虛擬仿真技術在“天線原理”課程形象化教學中的應用

孔祥鯤 邢蕾 陳新蕾 徐千

【摘要】依據國家新工科建設與實踐的課程建設要求，分析了“天線原理”課程的重要性、特點、主要內容和教學方法，提出課程教學中采用多種虛擬仿真技術開展形象化教學的構想。分析了構建形象化教學平臺涉及的虛擬仿真軟件特點，與各主要知識點相結合的手段方法。最后通過幾個形象化的教學實例證明開展課程形象化教學的可行性。文中提出的教學方法對提高教學效果、提升學生工程實踐能力具有參考意義。

【關鍵詞】形象化教學天線原理虛擬仿真技術

【基金項目】國家級新工科研究與實踐項目《面向新工科的教師跨界發展與評價激勵機制研究》（教高廳函【2018】17號）;南京航空航天大學2019年教師教學能力提升研究課題：《天線原理》課程形象化互動教學改革探索（1901JF0401）。

【中圖分類號】TN820??? 【文獻標識碼】A???? 【文章編號】2095-3089（2021）11-0024-03

“天線原理”作為電磁場與微波技術系列課程的核心之一，它是本科專業電子信息類需要涵蓋的必修課程[1-2]。它與“電磁場與電磁波”“微波技術”“微波電路”一同構建起電子信息類本科專業的主干課，對構建專業特色和人才培養起著重要的作用[3-4]。

該門課程建立在電磁理論的基礎上，又以應用為目標培養學生較強的動手實踐能力，對教師的教學目的和教學方法提出了挑戰[5]。從教學內容的角度看，課程涵蓋的內容復雜，基礎理論涉及面廣。課程對工程數學，包括“矢量分析與場論”“微分方程”“特殊函數與數理方程”的基礎知識點要求高、跨度大、概念抽象、公式繁瑣，學生不易理解和掌握。課程還需要通過實驗和實踐加深對知識點的理解和掌握，對后續課程如“通信原理”“雷達原理”“電子對抗”影響頗大，其本身的工程性和實踐性要求學習完這門課程的學生掌握一定的工程實踐技能。該課程具有理論抽象復雜、公式推導繁瑣以及實踐體系建設難度大等特點，是當前師生公認的既難教，有難學的必修課之一[6]。

在日常的教學活動中，傳統授課存在的普遍問題是教學中信息的傳遞往往是單向的，或者以知識的單向傳授為主。根據心理學的研究，學生通過課程中將視覺、知覺獲取的信息進行理解加工，會追求事物完整結構整體或者形象化的特點[7]。而在傳統教學中，靜態的、理論的知識要點的不斷推導和切換，使得學生的視覺感知過程不斷地被切換，思維的完整性缺失，抽象思維能力被削弱。這一點在“天線原理”課程教學中體現得尤為明顯，不同于傳統的靜態電磁場，教學知識點往往針對麥克斯韋方程組的時變電磁場理論展開討論。理論公式和靜態的電磁特性往往很難幫助學生將感性認知和理性認識快速聯系統一起來。因此，在教學過程中需要借助豐富的多媒體手段，引導學生從感性認知到抽象認知的領域中，潛移默化地將教師設計的形象化元素轉化為邏輯且理性的抽象概念知識。在天線原理形象化教學的摸索階段，我們采用傳統的教學手段和多媒體形象教學相協作的方式，以學生理解能力提升、創新能力培養為目標，深入分析“天線原理”課程的特點，通過形象化的教學和針對天線仿真項目的教與學的互動，獲得了良好的教學效果。

1.虛擬仿真技術構建形象化教學平臺

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于數據分析、無線通信、深度學習、圖像處理與計算機視覺、信號處理、量化金融與風險管理、機器人，控制系統等領域，在電子通信領域應用廣泛[8]。在“天線原理”課程教學中引入形象化教學，能將難理解的時變電磁方程形象化表示，讓學生從復雜的數學推導和公式理解中解放出來，有利于基本概念的理解和專業知識的掌握。該軟件對于天線特性參數形象化的理解具有重要的輔助作用。

CST和HFSS均為當前天線設計工程師常用的三維電磁場仿真軟件。利用CST Microwave Studio工作室套裝以及ANSYS公司旗下的HFSS軟件均可以精確地計算天線參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D圖和3dB帶寬;繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、第三定義場分量和軸比。以項目驅動為指導，在各種類型天線的教學中，通過指導學生對各類天線仿真，掌握電磁仿真軟件，不但有利于高校學生更加深刻地理解各類天線的基本原理，還可以在教學中融入行業內企業、高校及研究所的技術需求，提高學生的市場競爭力。

各類虛擬仿真軟件構建起來的形象化教學案例最終需要通過普通的Web瀏覽器方便師生瀏覽使用，才能達到進行便捷的形象化教學的目的。利用Java語言開發教育技術虛擬網絡課程，是目前較為實用和應用廣泛的手段之一。它在開展形象化教學過程中，具有諸多特點和優勢。首先，它具有容易實施和開展的優勢，對于開發一些簡單的三維交互動畫，根本不需要了解任何編程語言知識。其次，從三維建模方式的比較來看，Java可以提供的方式靈活多樣，支持程序建模方式，使得三維建模知識缺乏或美術基礎薄弱的教師能夠進行專業級的建模。再次，模型的數據量相對較小，界面美觀。最后，流程開發簡單易學，可以通過三維建模、交互設計、界面設計開發實現。Java語言在課程形象化教學中的應用為2020年新冠病毒流行期間，開展線上線下一體化教學提供了便捷。

2.天線輻射性能和基本參數的形象化

在介紹天線的輻射方向圖時，需要交代方向圖的主軸、主瓣、旁瓣、后瓣、零點、半功率波束寬度、零功率波束寬度、旁瓣電平等概念。學生對于二維、三維天線輻射方向圖的整體形態把握，抽象概念和感觀認識之間缺乏生動聯系。通過Matlab對天線的輻射方向圖進行仿真，可以讓原本難以聯系的知識點展現形象化的匹配。通過程序設置讓天線的輻射方向圖在二維和三維之間方便地切換，使教師和學習者對方向圖相關概念的理解更加直觀，促進學生對理論知識的掌握。

在介紹天線輻射機理的教學過程中，需要從偶極子臂上的電流分布特點出發，總結歸納天線的諧振長度和工作頻率之間的關系，找到不同電尺寸條件下，天線的輻射場型的特點，這在傳統教學中是非常抽象的。通過Matlab編寫相關程序，再利用Java構建多媒體交互界面，就可以生動形象地展現不同電尺寸條件下，偶極子天線輻射場型的變化。如圖1所示，偶極子天線的電尺寸從1倍波長變化到1.5倍波長時，天線臂上的電流反向，導致主瓣分裂。這樣在互動網頁上進行教學，可以產生較強的感官刺激，通過動圖的展現，加深學生對知識點的理解和掌握。

另外，天線的極化從概念上講是指天線最大輻射方向上，電場矢量的方向隨時間的變化規律。因而，天線的極化是一個時間關聯量，在傳統教學中，利用書本和靜態插圖理解線極化、左旋圓極化、右旋圓極化、橢圓極化常常對學生產生困擾。通過程序編輯和互動式網頁開發，可以通過動態圖像加強該知識點的形象化教學，達到事半功倍的效果。

3.典型天線的仿真實例與形象化教學

“天線原理”課程中會分析很多典型天線的輻射特性參數，而對于天線輻射出來的電磁波，讓學生理解這一類看不見，摸不著的事物，研究想象電磁波的傳播規律，顯然是困難重重，很難抓住學生的注意力。利用全波電磁仿真軟件，在教學中輔助學生理解各類典型天線的輻射特性和參量，為課程的形象化教學開辟了行之有效的方法。如圖2所示，我們在典型線天線，典型面天線的教學中，對偶極子天線、八木宇田天線、喇叭天線、貼片天線進行全波仿真，獲得包含天線方向圖、方向性系數、回波損耗、增益等特性參數，可以加強學生對各類天線輻射機理的理解，加強前后知識點的融會貫通。將典型工程問題通過在線網站架設服務，上傳至服務器，供學生參考，是虛擬仿真技術在課程形象化教學中發揮重要作用的又一手段。

4.結語

“天線原理”是電子信息類本科專業的必修課程之一，具有知識點要求高、跨度大、概念抽象、公式繁瑣，與工程實踐緊密關聯等特點，學生不易理解和掌握。利用虛擬仿真技術在“天線原理”課程中開展形象化教學，建立建全課程的Matlab仿真庫，典型天線的全波仿真案例，構建在線互動式教學平臺有利于提高學生上課的積極性，深化理論知識的理解，提高教學效果。可以樂觀地預測它對于學生后續課程的學習以及實踐能力的培養均具有積極的作用。

參考文獻：

[1]趙春暉，廖艷蘋，崔穎.“微波工程”系列課程建設經驗與成效[J].中國大學教育，2013（6）：40-42.

[2]唐書娟，張志軍，盧丁丁.微波工程系列課程形象化教學探究[J].實驗室研究與探索，2016，35（10）：233-236.

[3]鐘順時.天線理論與技術[M].北京：電子工業出版社，2015.

[4]Balanis C A.Antenna theory：analysis and design[M].John wiley & sons，2016.

[5]邢蕾，孔祥鯤，徐千.理論分析與電磁仿真結合的微波器件設計教學[J].實驗技術與管理，2019，36（3）：140-142，145.

[6]孔祥鯤，邢蕾.CST電磁仿真技術在天線實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2017，34（11）：118-120，157.

[7]劉大年，史旺旺，孫貴根，吳桂峰.“數字信號處理”課程的形象化教學方法探索[J].電氣電子教學學報，2006（4）：104-107，111.

[8]胡紅娟，杜健，鞠桂玲，范格華.融入數學建模思想和MATLAB的中心極限定理形象化教學[J].信息系統工程，2020（8）：167-168，170.

作者簡介：

孔祥鯤（1980年-），男，江蘇鎮江人，副教授，碩士生導師，研究方向為人工電磁材料器件設計、計算電磁學、電磁場與微波技術等。