“電磁場與微波實驗”教學改革思考與探索

黎鵬?周桐?高翔?高云霞

摘要：本文闡述了“電磁場與微波實驗"課程教學改革的一種思路，提出了改革實驗教學方法、建立開放實驗室的教學理念。硬件實驗是培養學生動手能力的重要手段，電磁仿真軟件是微波硬件實驗的有效補充，實驗反哺理論教學，對于高校培養既懂場理論，又具備工程動手能力的高素質人才具有重要的意義。

關鍵詞：電磁場；實驗改革；仿真教學；開放實驗室

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0182-02

“電磁場與微波實驗”課程是本科通信專業學生重要的基礎實驗課程之一，電磁場理論數學公式繁多，概念抽象，電磁波看不到、摸不著，學生難以理解。在過去的理論教學實踐中，單靠課堂講解，很容易使學生失去學習興趣，而且，不利于培養學生的自主學習能力和動手能力，因此其實驗課程顯得尤為重要。為適應這一教學需要，我們開設了涉及電磁波空間波長測量、極化和二次輻射等內容的實驗課程，以電磁學基本定律為切入點，用場方程來描述場分布，重點反映空間交變場的一些最基本特性，加深學生對理論知識的理解，以實驗反哺理論教學，培養通信專業學生具備從事天線、微波電路的設計、開發、調試和工程應用基本能力，培養學生的創新思維和探究意識，實現“讓學生用實驗的手段和方法研究電磁規律”這個總體目標。

一、改進實驗教學方式

由于電磁場與微波類課程理論性強，要求學生具有較強的抽象思維能力，學生反映學習枯燥，因此，實驗課程的開設難度較大。如何將看不見、摸不著的電磁場用形象生動的方式展現在學生的面前，讓學生更好地掌握微波的基本知識和測量方法，是本門實驗課程面臨的最大挑戰。經過多年教學實踐，我們總結出兩種生動、直觀的教學方法，能充分調動學生的實驗學習熱情。

1.多媒體動畫演示

教師提前準備好關于電磁場與微波理論相關知識的一些多媒體動畫（視頻或FLASH等），在開始實驗前，給學生播放諸如電磁波的傳播、駐波的形成、極化特性等動畫（視頻），直觀反映電磁波的特點，將枯燥的電磁波理論變得生動，既能吸引注意力，又有助于學生對抽象基本概念的理解。

2.借助Matlab、HFSS等仿真軟件

Matlab具備強大的計算、圖像處理功能，在電磁場與微波實驗的教學過程中，能發揮重要輔助作用。在做每個實驗項目驗前，可布置學生提前查找（或由教師直接給出）Matlab的代碼，將軟件仿真和硬件設備測試結合起來，既能軟、硬件互補，深入理解實驗原理，又能解決微波設備價格昂貴，臺套數不足的難題。Ansoft Designer，Microwave，HFSS等電磁仿真軟件，能從不同的角度模擬天線等電磁元器件的特性參數、場分布，為教、學都提供了有力的軟件支撐。在仿真實驗中，借助軟件可再現電磁波的動態特性，包括：行波、駐波的三維動態模擬，波導中電磁波的傳播和分布特性，偶極子天線的方向圖分布等，通過仿真實驗，使學生形象逼真地了解電磁波的空間分布和傳播特性，達到硬件實驗裝置無法實現的目的。

目前，我院將微波分光儀、電磁場參數測量系統、射頻參數測量系統三套硬件分別結合不同的軟件，進行教學，學生對于電磁基本概念、傳播特性、場分布等內容，變得不再抽象，由畏難變得充滿興趣，積極性得到很大提高，能積極思考、提問，并能利用課后時間對思考題進行軟件測試，學生對此類課程的學習態度發生了極大轉變。

二、改革實驗項目及內容

“電磁場與微波實驗”課程是學生理解電磁場與微波天線技術理論的重要途徑，能有效彌補理論課堂講授的不足，有助于澄清理論課程學習中的模糊認識認識，能形象、生動的豐富場類課程的內容。實驗項目的改革將實現由單純驗證型向設計研究型轉變，建立較完善的場類實驗教學新體系，逐步增加綜合型和創新型實驗的比例，增設一些學生感興趣并富有挑戰性的實驗內容。將電磁仿真技術應用于場類實驗的教學中，將抽象的場問題形象化，能激發學生的學習興趣，使學生成為實驗教學的主體，做到“實踐檢驗理論，理論指導實踐，實驗課程與理論課程相輔相成”。

1.對于驗證性實驗，在完成硬件實驗的同時，增加軟件仿真手段。通過硬件基礎實驗，學生可觀察測量到電磁波波長、頻率、波腹、波節、反射、衍射、偏振、極化等電磁現象，深入體會邁克爾遜干涉、布拉格衍射等電磁特性，能加深對電磁波空間傳播特性的認識和理解。與此同時，由于電磁波看不見，摸不著，傳播過程只能靠想象，引入Matlab軟件仿真手段，將使電磁現象鮮活的呈現出來，一目了然。學生可以從程序代碼和仿真結果圖兩方面與硬件實驗結果做對比，并對結果進行各種函數后處理，得到所需的結果。例如電磁波的極化實驗，硬件設備只能靠微安表感知是橢圓極化還是圓極化，引入Matlab程序，可直觀的看到電磁波傳播的過程、橢圓極化和圓極化的方向圖，與冷冰冰的儀器數據相比，Matlab的圖形具有更大的親和力。

2.對設計研究性實驗，采取分小組、分功能模塊和電磁仿真軟件（Ansoft Designer、HFSS等）總體設計相結合的教學方法。結合學時，將每批同學分為若干課題小組，每個小組3-4人，由每位小組成員分工完成各個軟、硬件模塊設計，進而組合成整體，完成整個大綜合實驗。例如做射頻圖像傳輸實驗時，1人做射頻前端發射機軟件部分，1人做后端接收機軟件部分，另外2人合力完成硬件部分實驗，最終4人共同提交完整的實驗報告。實驗過程中，學生通過搜集資料，小組成員討論，與教師討論完成課題期間，軟件參數、硬件傳輸等諸多問題需要不斷調試，才能得到預期的目的。無論實驗結果如何，這都能極大的鍛煉學生發現、分析、解決問題的能力和團隊合作能力。

傳統“電磁場與微波實驗”所開設的實驗項目為7個硬件單元驗證性實驗項目，1個設計研究性實驗項目。我們改革的做法是每個驗證性實驗項目配以電磁仿真軟件程序，并在有限學時下減少2-3個單元性實驗項目，增加1-2個綜合性實驗，減少實驗個數，增加實驗難度、深度和實用性，例如減少電磁波反射衍射、定向耦合器、振蕩器設計等實驗項目，增加發射機、接收機和天線設計等軟、硬件設計，合并兩次課時為一次（4個學時），以課題小組的形式各自分別完成一個大綜合實驗，從硬件和軟件角度設計、完成實驗，加大了實驗難度，提升實驗教學質量。

三、實驗成績考核要全面

實驗課成績著重考核學生對實驗原理、內容的理解程度，考查學生的動手能力和分析解決問題的能力。因此，成績評定應看重學生的實驗態度、軟硬件能力、實驗數據、誤差等幾個方面，總體上呈現出兩頭小、中間大的正態分布趨勢。

1.預習情況

引入“仿真實驗”的教學方式，有效彌補了課內學時不足，將學生預習情況按比例記入總成績，提前給學生布置下一次實驗的任務，鼓勵學生利用課余時間鉆研，預習實驗原理，建立好仿真軟件的模型，預料在實驗室里可能會出現的問題，明確需要驗證、觀測的現象、參數，明確實驗目的。

2.實驗過程

教師指導實驗教學按互動研討的方式實施，鼓勵學生勤思考，多提問，分析在軟件設計和硬件調試測量過程中出現的問題，記錄自己的心得體會，重點考察學生分析問題和解決問題的能力。教師根據學生的分析問題的能力和動手解決能力評定成績，一是考核學生對一些常用儀器設備（示波器、選頻放大器等）的熟練使用程度，二是實驗數據的準確度，按一定比例記入總成績。

3.實驗報告

實驗報告應占總評成績的50%以上，是學生對實驗過程的全面總結，尤其是實驗數據的準確記錄和思考題的認真程度，反映出了學生做該次實驗的體會和質量，所以要求學生不只是完成作業，還需把實驗報告當作一次科技論文寫作訓練，力求數據嚴謹，概念準確，分析合理，文字簡明流暢，這對于培養學生具有嚴謹的科學作風，良好的職業習慣，扎實的科技論文寫作技能方面，都有良好的效果。

4.教學相長

在實驗過程前、后，鼓勵學生勤思考，多提問，鼓勵學生對課程內容和教師授課提出有創新性、建設性的意見，適當記入總評成績。

四、建立開放實驗室

實驗課學時不足，這是各高校實驗教學面臨的一個共同的難題。由于微波設備臺套數的限制，學生分組完成“電磁場與微波實驗”課程中的綜合性、設計性實驗時，往往感覺“一次實驗2個學時”時間不夠，如發射機、接收機實驗，需要首先完成HFSS軟件設計，再進行硬件的測試。顯然，2個學時的時間不夠，因此實驗室采取開放的方式，方便學生根據自己的時間自由進入實驗室。教師在制定教學方案時，可設置2-3個綜合性、設計性實驗項目為學生自主實驗，學生實驗前先查閱資料，設計好方案， 按2-4人為一個課題組，經指導教師審查實驗方案、可行性后，在實驗室開放的數周時間內，自由安排時間進入到開放實驗室進行硬件設計、軟件編程、系統調試和撰寫報告等。

開放實驗室使“電磁場與微波實驗”課程彈性空間增大，讓學生由“被動學習”轉向“主動學習”。由于學生可自主安排實驗內容，自由選擇實驗時間，使學生有充分的時間和自由度安排實驗內容，極大的調動了學生的學習熱情。實踐證明，推行實驗室開放制度以來，綜合性、設計性實驗項目比在規定時間內完成的質量高、效果好，學生普遍感覺收獲很大，甚至有許多同學將歷年的電子設計大賽題目拿到開放實驗室里來做，極大鍛煉了學生的動手能力，取得很好的收效。

“電磁場與微波實驗”課程教學改革旨在解決電磁場理論教學中抽象與具體的矛盾，在熟悉電磁仿真軟件的基礎上，鍛煉學生工程應用中的硬件動手能力。實驗課堂有效補充了理論課的動手環節，融知識學習與能力發揮為一體，充分激發了學生的學習熱情和興趣，促進了學生自主分析和解決問題的能力，培養出了大批既懂場理論，有熟悉現代電磁設備的高層次人才。目前正值4G通信大發展的契機，我們在實驗教學過程中，應密切圍繞課程知識重點，切實提升實驗教學質量，為培養學生動手解決實際問題和獨立工作能力奠定堅實的實踐基礎。

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（責任編輯：劉翠枝）