基于电磁场与电磁波和微波技术课程的教学改革探索
李爱凤，张萍
（山东农业大学 信息科学与工程学院，山东 泰安）
摘 要： 电磁场与电磁波以及微波技术是高等学校电子信息科学与技术以及通信工程专业的专业基础课程，具有理论性强、概念抽象、数学公式繁琐等特点。为激发学生学习兴趣、提高教学效果，本论文从建设以电磁场与电磁波课程为中心的课程体系，优化理论、实验以及数值仿真教学，采取多媒体、传统板书和网络教学相结合的教学手段三个方面入手，探索课程教学改革，以期提高教学质量。
关键词： 电磁场与电磁波；微波技术；教学改革
电磁场与电磁波以及微波技术是高等学校电子信息科学与技术以及通信工程专业的基础课程，也是天线传播、射频电路以及电磁兼容等后续课程的理论基础。当前，现代通信技术日新月异，电磁波作为搭载信息的工具，在卫星通信、移动通信、广播、电视、雷达、遥感以及导航等领域得到了广泛应用。与此同时，随着计算机、通信及微电子等技术的迅速发展，电磁场与其他技术学科交叉发展，电路的集成化越来越高，电子设备的体积越来越小，电磁兼容、电磁干扰问题也愈来愈突出，这对电磁场和微波技术提出了新的挑战。电磁场与电磁波课程具有理论性较强、概念抽象、公式推导繁琐等特点，需要学生具备扎实的数学和物理基础，同时需要学生有较强的空间想象能力、抽象思维能力以及逻辑推理能力，如何在保持理论知识完整性和严谨性的前提下激发学生的学习兴趣，同时做到与技术应用接轨，是本课程面临的挑战。本论文拟从建设课程体系、优化课程内容、丰富教学手段三方面探讨电磁场与电磁波以及微波技术课程的教学改革[1]。
一 建设承上启下的课程体系
课程体系是专业各课程相互分工和配合的排列组合，优秀的课程体系是实现培养目标的载体,也是保障和提高教育质量的关键。电磁场与电磁波以及微波技术课程知识点多，涉及面广，既涉及物理知识，又需要学生具备扎实的数学知识基础，同时还需要电路、信号与系统、高频电路等一些课程的知识储备。因此，我们建立以电磁场与电磁波课程为中心的承上启下的课程体系，使其具有系统性和继承性。首先，我们把高等数学、大学物理（电磁学部分）、线形代数、复变函数、电路、Matlab仿真等预修程和通信原理、信号与系统、高频电路、光纤通信、移动通信、现代电视技术等相关课程放在以电磁场与电磁波为中心的课程体系内，整理课程体系中重叠交叉的教学内容，取消重复教授的内容，加强课程体系内老师之间的沟通和交流，这样既节约了课时，又能保障学生能够学到精髓。例如，在大学物理课程中重点讲解电场磁场部分，以保证在引入电磁场概念时学生能够轻松理解；在线形代数和高等数学中让学生重点学习矢量分析和场论以及齐次二阶微分方程，以保证电磁场与电磁波课程的数学推导顺利进行；在电路的学习中提醒学生基尔霍夫定律以及均匀传输线理论在后期的微波技术学习中应用广泛，同时在学习电磁场与电磁波时及时复习相关课程的基础知识。另外，还要与后续课程的老师保持交流，例如简单介绍光纤原理，提醒学生在后续课程光纤通信中将具体详细讲解。为确保课程体系的建设，我们组织成立4至5名以中青年教师为主的教学梯队和备课小组，每周召开教学组研讨会议。另外，为及时学习和掌握先进的教学方法和学科前沿动态，定期安排教师外出进修学习或参加教学研讨会议。总而言之，良好完整的课程体系会帮助学生系统地学习电磁场与电磁波以及微波技术课程。
二 优化合理的课程内容
（一）优化理论教学
理论教学是电磁场与电磁波以及微波技术课程的核心，理论教学开展的好坏，直接影响着课程的教学质量和效果。我们紧密联系课程培养目标和学科前沿发展，与时俱进，适时调整教学大纲。在电磁场理论与微波技术教学过程中始终把握“麦克斯韦方程组”这条主线，使学生建立 “场”和“波”的概念，让学生学会“场”和“路”的分析方法[2-4]。在教学过程中首先介绍相关的数学坐标系和矢量场的基本方法和基本定理，重点学习静电场和稳恒磁场的高斯定理和环路定理基本方程及边界条件等，接下来结合法拉第电磁感应定律和“位移电流”的概念，分析给出经典电磁学核心理论——“麦克斯韦方程组”，全面系统总结时变电磁场的基本特点。时变电磁场在空间的传播就是电磁波，循序渐进学习电磁波在空间的传播规律以及电磁波与物质相互作用和电磁波的极化等现象。在微波技术教学中首先利用“路”的分析方法学习传输线方程，分析传输线上行波、驻波及行驻波三种工作状态及传输线的匹配，利用史密斯圆图方法分析传输线理论。再利用“场”的分析法研究微波在矩形波导、圆波导内部的传播模型，接下来重点学习微波网络以及微波器件，分析定向耦合器、功率分配器及匹配双T等微波器件的散射矩阵。在授课过程中各章节内容按主线展开，环环相扣，叙述上由浅入深，循序渐进，在内容组织上强调内容的前后连贯性，保持理论体系的系统性和完整性。同时注重教学内容的实际应用背景介绍，这样更能够激发学生学习兴趣。
（二）加强实验教学
目前在教学过程中存在偏重理论教学而忽视实践教学的问题，实践教学所占比重普遍较小，这是与服务实践、提高科技水平等我们教授课程的最终目的是不相一致的。实验课程能够帮助学生学习基本理论、知识和技能。为此，我们增加了微波实验内容，结合理论教学内容，精心设计了包括中频振荡器、锁相信号源、上（下）变频器、微波发送（接收）滤波器、微波前置放大器、功率放大器及低噪声放大器等组件性能测试，微波发送和接收系统测量，微波声音图像信息传输，传输线状态及匹配测量等实验典例[4,5]，以此引导学生通过测量和检测等手段来解决电磁场与微波实际问题，提高学生动手实践能力和贯彻思考能力。例如，学生通过测量终端负载匹配、失配、开路以及短路传输线上各点电压分布，观察频谱分析仪上波谱分布，分析波动状态，可以让学生更好地理解行波、驻波以及行驻波状态；中频信号基于锁相信号源（高频信号）作为本振信号利用微波上变频器调制出高频信号，高频信号顺序通过前置放大器、微波滤波器以及功率放大器，最后利用天线实现电磁波发射，学生通过频谱分析仪逐级测量和观察各微波器件的信号，不仅对电磁波如何从中频信号变为高频信号发射的过程一目了然，而且对微波器件的功能有进一步的认识。
（三）结合软件仿真电磁场
电磁场与电磁波以及微波技术具有理论性较强以及概念抽象的特点，有时学生很难建立复杂的图像模型，随着计算机技术的发展，具有强大的数值分析和图像处理能力的Matlab、HFSS以及ADS等软件蓬勃发展，我们利用这些软件基于时域有限差分法、有限元法以及混合法等算法仿真时变电磁场的空间分布[6]，辅助学生形象直观地理解波场理论和模型。在课堂教学中，演示部分电磁场运动规律，例如基于时域有限差分法利用Matlab仿真不同边界条件下波导内部电磁场的分布，尤其是矩形波导主模TE10模式的电磁波三维立体分布和运动规律；通过模拟计算电磁波电场矢量终端轨迹变化规律，观察电磁场线极化、圆极化以及椭圆极化等现象；利用HFSS软件仿真在理想电介质和传输线上的传输纯横向电磁波模型，仿真天线周围发射波场分布[7]。实践证明，电磁波仿真将抽象的电磁波形象化和可视化，大大加深了学生对基本相关概念和理论的理解，取得显著的教学效果。
教学方法是教师的教授方法和学生的学习方法的统一，两者相辅相成。结合学生实际特点在教学过程中教师主要采取演绎法和归纳法[8]。例如，从简单的静电场和稳恒磁场出发到复杂的时变电磁场和电磁波的传播，电磁波传播时从无限大自由空间到无限大有耗介质再到传输线理论和波导理论，这些都是演绎法的体现。先总体推导电磁波在两种媒质分界面上反射和折射的规律，再详细介绍介质到介质的分界面和介质到导体分界面两种情况，这些都是归纳法的精髓。同时在教学过程中应注重和学生交流，实时掌握学生的学习动态，随时调整教学进度，让学生学习时端正学习态度，做到课前预习，上课时认真听讲，课后总结复习。
三 丰富教学手段
（一）采用演绎和归纳相结合的教学方法
[11]本尼迪克特·安德森：《想象的共同体——民族主义的起源和散布》，吴叙人译，上海：上海人民出版社，2005年，第141页。
（二）多媒体、板书和网络教学授课手段相结合
丰富的教学手段能够帮助学生快速理解抽象的理论知识。本课程采用以多媒体教学为主、传统板书为辅、兼顾网络教学的教学形式。备课小组老师及时讨论修改多媒体课件，其中加入视频、仿真动画、声音、图像等元素。例如，横向电磁波在无限大空间里如何进行传输，电场和磁场如何转化，学生很难理解，可以加入视频，实现电磁波传输的三维立体化，将晦涩的传输图像形象、直观、动态地展示出来。在学习导波理论一些公式繁琐的知识点时，为了方便学生计算分析，我们采用板书的方法，与学生一起详细推导、证明结论。同时，在当下便捷的网络下，可适当加入网络教学，可以让学生课下研听国内外名校名师的网上公开课。立体的多媒体课件加上网络教学一定会提高学生对电磁场与电磁波的感性认识，有利于理解较难的理论图像。
青樱缓缓驻足，换了口气，才隐隐觉得脚下酸痛。一回头却见绿筠鬓发微蓬，娇喘吁吁，才知自己情急之下走得太快，连绿筠跟在身后也没发觉。
四 结束语
综上所述，由于电磁场与电磁波课程具有理论性较强、概念抽象、公式推导繁琐等特点，加之本课程实验教学比重相对较小，本论文重点从建设课程体系、优化课程内容、丰富教学手段三方面探讨电磁场与电磁波以及微波技术课程的教学改革，以期达到通过改革提高教学质量、提升学生学习兴趣以及综合实践能力的目的。
1)气象广域网:采用“双路由器+双线路”冗余备份模式,使用全省统一的OSPF路由协议实现链路冗余,任何一条线路故障,均能通过OSPF自动收敛实现链路自动切换,保障气象业务的连续性;配置两台链路防火墙用于风险防御和访问控制。
参考文献
[1] 刘学观,郭辉萍,李富华.“电磁场与电磁波课程体系规划研究”[J].电气电子教学学报,2006,28（6）：1-2.
[2] 谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波[M].高等教育出版社，2006,01.
[3] 郭辉萍,刘学观.电磁场与电磁波[M].西安电子科技大学出版社，第五版，2017,9.
[4] 刘学观,郭辉萍.微波技术与天线[M].西安电子科技大学出版社，第五版，2012,8.
[5] 射频微波与天线综合实验系统实验说明书（RZ9906型），南京润众科技有限公司
[6] 赵同刚,李莉,张洪欣.电磁场与微波技术测量与仿真[M].清华大学出版社，2014,9.
[7] 徐兴福.HFSS射频仿真设计实例大全[M].电子工业出版社，2015,5.
[8] 周光明.大学课堂教学方法研究[M].西南师范大学出版社，2007,9.
本文引用格式： 李爱凤，等.基于电磁场与电磁波和微波技术课程的教学改革探索[J]. 教育现代化,2019,6(61)：71-72,84.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.61.027
基金项目： 本文系山东农业大学青年创新基金(No.23665)和泰安市2017年科技发展计划（2017D006）的研究成果。
作者简介： 李爱凤，女，汉族，山东安丘人，山东农业大学信息科学与工程学院，副教授。张萍，女，汉族，河南范县人，山东农业大学信息科学与工程学院，讲师。
标签：电磁场与电磁波论文; 微波技术论文; 教学改革论文; 山东农业大学信息科学与工程学院论文;