新工科背景下“電磁波與天線”課程教學探析

曹文權 朱衛剛 薛紅

[摘 要] “電磁波與天線”是研究電磁場與電磁波基礎理論、天線與電波傳播基礎知識及其分析方法的一門核心專業課程，在人才培養中處于關鍵地位。針對新工科背景下的課程教學，首先分析了這門課程在課堂學習效率、數學物理基礎、抽象思維能力、網絡學習興趣、動手實踐能力五個方面的不足;其次從系統設計教學內容、深化教學方法改革、優化課堂教學設計三個方面探討應對策略;最后總結了課程在教學手段、思想政治設計和教學模式方面的效果特色。課程教學探析對提升學生綜合學習能力和電磁工程素養有促進作用，對相關專業課程的建設具有一定的參考價值。

[關鍵詞] 電磁波與天線;課程教學;新工科

[基金項目] 2020年度陸軍工程大學通信工程學院教育教學研究課題“‘電磁波與天線’課程與教學改革創新研究”（TY20ZX002）

[作者簡介] 曹文權（1985—），男，江西大余人，電磁場與微波技術專業博士，陸軍工程大學通信工程學院副教授（通信作者），博士生導師，主要從事天線理論與技術、新型人工電磁結構研究;朱衛剛（1971—），男，河南滎陽人，電磁場與微波技術專業碩士，陸軍工程大學通信工程學院副教授，主要從事微波技術、天線理論與技術等領域研究;薛 紅（1980—），女，安徽霍邱人，電路與系統專業碩士，陸軍工程大學通信工程學院副教授，主要從事天線理論與技術研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）21-0045-04 [收稿日期] 2022-04-14

引言

2017年2月，教育部在復旦大學召開了高等工程教育發展戰略研討會，與會高校經過研討達成新工科建設復旦共識[1]。隨后，教育部積極推進新工科建設，在“復旦共識”的基礎上，先后形成了“天大行動”和“北京指南”等，目的是主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略[2-4]。軍隊院校積極響應新工科建設，特別是工科專業主動適應新技術、新裝備，軍事教育面向戰場、面向部隊、面向未來。“電磁波與天線”是針對新的人才培養方案開展的專業課程改革與實踐的新課程[5]。陸軍工程大學通信工程學院“電磁波與天線”課程組為應對新挑戰，深化課程改革，推進課程建設與發展，系統設計教學內容，創新教學方法，優化課堂教學設計，取得了較好的成果。本文從新工科背景下的“電磁波與天線”課程教學存在的主要問題、應對策略及效果特色三個方面進行分析與探索。

一、課程教學存在的主要問題

“電磁波與天線”是研究電磁場與電磁波基礎理論、天線與電波傳播基礎知識及其分析方法的一門核心專業課程。在整個課程體系中處于關鍵地位，是涉及無線電原理和系統知識相關課程的基礎，既是先修課程的綜合應用，又是后續專業課程的重要支撐。根據筆者多年的授課經驗和實際觀察，課程教學存在以下五方面問題。

（一）課堂學習效率需提高

早在1978年，我院就開設了“電磁場理論基礎”“天線與電波傳播”“微波技術基礎”等重要的專業基礎課程，中國科學院學部委員畢德顯院士等老一輩教員深厚的理論功底及嚴謹的治學態度為課程在全軍乃至全國居于領先地位打下了良好的基礎;后根據培養層次需要，將后兩門課程合為“電波與光波傳輸技術”;隨后，開展了“電磁波與天線”課程的改革與實踐，將幾門課程合為一門。可見，課程由傳統的三門課綜合為一門課，且只在一個學期完成以往兩個學期的所有課程內容，學員感覺內容多、學時少，因此，需有效利用課堂時間，提高學習效率。

（二）數學、物理基礎要夯實

“電磁波與天線”課程依據國家高等教育基本要求，對標院校教學大綱及專業人才培養方案，目標是使學員通過本課程教學，系統掌握電磁場與電磁波的基本概念和基礎理論，掌握天線與電波傳播的基礎知識，具備運用場路分析方法分析電磁場和電磁波典型問題的能力，課程對數學和物理知識要求較高。然而，部分學員“高等數學”“大學物理”等課程學習基礎不夠扎實，尤其對于多重積分等微積分知識、復變函數知識及涉及電磁基本實驗定律、靜態場等經典電磁學的知識理解不細和掌握不夠，影響了學習的效果。在本專業課程學習時間壓縮的情況下，要想強化先修課程的溫習效率，需要師生探索新的教學模式和運用新的學習方法。

（三）抽象思維能力要加強

電磁波與天線理論抽象，需要有較強的空間抽象思維能力。從學校歷年電子信息工程相關專業學生學習電磁場、電磁波及天線與電波傳播內容的反饋來看，多數學生感覺難學的原因，除了公式多、定理多之外，主要是電磁現象不直觀、抽象難懂。電磁場理論分析不僅涵蓋了物理概念中的空間和時間“3+1”維度，還應考慮到數學形式上的微分積分和瞬時復數表達，相當一部分學生往往被這些抽象概念和復雜公式難住。比如麥克斯韋方程、電磁波極化、天線的輻射機理等內容，復雜的公式分析和煩瑣的推導過程背后蘊含的物理機理和電磁現象，往往需要學生具有一定的時空想象能力。當前信息技術發展日新月異，信息化教學為課程實施提供了新的選擇，與時俱進、合理運用前沿技術服務教學是課程發展的必然趨勢。

（四）網絡學習興趣可拓展

目前的學生大都是00后，接受新事物能力強，大多是網絡沖浪者。當前，以中國大學MOOC為代表的公共網絡學習平臺為教師和學生提供了豐富資源，而且不受時間和空間限制。線上教學具有靈活性和時效性，有利于教師教學能力和學生自學能力的提高。當然，線上教學也對師生提出了新的挑戰。一方面，教師需要及時跟蹤最新的技術熱點，從豐富的網絡素材中選取貼合課程內容的資源，及時更新教學內容，提升學生的學習興趣;另一方面，師生需要學習線上教學的新技能，探索混合式教學模式，做到線上有資源，線下有活動，過程有評估，以保證教學效果。因此，如何利用好網絡，使其成為提升學習效率的有效手段和平臺，值得思考。

（五）動手實踐能力需提升

電磁學理論性強、概念抽象、公式繁雜，傳統電磁場基礎理論課程在教學中容易忽視學生實踐能力的培養提升。而實踐教學需要有充分的實驗教學條件做保障。根據課程內容體系，“電磁波與天線”課程內容以電磁波為主線，核心是電磁波的傳播、電磁波的傳輸及電磁波的輻射三個部分。要想加強學員對核心內容的理解和掌握，除了傳統的基礎測試外，還應加強學員的動手實踐能力的鍛煉和考查，特別是涉及電磁波的傳播、傳輸和輻射機理等驗證性實驗及典型天線的自主性實驗拓展值得深入探索。可見，目前課程重理論、輕實踐，學員動手能力有很大的提升空間，應努力改善教學實踐條件，打造良好的創新實踐平臺，培養學員電磁工程素養和科學實踐精神。

二、應對策略

針對課程教學存在的問題，課程組積極探尋應對策略，主要從以下三個方面展開。

首先，系統設計教學內容。教學內容既包括理論環節，也包括實踐環節。課程包括電磁場理論、天線技術、電波傳播及實踐環節四個部分，對應基礎理論、射頻應用、系統環境和動手實踐四個層次。課程內容設計包含“理論基礎—工程基礎—工程應用”三個模塊。其中，理論基礎模塊系統闡述電磁場和電磁波的基本理論和基礎知識;工程基礎模塊包含傳輸線基礎理論和天線基礎理論;工程應用模塊主要包括典型微波傳輸線、典型天線和電波傳播概述。此外，建立教學內容更新機制，課程組通過定期的集體備課，吸收最新的電磁熱點知識和科研學術成果，豐富教學內容。

其次，深化教學方法改革。針對課程教學存在的五個問題，采用以下對策：（1）精心設計授課內容。我們抓住主干核心內容，重在物理機理分析，有效劃分重難點內容，講解區分詳略。（2）適時回顧基礎理論。強化基礎理論的理解，適時增加回顧與復習時間，通過課前問答、隨堂小測驗等方式，加強數理知識的溫習。（3）虛擬仿真模擬現象。精心設計仿真實例，利用HFSS、MATLAB、CST、Mathematica等仿真軟件模擬電磁現象，化抽象為具體。（4）積極倡導在線教學。建設SPOC網絡平臺，學員利用在線教學資源自主學習，教員利用在線資源拓展教學手段，探索“線上低階+線下高階”的混合式教學模式，提升教學效果。（5）拓展實踐創新能力。引進電磁波與天線綜合實驗系統，建設天線實驗室，將天線實物引進課堂，加大對學員的科創輔導力度，將課題組最新科研學術成果引入課堂，以提升學員的學習興趣，激發學員的創新動力。

最后，優化課堂教學設計。“電磁波與天線”作為一門核心專業課程，理論內容豐富，應用特色鮮明，在課堂教學實施過程中，應針對基礎理論和工程應用內容采用不同的教學方法，根據不同教學內容的特點，精心設計每一堂課的教學。比如采用以下教學設計方法：（1）問題啟發式、研討式教學設計。比如有耗媒質中的均勻平面波、二元天線陣、均勻直線陣的內容引入就可以通過問題啟發逐步展開。（2）先易后難、先具體后抽象教學設計。比如鏡像法的運用先分析單個點電荷在理想平面地的鏡像，再分析在球體、椎體等復雜載體的鏡像;而電磁波的極化分析則按照從簡單的線極化到復雜的圓極化的過程。（3）逐層分解、類比分析教學設計。比如天線最佳接收理論、弗利斯傳輸公式推導等教學內容就是采用逐層分解進行分析的方法。（4）注重實踐、應用拓展教學設計。比如矩形波導、圓波導與線天線和面天線等典型天線的學習就是以應用拓展為抓手的。（5）類比法的教學設計。比如天線基本輻射元、典型喇叭天線及電磁波傳播、傳輸和輻射分析思路均采用類比的方法，可以提升教學效率，減少授課學時。

三、效果特色

“電磁波與天線”課程組按照專業人才培養的總要求和課程建設標準的具體要求，深入開展教學探索，為滿足新的人才培養需求，提升學員綜合電磁素養，適應專業發展打下良好的基礎。本課程的特色創新主要有以下幾方面。

（一）運用虛實結合的教學手段，提升學員電磁素養

針對課程內容抽象、公式繁雜的特點，課程組重視教學內容的可視化形象呈現，培養學員的分析問題能力和空間想象能力，充分調動教員與學員的教與學的積極性。課堂教學采用虛實結合的方法，通過引進便攜式可視化電磁場測量儀，形象展示電磁波的傳播特性及天線方向特性;同時，利用HFSS、MATLAB、CST、Mathematica等場路分析軟件和矩陣數學編程軟件制作100多個虛擬演示動畫素材和3D模型，直觀形象地用動畫呈現電磁現象，有助于學員理解復雜的電磁理論知識，激發學員想象，把問題變抽象為形象、變難為易、化繁為簡。

（二）融入“如鹽入水”的思想政治設計，培養學員家國情懷

教學內容緊貼通信、雷達系統中等涉及電磁技術的新理論、新應用發展現狀。課堂內外積極融入名家大師、大國工程、經典案例等豐富的課程思政元素。介紹中國科學家在電磁波與天線領域對世界的貢獻，彰顯中華民族在科技發展道路上的卓越成就。通過中國“天眼”、北斗衛星導航系統、探月/火星工程、天波和地波超視距雷達工程等國家重大工程的視頻，提升學員的民族自豪感，培養其追求卓越的精神。電磁學課程中包含著很多辯證唯物主義的思想，潤物無聲地向學員傳播馬克思主義科學理論，起到如鹽入水的思想政治效果。同時注意以身邊的榜樣和典型激勵學員奮發向上，弘揚正能量，比如介紹國家最高科學技術獎獲得者——我校的錢七虎院士為國鑄就最強盾，鑄就“地下鋼鐵長城”的先進事跡，鼓勵學員獻身國防、建功立業。

（三）完善“分層遞進”的培養模式，鍛煉學員的實踐能力

課程突出培養學員的專業實踐能力，構建了電磁仿真模擬平臺和微波暗室實測平臺，形成不同層次學員創新實踐需求的“三位一體”（原理驗證、仿真模擬、效能評測）的先進教學條件。探索了“課內夯實基礎、課外強化實踐”的難度“分層遞進”培養模式。為不同基礎及不同層次學員在電磁工程創新實踐能力培養方面提供差異化需求和手段。充分利用學科優勢，提升教學的科學前沿性和工程實用性。相關科研成果已經作為典型的射頻案例進入了理論教學課堂，同時作為實踐教學的輔助，為提升學員科技創新的實踐能力發揮了重要的作用。

結語

新工科理念給高校課程建設指明了新的方向，同時也注入了新的發展動力。“電磁波與天線”作為公認的難教難學的理工科課程，課程教學建設面臨著機遇與挑戰并存的局面。本文圍繞新工科背景下的“電磁波與天線”課程教學的主要問題、應對策略及效果特色三個方面進行了粗淺的探討，力求提升學生的綜合學習能力，培養學生扎實的電磁工程素養，對其他相關課程的教學實施有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]“新工科”建設復旦共識[J].復旦教育論壇，2017，15（2）：27-28.

[2]“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[3]新工科建設指南（“北京指南”）[EB/OL].（2017-06-09）[2021-12-30].http：//education.news.cn/2017-06/13/c_129631611.htm.

[4]教育部辦公廳.教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知[EB/OL].（2018-03-21）[2021-12-30].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201803/t20180329_331767.html.

[5]曹文權，朱衛剛，邵尉.電磁波與天線[M].北京：清華大學出版社，2022：1-15.

Study on the Course Teaching of Electromagnetic Wave and Antenna under the Background of “Emerging Engineering Education”： Taking the Related Courses in PLA Army Engineering University as Examples

CAO Wen-quan， ZHU Wei-gang， XUE Hong

（Institute of Communication Engineering， PLA Army Engineering University， Nanjing， Jiangsu 210007， China）

Abstract： Electromagnetic Wave and Antenna is a core professional course to study the basic theory of electromagnetic field and electromagnetic wave， the basic knowledge and the analyzing methods of antenna and radio wave propagation， and plays a key role in talent training. In view of the course teaching under the background of “emerging engineering education”， this paper analyzes the shortcomings of this course in five aspects： the classroom learning efficiency， the mathematical physics foundation， the abstract thinking ability， the network learning interest， and the practical ability. Then， the countermeasures are discussed from three aspects： systematically designing teaching contents， deepening the reform of teaching methods， and optimizing classroom teaching design. Finally， it summarizes the effects and the characteristics of the course in teaching means， ideological and political design， and teaching mode. The analysis of course teaching can promote students’ comprehensive learning ability and electromagnetic engineering literacy， and has a certain reference value for the construction of related professional courses.

Key words： Electromagnetic Wave and Antenna; course teaching; “emerging engineering education”