“电磁场与微波实验”教学改革思考与探索

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　　摘要：本文阐述了“电磁场与微波实验"课程教学改革的一种思路，提出了改革实验教学方法、建立开放实验室的教学理念。硬件实验是培养学生动手能力的重要手段，电磁仿真软件是微波硬件实验的有效补充，实验反哺理论教学，对于高校培养既懂场理论，又具备工程动手能力的高素质人才具有重要的意义。
　　关键词：电磁场；实验改革；仿真教学；开放实验室
　　中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0182-02
　　“电磁场与微波实验”课程是本科通信专业学生重要的基础实验课程之一，电磁场理论数学公式繁多，概念抽象，电磁波看不到、摸不着，学生难以理解。在过去的理论教学实践中，单靠课堂讲解，很容易使学生失去学习兴趣，而且，不利于培养学生的自主学习能力和动手能力，因此其实验课程显得尤为重要。为适应这一教学需要，我们开设了涉及电磁波空间波长测量、极化和二次辐射等内容的实验课程，以电磁学基本定律为切入点，用场方程来描述场分布，重点反映空间交变场的一些最基本特性，加深学生对理论知识的理解，以实验反哺理论教学，培养通信专业学生具备从事天线、微波电路的设计、开发、调试和工程应用基本能力，培养学生的创新思维和探究意识，实现“让学生用实验的手段和方法研究电磁规律”这个总体目标。
　　一、改进实验教学方式
　　由于电磁场与微波类课程理论性强，要求学生具有较强的抽象思维能力，学生反映学习枯燥，因此，实验课程的开设难度较大。如何将看不见、摸不着的电磁场用形象生动的方式展现在学生的面前，让学生更好地掌握微波的基本知识和测量方法，是本门实验课程面临的最大挑战。经过多年教学实践，我们总结出两种生动、直观的教学方法，能充分调动学生的实验学习热情。
　　1.多媒体动画演示
　　教师提前准备好关于电磁场与微波理论相关知识的一些多媒体动画（视频或FLASH等），在开始实验前，给学生播放诸如电磁波的传播、驻波的形成、极化特性等动画（视频），直观反映电磁波的特点，将枯燥的电磁波理论变得生动，既能吸引注意力，又有助于学生对抽象基本概念的理解。
　　2.借助Matlab、HFSS等仿真软件
　　Matlab具备强大的计算、图像处理功能，在电磁场与微波实验的教学过程中，能发挥重要辅助作用。在做每个实验项目验前，可布置学生提前查找（或由教师直接给出）Matlab的代码，将软件仿真和硬件设备测试结合起来，既能软、硬件互补，深入理解实验原理，又能解决微波设备价格昂贵，台套数不足的难题。Ansoft Designer，Microwave，HFSS等电磁仿真软件，能从不同的角度模拟天线等电磁元器件的特性参数、场分布，为教、学都提供了有力的软件支撑。在仿真实验中，借助软件可再现电磁波的动态特性，包括：行波、驻波的三维动态模拟，波导中电磁波的传播和分布特性，偶极子天线的方向图分布等，通过仿真实验，使学生形象逼真地了解电磁波的空间分布和传播特性，达到硬件实验装置无法实现的目的。
　　目前，我院将微波分光仪、电磁场参数测量系统、射频参数测量系统三套硬件分别结合不同的软件，进行教学，学生对于电磁基本概念、传播特性、场分布等内容，变得不再抽象，由畏难变得充满兴趣，积极性得到很大提高，能积极思考、提问，并能利用课后时间对思考题进行软件测试，学生对此类课程的学习态度发生了极大转变。
　　二、改革实验项目及内容
　　“电磁场与微波实验”课程是学生理解电磁场与微波天线技术理论的重要途径，能有效弥补理论课堂讲授的不足，有助于澄清理论课程学习中的模糊认识认识，能形象、生动的丰富场类课程的内容。实验项目的改革将实现由单纯验证型向设计研究型转变，建立较完善的场类实验教学新体系，逐步增加综合型和创新型实验的比例，增设一些学生感兴趣并富有挑战性的实验内容。将电磁仿真技术应用于场类实验的教学中，将抽象的场问题形象化，能激发学生的学习兴趣，使学生成为实验教学的主体，做到“实践检验理论，理论指导实践，实验课程与理论课程相辅相成”。
　　1.对于验证性实验，在完成硬件实验的同时，增加软件仿真手段。通过硬件基础实验，学生可观察测量到电磁波波长、频率、波腹、波节、反射、衍射、偏振、极化等电磁现象，深入体会迈克尔逊干涉、布拉格衍射等电磁特性，能加深对电磁波空间传播特性的认识和理解。与此同时，由于电磁波看不见，摸不着，传播过程只能靠想象，引入Matlab软件仿真手段，将使电磁现象鲜活的呈现出来，一目了然。学生可以从程序代码和仿真结果图两方面与硬件实验结果做对比，并对结果进行各种函数后处理，得到所需的结果。例如电磁波的极化实验，硬件设备只能靠微安表感知是椭圆极化还是圆极化，引入Matlab程序，可直观的看到电磁波传播的过程、椭圆极化和圆极化的方向图，与冷冰冰的仪器数据相比，Matlab的图形具有更大的亲和力。
　　2.对设计研究性实验，采取分小组、分功能模块和电磁仿真软件（Ansoft Designer、HFSS等）总体设计相结合的教学方法。结合学时，将每批同学分为若干课题小组，每个小组3-4人，由每位小组成员分工完成各个软、硬件模块设计，进而组合成整体，完成整个大综合实验。例如做射频图像传输实验时，1人做射频前端发射机软件部分，1人做后端接收机软件部分，另外2人合力完成硬件部分实验，最终4人共同提交完整的实验报告。实验过程中，学生通过搜集资料，小组成员讨论，与教师讨论完成课题期间，软件参数、硬件传输等诸多问题需要不断调试，才能得到预期的目的。无论实验结果如何，这都能极大的锻炼学生发现、分析、解决问题的能力和团队合作能力。
　　传统“电磁场与微波实验”所开设的实验项目为7个硬件单元验证性实验项目，1个设计研究性实验项目。我们改革的做法是每个验证性实验项目配以电磁仿真软件程序，并在有限学时下减少2-3个单元性实验项目，增加1-2个综合性实验，减少实验个数，增加实验难度、深度和实用性，例如减少电磁波反射衍射、定向耦合器、振荡器设计等实验项目，增加发射机、接收机和天线设计等软、硬件设计，合并两次课时为一次（4个学时），以课题小组的形式各自分别完成一个大综合实验，从硬件和软件角度设计、完成实验，加大了实验难度，提升实验教学质量。 　　三、实验成绩考核要全面
　　实验课成绩着重考核学生对实验原理、内容的理解程度，考查学生的动手能力和分析解决问题的能力。因此，成绩评定应看重学生的实验态度、软硬件能力、实验数据、误差等几个方面，总体上呈现出两头小、中间大的正态分布趋势。
　　1.预习情况
　　引入“仿真实验”的教学方式，有效弥补了课内学时不足，将学生预习情况按比例记入总成绩，提前给学生布置下一次实验的任务，鼓励学生利用课余时间钻研，预习实验原理，建立好仿真软件的模型，预料在实验室里可能会出现的问题，明确需要验证、观测的现象、参数，明确实验目的。
　　2.实验过程
　　教师指导实验教学按互动研讨的方式实施，鼓励学生勤思考，多提问，分析在软件设计和硬件调试测量过程中出现的问题，记录自己的心得体会，重点考察学生分析问题和解决问题的能力。教师根据学生的分析问题的能力和动手解决能力评定成绩，一是考核学生对一些常用仪器设备（示波器、选频放大器等）的熟练使用程度，二是实验数据的准确度，按一定比例记入总成绩。
　　3.实验报告
　　实验报告应占总评成绩的50%以上，是学生对实验过程的全面总结，尤其是实验数据的准确记录和思考题的认真程度，反映出了学生做该次实验的体会和质量，所以要求学生不只是完成作业，还需把实验报告当作一次科技论文写作训练，力求数据严谨，概念准确，分析合理，文字简明流畅，这对于培养学生具有严谨的科学作风，良好的职业习惯，扎实的科技论文写作技能方面，都有良好的效果。
　　4.教学相长
　　在实验过程前、后，鼓励学生勤思考，多提问，鼓励学生对课程内容和教师授课提出有创新性、建设性的意见，适当记入总评成绩。
　　四、建立开放实验室
　　实验课学时不足，这是各高校实验教学面临的一个共同的难题。由于微波设备台套数的限制，学生分组完成“电磁场与微波实验”课程中的综合性、设计性实验时，往往感觉“一次实验2个学时”时间不够，如发射机、接收机实验，需要首先完成HFSS软件设计，再进行硬件的测试。显然，2个学时的时间不够，因此实验室采取开放的方式，方便学生根据自己的时间自由进入实验室。教师在制定教学方案时，可设置2-3个综合性、设计性实验项目为学生自主实验，学生实验前先查阅资料，设计好方案， 按2-4人为一个课题组，经指导教师审查实验方案、可行性后，在实验室开放的数周时间内，自由安排时间进入到开放实验室进行硬件设计、软件编程、系统调试和撰写报告等。
　　开放实验室使“电磁场与微波实验”课程弹性空间增大，让学生由“被动学习”转向“主动学习”。由于学生可自主安排实验内容，自由选择实验时间，使学生有充分的时间和自由度安排实验内容，极大的调动了学生的学习热情。实践证明，推行实验室开放制度以来，综合性、设计性实验项目比在规定时间内完成的质量高、效果好，学生普遍感觉收获很大，甚至有许多同学将历年的电子设计大赛题目拿到开放实验室里来做，极大锻炼了学生的动手能力，取得很好的收效。
　　“电磁场与微波实验”课程教学改革旨在解决电磁场理论教学中抽象与具体的矛盾，在熟悉电磁仿真软件的基础上，锻炼学生工程应用中的硬件动手能力。实验课堂有效补充了理论课的动手环节，融知识学习与能力发挥为一体，充分激发了学生的学习热情和兴趣，促进了学生自主分析和解决问题的能力，培养出了大批既懂场理论，有熟悉现代电磁设备的高层次人才。目前正值4G通信大发展的契机，我们在实验教学过程中，应密切围绕课程知识重点，切实提升实验教学质量，为培养学生动手解决实际问题和独立工作能力奠定坚实的实践基础。
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　　（责任编辑：刘翠枝）
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