论文部分内容阅读
摘 要：在分析“微波技术与天线”课程特点和当前教学中存在问题的基础上，从提高教学质量和培养实践能力强有创新精神的微波通信人才两个目的出发，在四个方面进行了“微波技术与天线”课程的教学改革与优化探索和研究。
关键词：微波；天线；教学改革；网络教学
一、概述
“微波技术与天线”是电子信息工程、通信工程和电子科学与技术类专业的一门重要专业必修课，也是一门学生公认较难学的课程。该课程既与大学初期的高等数学、大学物理学等基础课程的知识紧密联系，又对后期网络优化、移动通信、电磁兼容等前沿学科的学习和认知有着重要作用。随着信息技术的快速发展，微波工程、网络优化、移动通信、卫星通信、雷达和全球定位系统等领域需要大量能够熟练掌握微波和天线相关原理和技术手段的人才，特别是能将理论与实际紧密联系的人才。针对社会需求的发展以及相关理论和技术应用的最新进展，对“微波技术与天线”进行课程教学改革与优化势在必行。
二、课程主要特点
“微波技术与天线”课程是一门对理论和工程性、实践性要求很高的课程，其教学内容分为微波技术和天线两块。
“微波技术与天线”课程具有如下几个特点：
（1）存在大量的理论推导和证明，对学生数学基础要求较高。本课程与电磁场理论联系紧密，属于其后续课程，在分析波导和天线时，都是从Maxwell方程组出发，涉及复杂的数学推导，采用的数学工具包括高等数学、复变函数和矩阵理论等，对学生前期的数学基础要求较高。
（2）内容抽象，不利于学生理解。波导理论及微波器件分析都涉及场结构在三维空间的分布，过于抽象，不利于学术理解；各种微波元器件如功分器、谐振器等都是微波电路中特有的器件，学生平常很少接触；另外，各种天线的三维结构、馈电原理、辐射方向图等也都比较抽象。
（3）分析方法特殊。微波技术分析方法不同于常规的电路分析方法，它包括两种不同的分析方法：传统的场分析方法和微波中的“化场为路”的方法[1]。场分析法从麦克斯韦方程出发来分析在给定空间内的电磁波传输特性。“化场为路”方法通过微分思想把传输线等效为分布参数电路，从而可以通过常规的电路分析方法获得沿传输线的电压和电流分布，进而分析其阻抗、反射系数及驻波比等传输特性。微波技术着重从“路”的角度去解决微波信号的产生、传输问题；天线则侧重从“场”的角度去研究天线的辐射和接收问题。
（4）微波技术与天线技术应用广泛，工程实践性强。微波技术与天线技术广泛应用于雷达、空间通信、移动通信和RFID等领域，真正是一门理论和应用并重的学科。特别是其在移动通信领域的大量工程应用更加昭示着它是通信学科一门重要的实践性课程。
三、教学中存在的问题
由于“微波技术与天线”课程的特殊性，在教学中主要存在以下问题：
（1）教学与考核内容片面化。当前“微波技术与天线”课程教学局限于教材，而教材可能由于篇幅限制，或由于内容过于陈旧，对于微波技术和天线在实际工程中的应用没有充分体现，特别是在最新的通信体系中的应用更是缺乏有价值的实例。考核也主要依据学生的考试成绩，而考试主要针对学生对概念和原理的掌握程度，不能体现学生实际解决具体工程问题的能力，不能实现学以致用，也就使学生浮于表面。
（2）授课手段单一，不能突出课程特点。“微波技术与天线”课程既有大量的理论推导和证明，也有许多具体的器件以及器件的上电磁分布等需要向学生展示。而当前“微波技术与天线”的课堂教学主要是采用传统的板书式教学，这对于课程当中的理论推导部分，有助于学生深刻理解其来龙去脉，但效率低，要想在有限的课时内扩充书本之外的知识几乎不可能。而采用全多媒体教学授课时效率很高，也非常有利于教学内容的丰富，但容易导致讲课速度过快，学生在下面就像看电影，跟不上老师的节奏，也无法参与其中，从而使效果大打折扣。
（3）课堂授课以知识灌输为主，缺乏对学生自主思考的引导和创新能力的培养。当前教学中多采用平铺直叙的方式，从概念定义开始，然后原理方法一步一步向学生灌输，学生也理所当然地全盘接收，学生在教学过程中缺乏自主思考的机会和批判性能力的培养，而这正是以后学生从事科学研究进行创新所需要的。
（4）微波实验设备价格较高，缺少足够的学科建设及科研经费。微波实验设备如微波信号发生器、矢量网络分析仪等价格都非常昂贵，大多数学校都缺乏相应的经费，这会造成实验室先进仪器设备相对匮乏，从而给实践教学带来很多的限制。没有实践教学的配套，学生接触实际的微波系统较少就不能激发其学习“微波技术与天线”的兴趣。
四、课程教学改革与优化
为了提高“微波技术与天线”课程的教学效果，培养具有扎实基础和解决实际问题能力的微波技术方面的人才，我们从以下方面对“微波技术与天线”课程进行教学改革与优化：
（1）以应用为主线，从多方面培养学生解决实际微波技术与天线方面问题的能力。在学校有限的资源下为了培养学生的工程实践应用能力，我们建立了一整套的体系。首先，在课堂教学中引入更多的应用案例，如：手机天线、基站微波电路、移动通信的室内分布系统等，以案例结合理论知识加深学生的理解，提高其兴趣。其次，合理安排实验教学，将理论授课和实验教学有机融合，让学生在实验中体验到理论的精髓，促进理论学习的兴趣。最后，在课程结束后，安排制作简单的微波类实物，如WLAN 天线等作为课程考核的一部分。实物从设计到制作到最后指标的测量都由学生自主解决，并提供最后的实物成品和完整的系统报告作为考核成绩的标准。这可促使学生在实际应用中将所学知识融会贯通，也会学以致用增加其成就感。我们在大三学年末的毕业生产实习中安排他们进入移动等运营商接触实际的微波工程，并在大四的毕设中安排部分微波与天线相关的毕业设计题目，以此为契机指导学生阅读最新的微波和天线相关科技文献进行科学研究，甚至有条件的话让学生参与教师相关的科研项目。通过以上各层次的培养，既让一般学生具备了必备的微波和天线技术基础，也让有志于在微波与天线技术方面发展的学生能力得到了更大的提高，从而在就业中具备自己独特的竞争优势。 （2）根据技术发展和现实需求对课程内容进行扩充和分类，并采取多种教学方式有针对性地授课。微波技术和天线技术应用广泛且正处于不断发展当中，教材内容一般偏于经典理论、且内容相对陈旧，跟当前技术发展的实际相脱节，单纯讲授教材内容很难调动学生的兴趣和参与课程的积极性。因此，根据通信专业的特点、技术发展现状和工程应用进行教学内容的扩充和调整势在必行。比如，我们2014年就在“微波技术与天线”课程的授课中扩充了光载无线通信技术（ROF，radio-over -fiber）、移动通信天线和室内分布式系统等内容。这些扩充内容既激发了学生的兴趣又有利于学生对通信专业的理解，并为后续课程的开展打下了良好的基础。而对课程内容则仔细梳理根据其特征进行合理分类，并针对分类结果采取不同的授课方式形成多层次的立体化授课体系。对数学推导比较多的地方采用传统板书进行教学；对于一般的概念、波导内的电磁场分布等采用多媒体教学；对于微波器件和天线部分则采用实物展示和微波仿真软件模拟相结合的方式辅助教学；对较前沿的议题则可以采用安排学生课前调研和课堂讨论的形式，并适当邀请微波开发人员和相关工程从业人员讲授部分课程。这种综合的授课方式变单向灌输为双向互动，激发学生参与课堂教学积极性，对于加深学生理解，提高授课质量大有裨益。
（3）建立综合的网络教学平台作为课堂教学外的有益补充。网络教学具有非时效性、非线性、共享性、开放性、交互性和个别化等特点。利用网络教学，教师和学生可以不受时间、空间的限制，随时随地开展教学活动。网络教学可以发挥教师的主导作用，激发学生的学习热情，使学生成为学习的主体，实现以教师为主导、学生为主体的“双主型”教学模式[2]。因此，为了实现对紧张学时的补充，也为了给学有余力的学生提供更丰富的学习资源，我们正建立“微波技术与天线”网络教学平台。初步规划该平台包括教学资源、科研前线、工程实践、虚拟实验、软件下载以及教学论坛6个部分。教学资源包括课程介绍、课程大纲、教学日历、考核要求、课件、课堂教学视频、课程参考电子书、习题库以及在线测试。科研前线提供微波和天线方面的一些最新的科研进展以及相关的参考文献的下载。工程实践提供工程应用实例和系统设计方案方面的资源。虚拟实验包括仿真软件学习指导、常用仿真实验程序下载以及系统仿真作业。软件下载提供常用的仿真软件如HFSS、Microwave Office、ADS、Matlab等的下载。教学论坛则用于教师和学生之间交流和沟通，学生可以在平台上提出教学建议，也可以提出疑难问题，而教师可以在线为学生答疑，也可以根据学生反馈信息提高自己的教学方式。通过这样一个综合性网络教学平台的创建，我们可以摆脱课堂教学课时的限制，尽量扩充学习的内容，也可以通过仿真实验来弥补实验设备匮乏的问题，同时也为学生科研创新和工程应用提供资源，更创建了教与学联系的纽带实现教与学互相促进。
（4）课堂教学和课程作业相结合培养学生创新能力。在课堂教学中注重启发式教学的应用，由教师多提出一些有意义的问题，鼓励学生利用发散性思维、联想性思维和逆向性思维寻找最终答案，给出新的应用[3]。而课程作业则通过安排学生撰写文献综述和鼓励学生进行新的微波和天线设计及应用来培养学生发现问题、独立思考问题和解决问题的能力。
五、结论
“微波技术与天线”课程是通信和电子信息类专业一门重要的专业基础课，也是指导学生
进入微波与天线技术大门的先导课程，同时也随着技术的进步在不断地发展。而我们所要做的就是，根据课程的特点，根据时代的发展，根据社会的需要，本着一切服务学生的目的，不断探索、逐步完善“微波技术与天线”课程的教学改革与优化。
参考文献：
王新稳，李 萍，李延平.微波技术与天线（第2版）.北京：电子工业出版社，2008.
谢泽明.网络教学在“微波技术与天线”课程的应用.电气电子教学学报，2008，30（03）：113—115.
刘 云.浅谈“微波技术与天线”课程中的创造力培养.电气电子教学学报，2011，33（02）：8—9.
关键词：微波；天线；教学改革；网络教学
一、概述
“微波技术与天线”是电子信息工程、通信工程和电子科学与技术类专业的一门重要专业必修课，也是一门学生公认较难学的课程。该课程既与大学初期的高等数学、大学物理学等基础课程的知识紧密联系，又对后期网络优化、移动通信、电磁兼容等前沿学科的学习和认知有着重要作用。随着信息技术的快速发展，微波工程、网络优化、移动通信、卫星通信、雷达和全球定位系统等领域需要大量能够熟练掌握微波和天线相关原理和技术手段的人才，特别是能将理论与实际紧密联系的人才。针对社会需求的发展以及相关理论和技术应用的最新进展，对“微波技术与天线”进行课程教学改革与优化势在必行。
二、课程主要特点
“微波技术与天线”课程是一门对理论和工程性、实践性要求很高的课程，其教学内容分为微波技术和天线两块。
“微波技术与天线”课程具有如下几个特点：
（1）存在大量的理论推导和证明，对学生数学基础要求较高。本课程与电磁场理论联系紧密，属于其后续课程，在分析波导和天线时，都是从Maxwell方程组出发，涉及复杂的数学推导，采用的数学工具包括高等数学、复变函数和矩阵理论等，对学生前期的数学基础要求较高。
（2）内容抽象，不利于学生理解。波导理论及微波器件分析都涉及场结构在三维空间的分布，过于抽象，不利于学术理解；各种微波元器件如功分器、谐振器等都是微波电路中特有的器件，学生平常很少接触；另外，各种天线的三维结构、馈电原理、辐射方向图等也都比较抽象。
（3）分析方法特殊。微波技术分析方法不同于常规的电路分析方法，它包括两种不同的分析方法：传统的场分析方法和微波中的“化场为路”的方法[1]。场分析法从麦克斯韦方程出发来分析在给定空间内的电磁波传输特性。“化场为路”方法通过微分思想把传输线等效为分布参数电路，从而可以通过常规的电路分析方法获得沿传输线的电压和电流分布，进而分析其阻抗、反射系数及驻波比等传输特性。微波技术着重从“路”的角度去解决微波信号的产生、传输问题；天线则侧重从“场”的角度去研究天线的辐射和接收问题。
（4）微波技术与天线技术应用广泛，工程实践性强。微波技术与天线技术广泛应用于雷达、空间通信、移动通信和RFID等领域，真正是一门理论和应用并重的学科。特别是其在移动通信领域的大量工程应用更加昭示着它是通信学科一门重要的实践性课程。
三、教学中存在的问题
由于“微波技术与天线”课程的特殊性，在教学中主要存在以下问题：
（1）教学与考核内容片面化。当前“微波技术与天线”课程教学局限于教材，而教材可能由于篇幅限制，或由于内容过于陈旧，对于微波技术和天线在实际工程中的应用没有充分体现，特别是在最新的通信体系中的应用更是缺乏有价值的实例。考核也主要依据学生的考试成绩，而考试主要针对学生对概念和原理的掌握程度，不能体现学生实际解决具体工程问题的能力，不能实现学以致用，也就使学生浮于表面。
（2）授课手段单一，不能突出课程特点。“微波技术与天线”课程既有大量的理论推导和证明，也有许多具体的器件以及器件的上电磁分布等需要向学生展示。而当前“微波技术与天线”的课堂教学主要是采用传统的板书式教学，这对于课程当中的理论推导部分，有助于学生深刻理解其来龙去脉，但效率低，要想在有限的课时内扩充书本之外的知识几乎不可能。而采用全多媒体教学授课时效率很高，也非常有利于教学内容的丰富，但容易导致讲课速度过快，学生在下面就像看电影，跟不上老师的节奏，也无法参与其中，从而使效果大打折扣。
（3）课堂授课以知识灌输为主，缺乏对学生自主思考的引导和创新能力的培养。当前教学中多采用平铺直叙的方式，从概念定义开始，然后原理方法一步一步向学生灌输，学生也理所当然地全盘接收，学生在教学过程中缺乏自主思考的机会和批判性能力的培养，而这正是以后学生从事科学研究进行创新所需要的。
（4）微波实验设备价格较高，缺少足够的学科建设及科研经费。微波实验设备如微波信号发生器、矢量网络分析仪等价格都非常昂贵，大多数学校都缺乏相应的经费，这会造成实验室先进仪器设备相对匮乏，从而给实践教学带来很多的限制。没有实践教学的配套，学生接触实际的微波系统较少就不能激发其学习“微波技术与天线”的兴趣。
四、课程教学改革与优化
为了提高“微波技术与天线”课程的教学效果，培养具有扎实基础和解决实际问题能力的微波技术方面的人才，我们从以下方面对“微波技术与天线”课程进行教学改革与优化：
（1）以应用为主线，从多方面培养学生解决实际微波技术与天线方面问题的能力。在学校有限的资源下为了培养学生的工程实践应用能力，我们建立了一整套的体系。首先，在课堂教学中引入更多的应用案例，如：手机天线、基站微波电路、移动通信的室内分布系统等，以案例结合理论知识加深学生的理解，提高其兴趣。其次，合理安排实验教学，将理论授课和实验教学有机融合，让学生在实验中体验到理论的精髓，促进理论学习的兴趣。最后，在课程结束后，安排制作简单的微波类实物，如WLAN 天线等作为课程考核的一部分。实物从设计到制作到最后指标的测量都由学生自主解决，并提供最后的实物成品和完整的系统报告作为考核成绩的标准。这可促使学生在实际应用中将所学知识融会贯通，也会学以致用增加其成就感。我们在大三学年末的毕业生产实习中安排他们进入移动等运营商接触实际的微波工程，并在大四的毕设中安排部分微波与天线相关的毕业设计题目，以此为契机指导学生阅读最新的微波和天线相关科技文献进行科学研究，甚至有条件的话让学生参与教师相关的科研项目。通过以上各层次的培养，既让一般学生具备了必备的微波和天线技术基础，也让有志于在微波与天线技术方面发展的学生能力得到了更大的提高，从而在就业中具备自己独特的竞争优势。 （2）根据技术发展和现实需求对课程内容进行扩充和分类，并采取多种教学方式有针对性地授课。微波技术和天线技术应用广泛且正处于不断发展当中，教材内容一般偏于经典理论、且内容相对陈旧，跟当前技术发展的实际相脱节，单纯讲授教材内容很难调动学生的兴趣和参与课程的积极性。因此，根据通信专业的特点、技术发展现状和工程应用进行教学内容的扩充和调整势在必行。比如，我们2014年就在“微波技术与天线”课程的授课中扩充了光载无线通信技术（ROF，radio-over -fiber）、移动通信天线和室内分布式系统等内容。这些扩充内容既激发了学生的兴趣又有利于学生对通信专业的理解，并为后续课程的开展打下了良好的基础。而对课程内容则仔细梳理根据其特征进行合理分类，并针对分类结果采取不同的授课方式形成多层次的立体化授课体系。对数学推导比较多的地方采用传统板书进行教学；对于一般的概念、波导内的电磁场分布等采用多媒体教学；对于微波器件和天线部分则采用实物展示和微波仿真软件模拟相结合的方式辅助教学；对较前沿的议题则可以采用安排学生课前调研和课堂讨论的形式，并适当邀请微波开发人员和相关工程从业人员讲授部分课程。这种综合的授课方式变单向灌输为双向互动，激发学生参与课堂教学积极性，对于加深学生理解，提高授课质量大有裨益。
（3）建立综合的网络教学平台作为课堂教学外的有益补充。网络教学具有非时效性、非线性、共享性、开放性、交互性和个别化等特点。利用网络教学，教师和学生可以不受时间、空间的限制，随时随地开展教学活动。网络教学可以发挥教师的主导作用，激发学生的学习热情，使学生成为学习的主体，实现以教师为主导、学生为主体的“双主型”教学模式[2]。因此，为了实现对紧张学时的补充，也为了给学有余力的学生提供更丰富的学习资源，我们正建立“微波技术与天线”网络教学平台。初步规划该平台包括教学资源、科研前线、工程实践、虚拟实验、软件下载以及教学论坛6个部分。教学资源包括课程介绍、课程大纲、教学日历、考核要求、课件、课堂教学视频、课程参考电子书、习题库以及在线测试。科研前线提供微波和天线方面的一些最新的科研进展以及相关的参考文献的下载。工程实践提供工程应用实例和系统设计方案方面的资源。虚拟实验包括仿真软件学习指导、常用仿真实验程序下载以及系统仿真作业。软件下载提供常用的仿真软件如HFSS、Microwave Office、ADS、Matlab等的下载。教学论坛则用于教师和学生之间交流和沟通，学生可以在平台上提出教学建议，也可以提出疑难问题，而教师可以在线为学生答疑，也可以根据学生反馈信息提高自己的教学方式。通过这样一个综合性网络教学平台的创建，我们可以摆脱课堂教学课时的限制，尽量扩充学习的内容，也可以通过仿真实验来弥补实验设备匮乏的问题，同时也为学生科研创新和工程应用提供资源，更创建了教与学联系的纽带实现教与学互相促进。
（4）课堂教学和课程作业相结合培养学生创新能力。在课堂教学中注重启发式教学的应用，由教师多提出一些有意义的问题，鼓励学生利用发散性思维、联想性思维和逆向性思维寻找最终答案，给出新的应用[3]。而课程作业则通过安排学生撰写文献综述和鼓励学生进行新的微波和天线设计及应用来培养学生发现问题、独立思考问题和解决问题的能力。
五、结论
“微波技术与天线”课程是通信和电子信息类专业一门重要的专业基础课，也是指导学生
进入微波与天线技术大门的先导课程，同时也随着技术的进步在不断地发展。而我们所要做的就是，根据课程的特点，根据时代的发展，根据社会的需要，本着一切服务学生的目的，不断探索、逐步完善“微波技术与天线”课程的教学改革与优化。
参考文献：
王新稳，李 萍，李延平.微波技术与天线（第2版）.北京：电子工业出版社，2008.
谢泽明.网络教学在“微波技术与天线”课程的应用.电气电子教学学报，2008，30（03）：113—115.
刘 云.浅谈“微波技术与天线”课程中的创造力培养.电气电子教学学报，2011，33（02）：8—9.