電磁波與天線課程“虛實結合”教學方法改革創新的思考

朱衛剛 薛紅 曹文權

摘? 要：教學方法改革與創新是提高新工科課程教學質量的有力舉措。針對新工科專業課程電磁波與天線課程理論性強、公式繁雜的特點，該文著眼提高課堂教學效果，激發學生學習動力，提出 “虛實結合”的多元融合教學法。該文分析課程教學現狀，探討“虛實結合”教學方法改革與創新的途徑，并對“虛實結合”的教學案例進行分析。教學實踐表明，在“虛”的方面，引入Matlab和HFSS軟件對抽象概念虛擬仿真，可以讓電磁波的場特性形象化；在“實”的方面，采用小型化電磁場演示儀和微波試驗箱，以實物形態在課堂演示，讓“抽象難懂”的理論知識具體化，可有效推動學生理解和掌握電磁波從發射、傳播到接收的全系統的知識，提高學生在電磁工程方面的實踐創新能力，近幾年學生也在國家和校級科技創新競賽活動中取得優異的成績。

關鍵詞：電磁波與天線課程；虛擬仿真；小型化電磁場演示儀；虛實結合；教學方法改革與創新

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）25-0134-04

Abstract： Teaching approach reform and innovation is a significant move to improve the teaching quality. The course of Electromagnetic Waves and Antennas covers a large number of complex formulae and is highly theoretical. To improve the effectiveness of the conventional classroom teaching and stimulate the students' learning motivation， this paper explores and practices a diversified teaching method that combines both virtual simulation and real-object demonstration. With focus on the key points and difficult points in teaching， we propose to build mathematical models for abstract concepts by using the software tools Matlab and HFSS to visualize the field properties of electronica waves， which is virtual simulation. In terms of real-object demonstration， we use small electromagnetic field demonstrating instruments and microwave test boxes to visually demonstrate abstract and complicated theories in class. Our teaching practices have proved that this kind of virtual-real combination between software and hardware can effectively promote the students' understanding and command of the systematic knowledge of electromagnetic wave from emission， propagation to reception， and improve the students' practice and innovation capabilities in electromagnetic engineering. The students also have achieved excellent results in the scientific and technological innovation competitions held at the school and national levels.

Keywords： Electromagnetic Waves and Antennas course; virtual simulation; the small electromagnetic field demonstrating instrument; virtual-real combination; reform and innovation of teaching method

新工科背景下，“新工科”建設更加注重學生的創新意識和實踐能力的提升[1]。改革教學方法，使課堂組織形式更加靈活，有助于改變教學過程中單向要求學生接受學習的現狀，進而建立雙向互動的課堂交流模式，促進學生學習方式的轉變，培養學生的科學思維能力和實踐能力。深化教學改革和創新教學方法是提高教學質量和培養學生實踐能力的重要手段，也是全面提高人才培養質量的有力舉措[2-4]?！爸袊圃?025”等國家戰略提出了面向世界和未來的先進策略，為產業轉型升級進行了全面統籌規劃，也為高校教育的改革發展指出了未來發展的方向。

一? 課程教學改革的基本情況

電磁波與天線課程作為陸軍工程大學新工科通信工程專業的重點建設課程，是分析和研究現代電子技術領域中各類電磁問題的基礎，也是通信工程專業最為重要的專業課程之一。學生通過本課程的學習能夠掌握宏觀電磁現象的基本定律和性質，理解電磁波從發射、傳播、接收全過程的理論知識，并具備一定的電磁工程實踐能力，為以后從事相關領域的科學研究和工作打下必要的理論基礎。

（一）? 教學面臨的主要問題

近些年，隨著先進教育信息技術的發展，課程教學模式產生了很大變化，MOOC、在線課程、微課、SPOC教學和智慧課堂等方式逐漸走進課堂教學，與之相匹配的教學內容和教學方法隨之也進行了改革和創新，但也面臨著一些新的問題，主要表現為：一是課程抽象內容和繁雜公式，學生學習興趣低，自發學習電磁理論的內在動力不足；二是課堂教學手段單一，抽象內容難以直觀呈現，仍停留在板書和理論講解；三是實踐教學中，個性化的實驗項目偏少，學生動手鍛煉的機會不足，不利于創新能力培養；四是軟件虛擬仿真支撐偏弱，對于培養學生解決復雜工程問題所需的綜合能力形成了限制。

（二）? 教學目標的重新設計

電磁波與天線作為核心專業課，課程教學改革定位于實現“淘汰水課，打造金課”這一目標。針對教學內容中的抽象概念和繁雜公式，在課堂教學中，聚焦新工科建設和發展的需求，按照“強化基礎理論，突出應用特色，加大信息含量，注重實踐環節”的教學思路，設計教學策略，把“虛實結合”的軟硬件平臺應用到理論教學中，突出電磁工程實踐能力培養，將理論與實際緊密結合起來，以學帶“練”，以練促“學”。

（三）? 教學內容的優化整合

隨著院校轉型，按照新的人才培養方案和課程教學要求，電磁波與天線課程需要對原有的電磁類核心課程的電磁場與波、天線與電波傳播及微波技術基礎的教學內容進行優化融合，并形成新的信息類專業核心課程。該課程以高等數學、大學物理、電路分析等作為先導課程，為通信原理、微波通信、衛星通信系統等專業課程提供專業基礎理論，成為本科階段最為重要的“橋梁型”課程之一，起到承上啟下的作用。課程內容體系包括 “電磁場理論基礎、工程基礎及天線應用、前沿技術”三部分內容，涉及矢量分析、電磁場基本方程、均勻平面電磁波的反射與折射、均勻傳輸線基礎理論和微波傳輸線、天線的基礎知識及應用等重要內容，全面培養了學生電磁信息素養和工程實踐能力。

（四）? 教學方法的改革路徑

新課程內容體系完整，知識模塊具有相對獨立性，但課程具有抽象內容多、公式推導多、實施難度大的特點，教和學兩方面都面臨著挑戰，成為在本科階段公認的“難教難學”的課程之一。為了破解難題，急需在教學方法的改革路徑上形成突破。一是在課堂教學中，要以學生為主體，引入多種教學方法，為學生呈現電磁理論直觀的表述和結果，利于學生消化和吸收；二是實踐教學中，設置不同難度等級的實驗項目，吸引學生積極參與；三是課后開展科技競賽活動，推動學生積極參與校內和校外的科技創新活動，讓學生有成就感，提高學生的創新實踐能力。

二? 課程“虛實結合”的教學方法

“虛實結合”是指針對課程中抽象的理論和概念，用軟件虛擬仿真和實物演示相結合的一種實踐方式[5]。課堂上如何激發學生學習動力和實現師生教學相長的良性互動，成為實現課程教學目標的關鍵環節。為此，在課堂上有針對性地采取靈活多樣的“虛實”結合的教學方法和手段，形成了學員思維活躍、師生溝通順暢、學習目標明確的課堂教學氛圍，成為教師提高教學質量和提高課堂教學效果的有力保障。

（一）? 探索多元融合教學方法

課堂教學是“教與學”的主陣地，問題牽引式、研討式、案例式和類比式等教學方法是電磁波與天線課程教學經常采取的方法[6-7]。依據授課內容難易程度將多種教學方法相融合，引導學員由淺入深地學習抽象的電磁理論，既可以是師生之間的輕松討論，也可以是學員之間的探討和辯論。遇到學生不易理解的抽象內容，教師采用虛擬仿真和實物演示的方法和手段，將課程抽象概念、定理的形象具體化，有利于學生科學思維的培養和電磁工程素養的提高。此外，利用網上教學平臺，將課堂上不能充分展示的教學資源在課后推送線上，利于學生自主學習課堂上不易掌握的概念，緩解課堂課時不足帶來的矛盾，提高學生自主學習能力。

（二）? 搭建小型實物型演示儀

在電磁波與天線課程的課堂理論教學中，抽象的教學內容遍布課程多個章節，在三尺講臺上采用實物演示儀表現抽象內容并為學生提供感性認知和直觀結果，對學生當場吸收和消化重難點內容極為重要。教師應結合教學內容，因地制宜地制作小型化實物模型和輔助教學工具，搭建電磁波與天線演示平臺，配備了微波技術試驗箱，適時進行演示和講解，增加教學內容的直觀性和趣味性，以達到提高教學效果的目的。

（三）? 軟件模擬抽象模型的電磁特性

電磁波與天線課程學時長，所有教學內容都采用實物演示，將為教師實施教學帶來極大困難。隨著電磁仿真軟件HFSS和ADS等的應用，其強大的電磁模型的輻射特性模擬和仿真功能，為學生直觀理解抽象概念帶來極大的便利。在天線基礎知識及應用中，電磁工程應用的各種結構的天線外觀和輻射特性各異，相關內容理解成為困擾學生的一大障礙。課程教學中，建模一些典型應用場景的實際天線，模擬出其三維方向圖、增益和極化特性等，將計算結果形象地展示給學員，使學員有一個感性認識，激發了學生的內在學習動力。

三? 課程“虛實結合”教學法應用案例

在電磁波與天線課程教學過程中，教師要在有限的時間內講述大量抽象的概念、定理和復雜的公式推導，就必須增強授課的趣味性，想辦法把抽象的概念形象化、直觀化，激發學生的內在學習動力。教師可根據課程各章節教學內容難度不同，對重點內容進行分類，或者采用虛擬仿真，或者采用實物演示，亦或兩者相互結合，相得益彰，以使抽象的概念變得直觀易懂。

（一）? 點電荷的電場與電位的虛擬仿真

在靜態電磁場章節中，點電荷的電場與電位是認識電磁學的出發點，是學習時變電磁場的理論基礎。在傳統教學中，學生對電場和等位面缺少感性認識，往往停留在對抽象概念的理解上，對其空間的變化缺少整體認識，尤其是對電力線的變化缺乏感性認識，為此在教學中可采用體驗式的教學策略予以結局。教師可以讓學生安裝 Matlab軟件，利用該軟件的虛擬仿真能力，將電荷的電力線變化和等勢面形象直觀地呈現給大家，提高大家的興趣。此外，對于軟件編程能力強的學生，提高實驗項目等級難度，并鼓勵學生給出了等勢面的立體圖，使得這些概念的形象直觀有趣。圖1是學生通過自己編程后仿真模擬的結果，其中圖1（a）給出了點電荷的電力線模擬圖，從中心向外發出，很好地解釋了書本上的電力線發于正電荷的結論，圖1（b）給出了點電荷的電位立體模擬圖，形象展示了點電荷在整個空間的分布，直觀形象。通過虛擬仿真，學生普遍反映，既鍛煉了編程能力，也對抽象概念有了更為清晰的理解，同時也增強了學生學習的興趣和動力。

（二）? 電磁波極化演示的“虛實結合”

電磁波在空間傳播時，電磁波的極化方式有多種形式，包括線極化、圓極化、橢圓極化，概念非常抽象，許多學生課堂無法理解電磁波極化方式，也無法判別電磁波極化的旋向，成為教學中的難點和痛點，為此教學可以采用問題牽引式教學方法予以解決。圖2就基于軟硬件“虛實結合”的手段對電磁波極化的概念進行了演示，并給出了電磁波極化直觀結果。在圖2（a）中，學生采用Matlab軟件編寫了電磁波極化的程序，虛擬仿真沿+z方向傳播左旋圓極化波，并繪制出三位空間的電磁波圓極化曲線，讓抽象的極化概念形象直觀呈現在眼前，促進了學生理解電磁波極化這一抽象概念。圖2（b）為電磁波極化的實物演示平臺，學生通過實物平臺中天線的轉動，感受電磁波極化的影響，展示并驗證不同極化天線接收電磁波時發生極化匹配和失配現象，提升學生的興趣，并潛移默化地讓學生理解電磁波極化概念的重要性和工程應用的意義。

（三）? 電磁波參數測量

電磁波波長及介電常數測量屬于電磁理論驗證實驗項目，實驗的主要儀器儀表是微波分光儀。該實驗目的是研究電磁波在空間傳播的反射與折射定律，利用相干波源測定空間電磁波的波長，并基于加載介質板所形成的波腹點和波節點測定介質板的介電常數。通過實驗，學生可以沉浸式體驗電磁波反射與折射定律，并能驗證相關波源在接收點處形成波腹點和波節點的干涉效應，加深對電磁波理論的理解。圖3給出了電磁波參數測量的示意圖，其中圖3（a）為微波分光儀，儀表操作簡單，實驗精度高，不僅可以測量參數，同時可以測量電磁波的反射與折射等實驗項目。圖3（b）為實驗項目的的原理圖，通過實物的測量，可以讓學生直觀感受到電磁波的存在和傳播特性參量。

（四）? 天線輻射特性的虛擬仿真

天線的輻射特性是課程最為抽象的教學內容，也是電磁工程實踐中理論聯系實際最為緊密的內容。天線輻射機理晦澀難懂，涉及了大量的數學公式推導，學生在學習過程中對抽象概念往往一知半解。如何將天線輻射特性直觀展示在學生面前，成為教師課堂教學面臨的一個重要問題，為此教學中可以采用案例教學法予以解決。教師可以基于Matlab軟件，讓學生編寫程序，模擬時變電偶極子在空間輻射時的情況，讓學生直接觀察到電磁波是如何形成的，并體會空間電力線的形態和變化，圖4（a）給出了三個不同時刻電磁波的輻射。圖4（b）則是針對實際天線應用時，采用HFSS電磁仿真軟件對天線進行建模，模擬出其三維空間的立體方向圖，讓學生體會天線輻射的電磁能量在空間的分布狀況。通過兩種方式對比，可以讓學生更深刻地感受到電磁波輻射的本質特性，讓抽象的概念更易理解，更易被學生接受。

實踐表明，電磁波與天線課程采用“虛實結合”教學方法，課堂教學效果明顯提升，也激發了學生學習電磁理論的興趣，提高了學生電磁工程實踐創新能力。學生在近幾年的科技創新實踐活動中取得了優異成績，先后在全國和校級大學生科技競賽中獲得多項一、二等獎，并在會議期刊發表學術論文10余篇，推動了更多學生投入到創新實踐活動中。

四? 結束語

基于“虛實結合”的多元融合教學方法，可充分發揮軟件虛擬仿真技術和小型電磁波與天線演示儀功能，將課堂抽象難懂的概念形象化和具體化，對于激發學生學習的內生動力，提高學生的學習興趣和實踐創新能力具有重要作用。此外該教學方法在提高課堂教學效果的同時，也提高了年輕教師的授課水平，促進了課程教學質量的提高，對其他電磁類課程的教學方法改革也有一定的推廣和借鑒意義。

參考文獻：

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