張照鋒， 譚立容， 袁迎春

(南京信息職業(yè)技術學院 電子信息學院， 江蘇 南京 200023)

基于HFSS仿真的“電波與天線”課程改革

張照鋒， 譚立容， 袁迎春

(南京信息職業(yè)技術學院 電子信息學院， 江蘇 南京 200023)

本文基于HFSS天線仿真，結合微課的教學模式，對“電波與天線”課程進行了改革。從內(nèi)容的選擇優(yōu)化、素材的制作、微課的使用以及考核方法等方面進行了探討，并在平行班級中進行了對照實驗。結果表明，基于HFSS仿真的“電波與天線”微課教學方式，在教學效果上優(yōu)于傳統(tǒng)的教學方式。

電波與天線；HFSS；微課；教學設計

0 引言

我院屬于高職院校，無線電專業(yè)的培養(yǎng)目標不同于研究型大學的本科培養(yǎng)目標，不太側重于研究開發(fā)，更加注重于工程實踐能力的培養(yǎng)，更加注重和生產(chǎn)一線對接。

“電波與天線”是我院無線電專業(yè)的一門核心課程，主要內(nèi)容有：矢量分析、電荷與電場、導體與介質、電流與磁場、麥克斯韋方程、電磁波及其傳輸、天線的基本特性、線天線、天線饋電系統(tǒng)、天線陣、常用天線等。

該課程內(nèi)容較多且知識偏重理論，大部分內(nèi)容比較抽象，而教學時間只有45課時(其中包括8個實驗課時)。傳統(tǒng)的教學方式主要是教師的課堂講授，雖然教師在課堂上也輔以一些實物展示、工程案例介紹等，但實際教學效果不太理想。在每年期末考試時，“電波與天線”是通過率較低的一門課，在學生的評教中，“電波與天線”也一直被學生列為最難學的課程之一。

究其原因，是該課程所使用的傳統(tǒng)教學方法不符合我院學生的具體實際。根據(jù)前期的問卷調查及相關研究，我們總結出了傳統(tǒng)教學方法有如下的幾點不足：

(1)由于高職院校學生高等數(shù)學知識基礎較為薄弱、再加上個別同學學習自覺性較差，采用傳統(tǒng)的教學方法，會出現(xiàn)學生跟不上或是聽不懂的現(xiàn)象，甚至個別學生會干脆放棄這門課；

(2)教師在上課時只是在黑板(或屏幕)上展示，在課堂上講解，學生參與度低。由于課程內(nèi)容抽象、公式較多、課堂上師生互動少，學生掌握知識的速度較慢，即使是學生當堂掌握的知識也會在課后很快遺忘；

(3)教師對傳授的知識點往往只講一遍，許多想在課后復習的學生往往由于回顧不起來課堂上教師講解的內(nèi)容而使復習效果大打折扣。

據(jù)我院招生就業(yè)處對畢業(yè)生就業(yè)情況的統(tǒng)計，我院無線電專業(yè)畢業(yè)生有47%的就業(yè)崗位用到了電波與天線的相關知識，這其中又有86%的崗位是從事天線研發(fā)工程師助手的工作：即負責天線仿真的建模，仿真時參數(shù)的設置以及天線的簡單測試等工作。這些工作要求學生要熟悉天線設計相關軟件的設置及使用。其中HFSS(High Frequency Structure Simulator)仿真軟件是一款功能完善的三維電磁場仿真軟件，非常適合于天線設計和天線參數(shù)的計算[2]。將HFSS用于“電波與天線”課程的教學，不但可以避開過于繁雜的數(shù)學推導，還可以提高學生應用HFSS的工程實踐能力和實際操作能力，更加符合高職院校對學生的培養(yǎng)目標，更快速地和企業(yè)的需求對接，進而增加學生的就業(yè)競爭力。因此，我們將HFSS仿真引入了“電波與天線”的教學。

1 HFSS仿真引入“電波與天線”教學

為將HFSS仿真軟件引入“電波與天線”的教學，我們主要做了以下三方面的工作：

1)優(yōu)化授課內(nèi)容

我們舍棄了矢量分析、麥克斯韋方程組微分形式等數(shù)學要求較高的內(nèi)容，而將優(yōu)化后的內(nèi)容模塊化，將全部課程分為以下八個模塊：①用模擬法描繪靜電場；②測量地磁場；③用HFSS觀察平面電磁波；④用HFSS仿真線天線；⑤用HFSS仿真天線陣；⑥用HFSS仿真寬頻帶天線；⑦用HFSS仿真波導縫隙天線；⑧用HFSS仿真喇叭天線。并將原來的教材改編為項目式教材，目前該教材已出版使用。

2)改變授課地點

將教學場地由原來的普通教室搬到了機房，并將原來傳統(tǒng)授課方式變成了項目式教學[3-4]，課堂上教師一邊講解，學生一邊練習，發(fā)現(xiàn)問題當場反饋、當場討論、當場解決。

3)細化教學評價

對教學結果的評價，也由原來以期末考試成績?yōu)闇?，改為以平時課堂出勤、課堂練習的參與程度、甚至和教師以及學生之間的互動都作為考核的標準，這便要求授課教師每節(jié)課都要對每位學生有一個評價，以作為期末總評的參考。

將HFSS仿真軟件引入“電波與天線”教學后，經(jīng)過一段時間的教學實踐，產(chǎn)生了許多積極的效果，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

(1)做到了以學生為中心，體現(xiàn)了學生在學習活動中的主體地位。由于在學習的過程中參與度的提高，學生不再是單純的知識接受者，他們學習的主動性和積極性都得到了極大地提高，學習效果也較以前有了大幅度改善。

(2)實現(xiàn)了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力的目的，而不是像傳統(tǒng)的教學模式那樣把獲得知識作為學習的唯一目標，更加符合高職院校對學生的培養(yǎng)目標。

(3)強調學生在學習時互動研究的過程，注重師生間的互動交流，鼓勵學生間相互促進，共同提升專業(yè)能力。

(4)在對學生學習結果的評價上，期末的考試成績不再是評估學生學習優(yōu)劣的唯一標準，而是更加重視對學生學習過程的評價，學習過程中學生的學習態(tài)度、參與積極性、創(chuàng)新能力等方面都成為評價的考慮因素。這就改變了個別學生平時不努力，臨時抱佛腳的學習態(tài)度。

雖然將HFSS仿真引入“電波與天線”教學有諸多優(yōu)點，但其學習內(nèi)容只能在課堂上體現(xiàn)，課后不具備可重復性，對學生自主學習的指導性不強，為此我們在引入HFSS仿真的基礎上，又把微課引入了“電波與天線”的教學。

2 微課引入“電波與天線”教學

微課即微型視頻網(wǎng)絡課程，它是繼微博、微信之后，在教育教學領域產(chǎn)生的一個新生事物。微課的雛形是課程視頻片段，主要反映了教師在課堂教學過程中對某個知識點或某個教學環(huán)節(jié)的重點演示。微課的關鍵點是“微”，即把整塊的教學內(nèi)容“微小化”，非常符合現(xiàn)代人們對信息獲取快速化、碎片化的要求[5-6]。而智能手機在學生中的普及也為微課的啟用和推廣提供了硬件的條件。

將微課的教學模式引入“電波與天線”的教學，我們遵循了以下幾個原則：

1)微課功能輔助化原則

微課作為一種多媒體教學的形式，只是課堂教學的一種有益的補充，而不能完全代替課堂教學，否則就是舍本逐末，得不到預期的效果。為此，我們在課堂教學上雖然會展示微課內(nèi)容，但主要還是要求學生在課余時間通過微課學習。微課所起的作用是幫助學生理解(在預習或復習時)課程的難點，所以微課的內(nèi)容也主要是針對課程的難點和重點，并不是對所有知識點都進行覆蓋。

2)微課內(nèi)容規(guī)范化原則

每一節(jié)微課時間不超過十五分鐘，這就要求對原有的教學內(nèi)容進一步優(yōu)化、提煉和總結，將重點難點部分做成微課。為此我們從前面的八個模塊中，提煉制作出了14個微課內(nèi)容，分別是：導體對電場分布的影響、介質對電場分布的影響、地球磁場的分布特性、電磁感應現(xiàn)象、HFSS操作入門、通過HFSS觀察平面電磁波、電流元的輻射特性、半波振子的建模、半波振子的仿真設計、引向天線的建模及仿真設計、阿基米德天線的建模及仿真設計、對數(shù)周期天線的建模及仿真設計、微帶天線的建模及仿真設計、喇叭天線的建模及仿真設計。

3)微課制作協(xié)作化原則

確定好了微課制作的內(nèi)容后，在制作的過程中，不是單純的由教師來制作，而是多方參與協(xié)作完成。微課制作的第一步是課堂實錄，在這個過程中，將攝像機搬入課堂，將通錄的實況做為制作微課的“原材料”。而將這些“原材料”制成微課的，不單純是教師，學生也參與進來，從內(nèi)容的剪輯、字幕的編寫、后期的合成等都會分配給不同的學生來協(xié)作完成。到了后期甚至可能聘請我校的數(shù)碼藝術學院的學生在藝術上對微課進行進一步的潤色。讓學生和教師協(xié)作完成微課制作，也是我們的有益嘗試。

通過學生和教師協(xié)作的制作過程，我們發(fā)現(xiàn)兩個好處：①攝像機進了課堂以后，原來喜歡開小差的學生因為錄像也不開小差了，上課的效果明顯好于以前；②我們將課堂實錄的“原材料”分組發(fā)給學生，鼓勵學生自己制作微課，學生對這項任務比一般寫實驗報告、做作業(yè)更有興趣。他們不但自學了視頻、音頻的剪輯軟件，關鍵是在制作的過程中也重溫了課堂的內(nèi)容。可以說，制作的過程，也是學習的過程，也是提高的過程。

4)微課使用可量化原則

目前普遍存在的一個現(xiàn)象就是有很多優(yōu)質的教育資源白白地躺在那里不發(fā)揮作用。究其原因，是學生少有興趣去使用這些資源。微課制作的主要目的是為了使用，如何提高微課的使用率，也是我們這次教學改革研究的重點。

一方面因為微課在制作的過程中讓學生參與進來，微課就是學生自己的作品，他們使用的興趣明顯比較高；另一方面，在不同的班級、不同的學期，相關微課都會重新做一次，在制作新的微課的時候，學生必然會觀看以前做好的微課以作參考，這也大大提高了微課的利用率；同時，我們還經(jīng)常組織一些優(yōu)秀微課的評比，讓學生去關注、學習微課。我們還將微課上傳至我校的網(wǎng)絡學習平臺，通過點擊率、回復率等可量化的指標對微課的使用率進行考核，以持續(xù)激發(fā)學生的學習熱情。另外，我們還把微課的使用情況作為平時成績的一部分，折算到期末考核中。這些都極大地提高了微課的利用率。

3 結語

在我院2013級的四個無線電專業(yè)班級中，兩個班級采用傳統(tǒng)的教學模式，兩個班級采用基于HFSS仿真的微課教學模式，相關的數(shù)據(jù)對比列于下表：

傳統(tǒng)班級改革班級平時上課出勤率82.1%93.4%期末考試均分73.286.9網(wǎng)絡課程評價良優(yōu)選為最喜歡的課的比例32%48%

對比表明，采用基于HFSS仿真的微課教學模式的班級明顯比采用傳統(tǒng)教學模式的班級表現(xiàn)占優(yōu)。難怪學期結束，有位學生給我們留言：“‘電波與天線’這門課，是我大學期間學得最好的一門專業(yè)課。通過學習過程中的微課制作，還提高了我的多媒體制作水平，極大地增強了我的就業(yè)競爭力。”

[1] 于寶明，王書旺.南京信息職業(yè)技術學院無線電專業(yè)人才培養(yǎng)方案[R].2014:34-35(張照鋒等文)

[2] 曹善勇.Ansoft HFSS磁場分析與應用實例[M].北京：中國水利水電出版社,2010:25-27

[3] 汪建豐，沈月娣，孫和平.本科專業(yè)理論課程實施項目式教學的理論與實踐[J].長春：現(xiàn)代教育科學，2012(6)：52-55

[4] 宋朝霞，俞啟定.基于翻轉課堂的項目式教學模式研究[J].杭州：遠程教育雜志，2014，(1)：96-104

[5] 蘇小兵，管玨琪，錢冬明，祝智庭.微課概念辨析及其教學應用研究[J].北京：中國電化教育，2014，(7)：94-99

[6] 譚立容，袁迎春，張照鋒，王抗美.借助微視頻的“電波與天線”實驗教學改革[J].北京：實驗技術與管理，2016，(3)：166-168

Teaching design of Electromagnetic Wave and Antenna Based on HFSS Simulation

ZHANG Zhao-feng, TAN Li-rong, YUAN Ying-chun

(DepartmentofElectronicsandInformation,NanjingCollegeofInformationTechnology,Nanjing210023,China)

In this paper, the course of Electromagnetic Wave and Antenna is reformed on the basis of the HFSS antenna simulation and the combination with the teaching mode of micro teaching. This paper discusses the choice and optimization of the content, the production of material, the use of micro class and assessment methods, etc. Teaching experiment is carried out in the parallel classes. The results show that, by using the teaching mode of Electromagnetic Wave and Antenna based on HFSS simulation, the teaching effect is better than the traditional teaching methods.

electromagnetic wave and antenna; HFSS; micro lesson; teaching design

2016-05-31;

2016-09- 18

江蘇省現(xiàn)代教育技術研究課題(編號：2014-R-30040)

張照鋒(1974-)，男，碩士，副教授，主要從事天線和電磁兼容教學和研究工作，E-mail:zhangzf@njcit.cn

A

1008-0686(2017)02-0060-04