新工科背景下應用型本科院校“電磁場與微波技術”課程理論與實驗一體化教學設計研究

花 濤 覃 翠 包永強 王保升

1.南京工程學院信息與通信工程學院 江蘇南京 211167；2.南京工程學院實驗室與設備管理處 江蘇南京 211167

一、教學中遇到的問題

“電磁場與微波技術”是高等院校通信、電子類專業的重要的專業必修課程，是學生學習天線、射頻技術、微波電路等后續知識的基礎，近幾年來，5G、6G通信技術的迅猛發展對“電磁場與微波技術”知識掌握也提出更高的要求。然而，“電磁場與微波技術”課程對學生的數學功底要求較高，許多知識內容在理論上充斥著各式各樣的數學公式，這會讓一些學生產生學習恐懼感，進而失去學習興趣。并且，相比于研究性高校，應用型高校學生的平均數理基礎會略低，上述問題也會更加突出，這就不斷要求運用新的教學方法或手段來提高學生學習“電磁場與微波技術”知識點的效率[1-3]。當前我國工業產業經濟正處在轉型升級的關鍵時期，需要大量的應用型人才作為支撐。2017年，國家教育部提出了“新工科”建設項目，突出強調了新時代、新環境、新形勢下工程應用型人才的培養。筆者所在的高校南京工程學院是一所強調應用型人才培養的本科院校，“學以致用”是其校訓。筆者在從事“電磁場與微波技術”課程的講授過程中，面對許多學生的數理基礎有限，從而對電磁場與微波知識學習興趣不強，學習成績分布方差很大的難題困境，近年來逐漸采用理論與實驗一體化融合教學的模式，有利于對知識點的靈活掌握和實際應用。

二、教學改革內容

理論與實踐相結合的一體化教學模式要求在課堂上同步開展理論與實驗教學，進而加深學生對相關知識點的理解。教師和學生在課堂上充分互動，進行教師授課、學生學習、實驗操作、鞏固練習的同步進行，形成融知識傳授、能力培養、素質教育于一體的教學模式。

目前，理論實踐一體化教學模式應用在了許多高職高專院校教學中。而針對于應用型本科院校，理論與實踐一體化教學模式在具體課堂融入時應具有以下幾個特點：(1)傳統教學模式一般是“先理論課、后實驗課”的模式，本科院校理實一體化教學應更強調嘗試“先學生實驗探索、后教師理論講授”的模式，以此激發學生對相關知識點的探索興趣以及對相關原理的深刻掌握，突出對學生探索精神和科學素質的培養。(2)不僅是應用技能的學習，本科院校的理實一體化教學更加強調學習系統性的知識，更加強調學生對實驗現象背后的理論定律的深刻理解。(3)由于將來許多學生會進入專業性更強的研究生階段學習，因此本科院校的理實一體化教學更加強調融入學生創新能力的培養，強調融入更多的綜合設計性的實驗環節，而不僅僅是驗證性。(4)本科院校的理實一體化教學應更加強調引入研討式教學。每節課在保證教學進程完成的前提下，通過學生現場實驗操作的實際表現，以及學生的現場回答問題反饋，及時調整課程教學時間安排。(5)相比于傳統的實驗教學，理實一體化教學在時間安排上需要加大教師講授部分的時長，并采用多節點方式，教師知識點講授和學生實驗操作演練交替進行，最終達到課程教學目標。

三、教學設計案例分析

“電磁場與微波技術”課程由于具有相對復雜的理論知識體系，是一門適合于實行理論實踐一體化教學模式的本科課程。筆者在這里通過兩個實際的教學設計案例，來和大家交流研討本門課程理實一體化教學設計的具體實施。

(一)實例一：微波傳輸線的工作狀態教學

傳輸線的工作狀態分析是傳輸線理論中十分重要的一個章節，這之中需要學生掌握傳輸線在不同工作狀態時的特點與條件，包括線上反射系數、輸入阻抗、電壓與電流波分布等，尤其重點掌握負載阻抗對傳輸線工作狀態的影響。與這些知識點相聯系的數學公式相對比較復雜，單純的教學PPT演示并不容易讓學生快速準確地掌握這些重要知識點。理論實驗融合教學中的實驗系統如圖1所示。

可調頻率的微波源將一定頻率的電磁信號輸入矩形波導傳輸線中。信號首先經過一段衰減器，用以調節合適的信號功率進入傳輸線；然后經過一段波長計，波長計由一個圓波導諧振器構成，通過調整諧振器腔體尺寸以引起共振來精確測定輸入信號的頻率；接著信號進入矩形波導傳輸線中傳輸，傳輸線頂部中央有開槽，接有選頻電壓表，用以測量傳輸線各位置的電壓；在波導傳輸線終端可接入不同類型的負載，如匹配負載、失配負載、短路片等。

學生通過上述設備在課堂上測量操作，結合教師在課堂上的同步講授，重點學習掌握以下知識點：(1)波導尺寸與傳輸信號截止頻率的關系。波導最常見的結構是傳輸電磁波的空心金屬管結構，在橫截面為矩形的空心金屬管內傳輸電磁波，在理論上其頻率需大于c/2a才能夠傳輸，其中c為真空中光速，a為矩形波導空心橫截面寬邊的長度。學生操作時緩慢調節信號源的頻率，同時測量傳輸線上電壓表信號的有無，探尋傳輸線上有電壓信號時的源頻率范圍。隨后教師講解其背后的原理，學生再一次動手驗證加深印象。(2)傳輸線接不同類型負載與傳輸線上工作狀態的關系。傳輸線終端接不同類型負載時，對應著不同的工作狀態，不同工作狀態下的傳輸線上各位置的電壓電流分布、駐波比、輸入阻抗等特性是不同的。當終端接匹配負載(負載阻抗值等于傳輸線特性阻抗)時，傳輸線處于行波工作狀態，線上能量可以完全輸送到負載；當終端接短路片或空載開路或純電抗元件時，傳輸線處于駐波工作狀態，能量完全無法輸送給負載；當終端接失配負載(不等于傳輸線特性阻抗的負載，且不是短路、開路和純電抗元件)時，傳輸線處于混合波(行駐波)工作狀態，線上能量部分可以輸送給負載。建議學生先動手進行測量操作，探索接不同類型負載時的傳輸線上不同位置的電壓、駐波比、輸入阻抗等特性，進而教師進行知識點講授，讓學生加深記憶與理解。(3)諧振腔的尺寸與諧振頻率的關系。諧振腔是使得高頻電磁場在其內部持續振蕩的閉合金屬空腔，具有較高的品質因素。電磁場能量集中于腔內，沒有輻射損耗。諧振腔中比較常見的是圓柱形諧振腔，圖1系統中的波長計就是由圓柱形諧振器構成。調節諧振器腔體長度可以調節諧振器的諧振頻率，當微波信號頻率與諧振器諧振頻率相等時，傳輸線內的微波信號功率會迅速降低，傳輸線上電壓表的電壓值迅速變小。基于此，讓學生探索測量諧振器腔體長度與其諧振頻率的關系，進而教師再進行理論講授，學生再動手驗證加深印象。

綜上，通過以上步驟的理實一體化教學實例，學生可以很好地掌握微波傳輸線理論的重要知識點。讓學生先去測量探索，一方面增強學習興趣，培養他們的探索精神與科學素養；另一方面也有利于學生對相關知識點的記憶與理解。

(二)實例二：微波網絡基礎教學

微波網絡是指具有若干輸入、輸出端口的區域，內部為由各類型傳輸線連接的微波元器件所構成的微波電路或系統。微波網絡理論與電磁場理論同為微波領域中主要的基礎理論，是“電磁場與微波技術”課程中重要的知識章節。然而，學生在學習微波網絡理論時常會對其抽象的數學算式缺乏理解，比如非常重要的知識點，散射參量S參數的含義與用法；另一方面，學生也普遍沒有學會使用工業界常用的微波工程電磁仿真軟件如HFSS、CST軟件。因此，筆者建議在進行微波網絡教學時，課堂上代入HFSS或CST的教學，學生邊練邊學，促進對相關知識點的理解。

圖2是基于HFSS軟件建模的腔體交指型濾波器構成的二端口網絡器件，圖3是該二端口器件的散射參量S參數曲線仿真結果。

圖2 基于HFSS軟件建模的腔體交指型濾波器構成的二端口微波網絡器件

圖3 上述二端口器件的散射參量S參數曲線，紅色曲線為S11曲線，紫色曲線為S21曲線

學生通過在課堂上進行軟件操作，結合教師在課堂上同步教授，重點學習掌握以下知識要點：(1)工業界中常用微波工程仿真軟件的使用。對于應用型本科院校電子信息類專業學生來說，不僅要掌握基礎理論知識，也要學會目前業界主流的工程軟件的用法。筆者在“電磁場與微波技術”課程的教學進程后期，微波系統、微波網絡章節教學時，在課堂上會代入HFSS電磁仿真軟件的教學，以提升學生的工程應用能力。圖2是基于HFSS軟件的常用微波器件，腔體交指型濾波器的建模設計。(2)微波網絡參量的含義。任何復雜微波元件實際上都可以用一個網絡來代替，其特性可用網絡端口參考面上選定的變量以及相互之間的關系來描繪。如果選定參考面上的變量是電流或者電壓，就可以得到Z參量(阻抗參量)、Y參量(導納參量)以及A參量(轉移參量)；而如果選定參考面上的變量是入射電壓波和反射電壓波，就可以得到S參量(散射參量)和T參量(傳輸參量)。這五種參量之間可以相互轉換，其中S散射參量是最常用、最重要的一種參量，表示微波網絡中的反射系數和傳輸特性。學生通過HFSS軟件建模，不斷調整器件結構并仿真得到微波器件各端口S參數值，如圖3所示，促進學生對S參數等微波網絡參量的理解與掌握。(3)微波網絡參量與工作特性參量的關系。二端口元件作為微波系統中最常用的元器件，其工作特性參量對于微波器件來講是很重要的特性指標，如插入反射系數、插入駐波比、插入衰減、插入相移、電壓傳輸系數等。學生通過不同類型二端口器件的建模，得到器件的網絡參量值。學生根據網絡參量值自行計算器件的工作特性參量，結果與工作特性參量的軟件仿真結果相比較，以此促進微波網絡參量與工作特性參量之間相互運算關系的掌握。

四、教學效果

筆者在“電磁場與微波技術”課程授課過程中，在多個重要知識點上融入了理論與實踐一體化教學模式，強調讓學生先進行自行實驗探索，摸索規律，培養其科學素養與探索精神，隨后再跟進教師理論授課，以此讓學生加深對相關重要知識點的理解與掌握。近幾年來，筆者所帶的南京工程學院電子信息科學與技術專業的學生，每屆都會有多名學生畢業后從事射頻、微波天線就業方向，且每屆都會有學生考取雙一流高校的“電磁場與微波技術”專業方向的研究生。如2022年，所教學生中有四名考取了上海交通大學、南京大學、北京航空航天大學“電磁場與微波技術”專業方向的碩士研究生，其中一名更是取得了425分，專業筆試第一名的好成績。他們優秀的“電磁場與微波技術”專業課考研成績，體現了筆者將新教學方式融入“電磁場與微波技術”課程的優秀的教學效果。