“微波技术与天线”课程教学改革探索

［摘 要］ “微波技术与天线”课程是信息对抗技术类大学生的专业基础课，是学生专业知识结构、能力达成矩阵中的重要组成部分，在培养学生解决复杂工程问题能力的过程中具有重要的理论支撑作用。针对课程教学过程中出现的难教难学问题，探索教学方法的改革。采用多样化的教学方式，在课堂教学环节引入案例教学法以及课堂主题讨论法；在原有验证性微波实验的基础上，增加电磁模拟仿真实践教学环节，建立微波仿真平台、开设仿真实验等，将电磁仿真软件如Ansys HFSS引入“微波技术与天线”课程的实践教学，培养学生自主学习和探索的能力。通过一系列的教改措施，帮助学生灵活掌握专业基础知识，提升其分析、解决信息对抗技术领域复杂工程问题的能力。

［关键词］ 微波技术与天线；教学改革；案例教学；电磁仿真

［基金项目］ 2021年度中北大学高等教育教学改革项目“工程教育认证背景下《微波技术与天线》教学改革与实践”（2021132）；2021年度山西省教育厅高等学校教学改革创新项目“基于OBE理念的《微波技术与天线》课程教学设计”（J2021397）

［作者简介］ 毛煜茹（1984—），女，山西晋城人，博士，中北大学信息与通信工程学院讲师（通信作者），主要从事微波技术、天线工程研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）16-0060-04 ［收稿日期］ 2022-05-10

引言

“微波技术与天线”课程是信息对抗技术类大学生的专业基础课，是一门理论性和工程性并重的基础课程［1-2］，其主要教学内容包括微波技术基础及天线基本理论两部分，其中微波技术基础部分主要涉及的内容有微波传输线、微波元件、微波网络等，天线基本理论部分的主要内容有天线的基本原理及特性分析。该课程的培养目标主要如下：使学生掌握微波传输线、微波元件、微波网络、天线的基本结构及原理；应用理论知识对实际工程问题中的多种方案进行分析和选择，并说明其合理性；能够根据用户的特定需求确定方案，设计相关的微波电路、微波系统、天线系统，解决专业相关领域的复杂工程问题。上述课程目标对培养学生具备分析、解决复杂电磁工程问题的能力具有重要的作用，为学生从事微波电路设计、微波系统的研发制造等工作储备工程知识。然而，“微波技术与天线”课程涉及的知识面比较广，包括电磁场理论、电路基础、微波技术基础及天线基本理论［3-5］，要掌握这门课程，需要非常扎实的基础知识，如物理学、高等数学、数学物理方法等相关知识，学生恰恰对这些学科的知识掌握不扎实，对所要学习的微波知识缺乏正确的认识，无法理解其抽象的应用场景，在学习该课程时会感到吃力，理解不透彻，无法有效掌握该课程的知识点，学习积极性不高。

一、“微波技术与天线”课程教学存在的问题

第一，学生在通识课程体系中已经完成“高等数学”“电磁场与电磁波”和“大学物理”等先修课程的学习，为“微波技术与天线”课程的学习储备了基础知识，但由于学时和学分的影响，并没有单独设置“数学物理方法”课程，而是将其知识点穿插在其他课程中讲授，导致学生无法系统地学习数学物理方法，影响其掌握“微波技术与天线”这一课程。另外，“微波技术与天线”的大部分理论内容继承自“电磁场理论”课程，所以“微波技术与天线”课程难度更大，学生运用数学物理知识和电磁场理论去理解、掌握微波理论以及解决微波工程问题不够熟练。

第二，“微波技术与天线”课程公式繁杂，具有很强的抽象性和理论性。微波问题必须用麦克斯韦方程和边界条件加以解决，从而得到求解域的电磁场分布，这种方法为“场”方法。然而，作为偏微分方程组的麦克斯韦方程求解难度大，需要找出第二种研究方法解决微波问题，即“路”的方法，将“场”方法等效为“路”方法，化“场”为“路”。使低频电路里的电压、电流和阻抗参数与微波电磁理论里的电场、磁场和波阻抗参数等效，这些概念上的等效给初学者带来了较多的困惑。以传输线为例，传输线理论利用“路”方法分析了微波传输线的特性，得出了很多有用的结论，而导波系统则采用了“场”方法求解波导传输线的场分布，很多学生对传输线理论得出的结论是否适用于导波系统存在疑问，在学习的过程中，学生无法清晰地建立物理概念，无法灵活运用所学知识。

第三，“微波技术与天线”课程有很多结论、经验公式是从实践中得来的，具有很强的理论性和工程性。课程中的所有内容都可以用来解决实际电磁工程问题，课程所涉及的传输线如波导、同轴线、微带线，常用微波元器件以及天线都是实际电磁系统中的重要组成部分，对微波部件的设计至关重要，而教学中主要偏重理论教学，讲授重要的概念及其原理，实践教学的比重较低。“微波技术与天线”主要为实际的工程设计、工程应用服务，根据调研，学生对该课程的背景了解不足，更不清楚该课程的具体应用方向以及能够解决什么样的工程问题，只是在教师的要求下被动学习，缺乏积极主动学习的热情。例如，微波技术中常用的矩形波导、环形器、定向耦合器和谐振器等微波元件，学生无法想象其具体的应用场景，而且由于教学资源有限，只能展示三维图片或者仿真模型，无法为学生提供具体的实物展示，实践与理论脱离，学生缺少设计微波元器件的条件，很难将理论知识与实际的工程应用灵活结合，缺乏学习主动性，影响整个课程的学习。

总之，学生在学习“微波技术与天线”课程时，缺乏积极性，学习质量不高，重要知识点难以灵活掌握，迫切需要对教学方式进行改革。

二、课程教学改革探索与实践

（一）激发学生的学习兴趣，教学方式多样化

合理利用学生的课下时间，课前给学生布置任务，将课堂上会用到的基础知识点以作业的形式在网络学习平台上布置，教师能够及时掌握学生的学习动态。正式上课前，先布置预习思考题，课程结束后，通过网络学习平台对布置的思考题进行测验。比如，在学习传输线理论中的电报方程时，提前在网络平台让学生复习均匀平面波的波动方程，课程完成后布置测试题目，对比均匀平面波的波动方程与无耗微波传输线的传输方程的异同，将电磁场理论中学到的基础知识灵活应用于均匀传输线的特性分析，将前后知识统一起来，这样不仅能够帮助学生加深对理论知识的理解，还能激发学生学习的热情。为了让学生掌握这门课程的重要知识点，教师通过移动终端向学生推送简短的教学视频和教学文档，这些教学视频的时常通常为5～8分钟，每个视频和文档都包含一个知识点，学生利用碎片化时间就可以将课堂上讲过的重点和难点重新复习一遍，通过网络平台与学生进行交流，及时掌握学生的学习动态。

为提升学生学习的积极性，利用多媒体授课与板书相结合的方式进行课堂教学。教材中关于均匀无耗传输线的几种工作状态、波导传输线中的电磁场、电流的动态分布等内容对学生来说比较抽象，难以想象和理解，可利用动画演示传输线上电压、电流的变化，以及波导内电磁场、电流的变化，使复杂的理论变得直观、易理解，激发了学生的学习兴趣。在理论教学环节，如果教师单独教授，学生容易产生疲劳感并降低学习的积极性，也不容易集中注意力。为了解决这种情况，可采用课堂主题讨论法、教师讲授、学生做报告等多种教学方式相结合的方式，引导学生学习。例如，为了活跃课堂气氛，集中学生注意力，可以利用微助教、学习通或者云课堂等网络教学平台，组织学生分组讨论和回答问题，提升每位学生的课堂参与度。同时，教师也要不断更新多媒体课件，对抽象的理论知识点用更容易理解、更加生动的PPT或动画进行展示，这就要求教师要不断提升业务能力，注重个人知识的积累。

（二）增加案例教学

在教学过程中提高案例教学法的比例，合理安排教学内容，教师设计教学案例，通过案例展示重点和难点，引导学生深入学习，通过讲解微波技术在实际工程中的应用，激发其学习兴趣，提高学生对知识点的掌握程度。

在讲微波传输线理论时，学生会提出疑问：“这里的传输线和低频电路里的铜导线有什么区别？为什么微波不能用铜导线进行传输？”对此可以设计一个案例，微波传输最明显的特征是微波传输线，在低频电路中，电路几乎均匀地分布在导线内，当频率升高导致集肤效应出现，导体中的电流、电荷和场都集中在导体表面。和直流信号2 mm的导线半径相比，在相同的导线损耗情况下，微波信号频率为10 GHz时导线半径在3 m左右，而相同的线径微波信号的损耗将增加1 500倍，所以微波信号必须有自己的传输线，即微波传输线，如双导线、同轴线等，这就是微波不能用普通的电线进行传输的原因。

在讲到矩形波导TE10波内壁电流分布和电磁场分布时，可以引入波导测量线和波导缝隙天线的设计案例，这两种元件都是微波工程中常用的元器件，相同之处都是在波导壁上开缝形成的，但是设计原理却有本质区别。波导测量线在波导壁上开缝的原则是不切割电流，不破坏波导壁上电流的流动路径，而波导缝隙天线的设计原则是必须切割电流，阻断电流的流动路径，才能向外辐射电磁波，在波导中凡是切断电流都要引起辐射和损耗。通过这样的案例设计和分析，使理论基础与实践设计紧密结合，不仅能激发学生学习的积极性，还能将知识融入实际工程设计，为以后的微波设计工作打牢基础。

在讲到天线理论时，可以设置专题讨论环节，对当下的研究热点5 G及6 G通信中MIMO天线技术进行探讨。教师结合自己的研究方向，向学生介绍目前天线技术的研究方向和热点，例如基于人工电磁材料的天线技术，5 G及6 G通信中MIMO天线的技术探讨，智能超表面技术在5 G通信中的应用等，在课堂上展示科研成果，学生可以直观感受什么是人工电磁材料，什么是天线，两者如何组合在一起实现功能的增强，进一步认识到学好这门课程的重要性，激发学生的学习热情。

（三）建立微波技术仿真平台，开设电磁仿真实验

实践教学是使学生理论联系实际的有效方式，培养其创新能力以及分析、解决问题的能力。本课程的基础实验大多属于验证性实验，学生按照实验指导书操作波导测量线，将实验结果与理论计算结果进行对比，从而加深对理论知识的理解，掌握微波器件的工作原理。然而，学生缺乏主动学习的积极性，验证性实验教学无法满足工程化教学的要求。

通过构建基于HFSS的微波技术仿真平台，将HFSS仿真实例引入课程的实践教学，可提高学生的学习兴趣，加深学生对重难点知识的理解。在验证性实验的基础上增加基于电磁仿真软件的微波元件设计实验，旨在培养学生的实践创新能力，提高学生分析和解决问题的能力。设计实验利用HFSS对微波元件及微带天线进行设计及仿真，从理论设计到模型建立再到结果分析，提高学生自主学习和探索的能力，培养了其实践创新能力，为学生日后从事微波设计工作奠定坚实的基础。要顺利进行基于HFSS的仿真实验，教师会利用2个学时的时间进行HFSS软件的学习教学，让学生掌握基本操作。这些仿真实验可以是教材中常用的微波元件的设计，如验证魔T元件的一般性质的验证，学生可以在建模、仿真及结果分析等过程中掌握魔T的基本参数及其具体用途。天线的基本理论部分内容比较抽象，数学公式很多，内容枯燥乏味，学生学习的积极性不高，对此可以引入一些简单天线的设计实验辅助教学，如电偶极子天线的设计和仿真，通过仿真软件可以直观感受天线的二维方向图和三维方向图，这样更容易接受天线理论的学习，提高其学习兴趣。另外，教师可根据自己的研究方向和科研项目设置一些子课题，组织和鼓励学生参与项目研究，将理论知识和实践应用相结合，提高学生自主设计和调试的能力。

（四）考核方式的改革

“微波技术与天线”课程以往的考核方式为理论知识点的闭卷考试成绩、课后作业成绩和实验成绩的加权之和，这种考核方式无法合理反映学生对课程的掌握程度。实验环节仅为验证性实验，只体现了学生的实际动手操作能力以及对一些实际工程问题中的关键环节和参数的处理能力，并不能体现对微波电路、微波系统、天线系统等的设计能力以及学生自主探索的能力。因此，在原来考试和平时考核方法的基础上，改为以毕业设计的要求和模式进行考核，即在学期初给出题目及设计任务书，课程结束后进行设计答辩，整个实践环节贯穿整个学期，其中，考核的内容主要为微波元件的设计及仿真、微带天线的设计及仿真，为其毕业设计认识和实践奠定基础。

结语

本文通过分析“微波技术与天线”课程教学目前存在的问题，提出了一些教学改革方案。采用多样化的教学方式，引入案例教学法、课堂主题讨论等方法，激发学生的学习热情，提高学生在教学过程中的参与度。通过建立电磁软件仿真平台，引入仿真设计性实验，对微波元件和天线进行设计和电磁仿真，促进学生对微波理论的理解，培养学生利用微波理论分析解决电磁工程问题的能力。在今后的教学中要注重教学案例的设计，从具体应用出发引入知识点，提高学生的学习积极性；在仿真设计实验环节，更加注重学生自主学习和探索的能力，教师给出具体的性能指标，学生自主完成模型设计、仿真优化以及结果分析，让学生打牢理论基础，成为高质量的微波工程技术人才。