材料等如表1所示。

表1 主要設(shè)備和材料費(fèi)用安排表

其中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀要求覆蓋2.45GHz頻段即可，可以使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備；無(wú)線電測(cè)向設(shè)備采購(gòu)一次，可以反復(fù)使用[8]；天線加工所需耗材很少，考慮充分冗余的情況下，不足2000元；實(shí)踐所需茶葉罐需學(xué)生自備，需滿足制作罐罐天線數(shù)據(jù)要求，長(zhǎng)方體或圓柱體都可。

2 實(shí)施過(guò)程及效果

在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，“電磁場(chǎng)與電磁波”課程組開(kāi)展了“我愛(ài)學(xué)電磁——暑期學(xué)校”活動(dòng)，其具體的實(shí)施過(guò)程和效果列舉如下。

2.1 具體實(shí)施過(guò)程

該活動(dòng)于2019年7-8月開(kāi)展，持續(xù)兩周時(shí)間，參與對(duì)象為學(xué)習(xí)過(guò)“電磁場(chǎng)與電磁波”的本科生。所有參與的學(xué)生被分成兩人一組，共50組，分別為A1-A17，B1-B17，C1-C16。由于同時(shí)測(cè)試、加工的人數(shù)不能太多，采取A、B、C三組輪流開(kāi)展測(cè)試、加工的方式，既節(jié)約了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，又提高了教學(xué)質(zhì)量。理論課程采用大課方式，三組學(xué)生同時(shí)參加。參與暑期學(xué)校的教師有2人(可以減為1人)，實(shí)驗(yàn)師2人。

暑期學(xué)校課程整體安排如表2所示，表中部分時(shí)間安排可根據(jù)具體情況調(diào)整。

表2 暑期學(xué)校時(shí)間安排表

接表2

由于采取了模塊化的設(shè)計(jì)，因此各學(xué)校可以根據(jù)自己的實(shí)際情況，對(duì)表格中的內(nèi)容進(jìn)行刪減。如果增加教師人數(shù)，采用大機(jī)房、大實(shí)驗(yàn)室，則上述活動(dòng)還可以將至1周時(shí)間，真正達(dá)到“短、平、快”的目的。

2.2 實(shí)施效果

歷時(shí)兩周的暑期學(xué)校為學(xué)生提供了一個(gè)集中學(xué)習(xí)、合作交流的機(jī)會(huì)。在此期間，學(xué)生們認(rèn)真按照課程時(shí)間安排完成當(dāng)天任務(wù)，積極和教師、同學(xué)交流自己的想法。兩種天線的設(shè)計(jì)制作訓(xùn)練了學(xué)生的數(shù)值計(jì)算能力、全波仿真能力、動(dòng)手加工能力以及實(shí)際測(cè)量能力等，使學(xué)生的實(shí)踐技能顯著提高。而穿插其中的無(wú)線電測(cè)向活動(dòng)，則豐富了學(xué)生的課余生活、鍛煉了身體，并且通過(guò)在應(yīng)用中學(xué)習(xí)電磁知識(shí)，加深了對(duì)理論的理解和掌握。該暑期學(xué)校的實(shí)施收到了預(yù)期的效果。

活動(dòng)結(jié)束后，學(xué)生積極踴躍地整理并提交了相關(guān)設(shè)計(jì)報(bào)告。在后續(xù)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)活動(dòng)因其形式新穎、內(nèi)容有趣、占用時(shí)間少、知識(shí)學(xué)習(xí)相對(duì)集中，受大多數(shù)學(xué)生歡迎，反響熱烈。部分學(xué)生在討論中還提出了改進(jìn)意見(jiàn)，如適當(dāng)普及科技前沿話題，增加天線種類等。根據(jù)掌握的情況，在后期學(xué)校組織的用人單位面試、研究生推免面試環(huán)節(jié)中，許多學(xué)生都詳細(xì)匯報(bào)了個(gè)人在暑期學(xué)校的學(xué)習(xí)內(nèi)容，以此增加個(gè)人在面試環(huán)節(jié)的“砝碼”。這些也從側(cè)面印證了活動(dòng)的成功。

實(shí)踐證明，該實(shí)踐訓(xùn)練方式投入少、收效大，可以有效提高學(xué)生手腦并用、知行合一的綜合創(chuàng)新能力，具有可持續(xù)性和普及性。

3 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)講，針對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”實(shí)踐環(huán)節(jié)的暑期學(xué)校模式取得了初步成效。暑期學(xué)校的開(kāi)設(shè)，使得廣大學(xué)生有時(shí)間消化基礎(chǔ)理論知識(shí)，并能有效提高其手腦并用、知行合一的綜合創(chuàng)新能力。同時(shí)，這種模式最大限度地節(jié)省了教學(xué)資源，能夠充分利用現(xiàn)有條件，解決“電磁場(chǎng)與電磁波”課程動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施難問(wèn)題。這種瞄準(zhǔn)教學(xué)中實(shí)際問(wèn)題、注重啟發(fā)引導(dǎo)、突出技能培養(yǎng)的融合式實(shí)踐教學(xué)手段，較好地實(shí)現(xiàn)了提升教學(xué)質(zhì)量和解決學(xué)以致用的問(wèn)題，并可為實(shí)踐教學(xué)在電子信息類課程中的科學(xué)應(yīng)用提供有益借鑒。