朱衛(wèi)剛 薛紅 曹文權(quán)

摘? 要：教學(xué)方法改革與創(chuàng)新是提高新工科課程教學(xué)質(zhì)量的有力舉措。針對新工科專業(yè)課程電磁波與天線課程理論性強、公式繁雜的特點，該文著眼提高課堂教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力，提出 “虛實結(jié)合”的多元融合教學(xué)法。該文分析課程教學(xué)現(xiàn)狀，探討“虛實結(jié)合”教學(xué)方法改革與創(chuàng)新的途徑，并對“虛實結(jié)合”的教學(xué)案例進(jìn)行分析。教學(xué)實踐表明，在“虛”的方面，引入Matlab和HFSS軟件對抽象概念虛擬仿真，可以讓電磁波的場特性形象化；在“實”的方面，采用小型化電磁場演示儀和微波試驗箱，以實物形態(tài)在課堂演示，讓“抽象難懂”的理論知識具體化，可有效推動學(xué)生理解和掌握電磁波從發(fā)射、傳播到接收的全系統(tǒng)的知識，提高學(xué)生在電磁工程方面的實踐創(chuàng)新能力，近幾年學(xué)生也在國家和校級科技創(chuàng)新競賽活動中取得優(yōu)異的成績。

關(guān)鍵詞：電磁波與天線課程；虛擬仿真；小型化電磁場演示儀；虛實結(jié)合；教學(xué)方法改革與創(chuàng)新

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）25-0134-04

Abstract： Teaching approach reform and innovation is a significant move to improve the teaching quality. The course of Electromagnetic Waves and Antennas covers a large number of complex formulae and is highly theoretical. To improve the effectiveness of the conventional classroom teaching and stimulate the students' learning motivation， this paper explores and practices a diversified teaching method that combines both virtual simulation and real-object demonstration. With focus on the key points and difficult points in teaching， we propose to build mathematical models for abstract concepts by using the software tools Matlab and HFSS to visualize the field properties of electronica waves， which is virtual simulation. In terms of real-object demonstration， we use small electromagnetic field demonstrating instruments and microwave test boxes to visually demonstrate abstract and complicated theories in class. Our teaching practices have proved that this kind of virtual-real combination between software and hardware can effectively promote the students' understanding and command of the systematic knowledge of electromagnetic wave from emission， propagation to reception， and improve the students' practice and innovation capabilities in electromagnetic engineering. The students also have achieved excellent results in the scientific and technological innovation competitions held at the school and national levels.

Keywords： Electromagnetic Waves and Antennas course; virtual simulation; the small electromagnetic field demonstrating instrument; virtual-real combination; reform and innovation of teaching method

新工科背景下，“新工科”建設(shè)更加注重學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力的提升[1]。改革教學(xué)方法，使課堂組織形式更加靈活，有助于改變教學(xué)過程中單向要求學(xué)生接受學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀，進(jìn)而建立雙向互動的課堂交流模式，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和實踐能力。深化教學(xué)改革和創(chuàng)新教學(xué)方法是提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的重要手段，也是全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有力舉措[2-4]。“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略提出了面向世界和未來的先進(jìn)策略，為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級進(jìn)行了全面統(tǒng)籌規(guī)劃，也為高校教育的改革發(fā)展指出了未來發(fā)展的方向。

一? 課程教學(xué)改革的基本情況

電磁波與天線課程作為陸軍工程大學(xué)新工科通信工程專業(yè)的重點建設(shè)課程，是分析和研究現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域中各類電磁問題的基礎(chǔ)，也是通信工程專業(yè)最為重要的專業(yè)課程之一。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)能夠掌握宏觀電磁現(xiàn)象的基本定律和性質(zhì)，理解電磁波從發(fā)射、傳播、接收全過程的理論知識，并具備一定的電磁工程實踐能力，為以后從事相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和工作打下必要的理論基礎(chǔ)。

（一）? 教學(xué)面臨的主要問題

近些年，隨著先進(jìn)教育信息技術(shù)的發(fā)展，課程教學(xué)模式產(chǎn)生了很大變化，MOOC、在線課程、微課、SPOC教學(xué)和智慧課堂等方式逐漸走進(jìn)課堂教學(xué)，與之相匹配的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法隨之也進(jìn)行了改革和創(chuàng)新，但也面臨著一些新的問題，主要表現(xiàn)為：一是課程抽象內(nèi)容和繁雜公式，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，自發(fā)學(xué)習(xí)電磁理論的內(nèi)在動力不足；二是課堂教學(xué)手段單一，抽象內(nèi)容難以直觀呈現(xiàn)，仍停留在板書和理論講解；三是實踐教學(xué)中，個性化的實驗項目偏少，學(xué)生動手鍛煉的機會不足，不利于創(chuàng)新能力培養(yǎng)；四是軟件虛擬仿真支撐偏弱，對于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題所需的綜合能力形成了限制。

（二）? 教學(xué)目標(biāo)的重新設(shè)計

電磁波與天線作為核心專業(yè)課，課程教學(xué)改革定位于實現(xiàn)“淘汰水課，打造金課”這一目標(biāo)。針對教學(xué)內(nèi)容中的抽象概念和繁雜公式，在課堂教學(xué)中，聚焦新工科建設(shè)和發(fā)展的需求，按照“強化基礎(chǔ)理論，突出應(yīng)用特色，加大信息含量，注重實踐環(huán)節(jié)”的教學(xué)思路，設(shè)計教學(xué)策略，把“虛實結(jié)合”的軟硬件平臺應(yīng)用到理論教學(xué)中，突出電磁工程實踐能力培養(yǎng)，將理論與實際緊密結(jié)合起來，以學(xué)帶“練”，以練促“學(xué)”。

（三）? 教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合

隨著院校轉(zhuǎn)型，按照新的人才培養(yǎng)方案和課程教學(xué)要求，電磁波與天線課程需要對原有的電磁類核心課程的電磁場與波、天線與電波傳播及微波技術(shù)基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化融合，并形成新的信息類專業(yè)核心課程。該課程以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路分析等作為先導(dǎo)課程，為通信原理、微波通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等專業(yè)課程提供專業(yè)基礎(chǔ)理論，成為本科階段最為重要的“橋梁型”課程之一，起到承上啟下的作用。課程內(nèi)容體系包括 “電磁場理論基礎(chǔ)、工程基礎(chǔ)及天線應(yīng)用、前沿技術(shù)”三部分內(nèi)容，涉及矢量分析、電磁場基本方程、均勻平面電磁波的反射與折射、均勻傳輸線基礎(chǔ)理論和微波傳輸線、天線的基礎(chǔ)知識及應(yīng)用等重要內(nèi)容，全面培養(yǎng)了學(xué)生電磁信息素養(yǎng)和工程實踐能力。

（四）? 教學(xué)方法的改革路徑

新課程內(nèi)容體系完整，知識模塊具有相對獨立性，但課程具有抽象內(nèi)容多、公式推導(dǎo)多、實施難度大的特點，教和學(xué)兩方面都面臨著挑戰(zhàn)，成為在本科階段公認(rèn)的“難教難學(xué)”的課程之一。為了破解難題，急需在教學(xué)方法的改革路徑上形成突破。一是在課堂教學(xué)中，要以學(xué)生為主體，引入多種教學(xué)方法，為學(xué)生呈現(xiàn)電磁理論直觀的表述和結(jié)果，利于學(xué)生消化和吸收；二是實踐教學(xué)中，設(shè)置不同難度等級的實驗項目，吸引學(xué)生積極參與；三是課后開展科技競賽活動，推動學(xué)生積極參與校內(nèi)和校外的科技創(chuàng)新活動，讓學(xué)生有成就感，提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

二? 課程“虛實結(jié)合”的教學(xué)方法

“虛實結(jié)合”是指針對課程中抽象的理論和概念，用軟件虛擬仿真和實物演示相結(jié)合的一種實踐方式[5]。課堂上如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力和實現(xiàn)師生教學(xué)相長的良性互動，成為實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此，在課堂上有針對性地采取靈活多樣的“虛實”結(jié)合的教學(xué)方法和手段，形成了學(xué)員思維活躍、師生溝通順暢、學(xué)習(xí)目標(biāo)明確的課堂教學(xué)氛圍，成為教師提高教學(xué)質(zhì)量和提高課堂教學(xué)效果的有力保障。

（一）? 探索多元融合教學(xué)方法

課堂教學(xué)是“教與學(xué)”的主陣地，問題牽引式、研討式、案例式和類比式等教學(xué)方法是電磁波與天線課程教學(xué)經(jīng)常采取的方法[6-7]。依據(jù)授課內(nèi)容難易程度將多種教學(xué)方法相融合，引導(dǎo)學(xué)員由淺入深地學(xué)習(xí)抽象的電磁理論，既可以是師生之間的輕松討論，也可以是學(xué)員之間的探討和辯論。遇到學(xué)生不易理解的抽象內(nèi)容，教師采用虛擬仿真和實物演示的方法和手段，將課程抽象概念、定理的形象具體化，有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)和電磁工程素養(yǎng)的提高。此外，利用網(wǎng)上教學(xué)平臺，將課堂上不能充分展示的教學(xué)資源在課后推送線上，利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)課堂上不易掌握的概念，緩解課堂課時不足帶來的矛盾，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

（二）? 搭建小型實物型演示儀

在電磁波與天線課程的課堂理論教學(xué)中，抽象的教學(xué)內(nèi)容遍布課程多個章節(jié)，在三尺講臺上采用實物演示儀表現(xiàn)抽象內(nèi)容并為學(xué)生提供感性認(rèn)知和直觀結(jié)果，對學(xué)生當(dāng)場吸收和消化重難點內(nèi)容極為重要。教師應(yīng)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，因地制宜地制作小型化實物模型和輔助教學(xué)工具，搭建電磁波與天線演示平臺，配備了微波技術(shù)試驗箱，適時進(jìn)行演示和講解，增加教學(xué)內(nèi)容的直觀性和趣味性，以達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

（三）? 軟件模擬抽象模型的電磁特性

電磁波與天線課程學(xué)時長，所有教學(xué)內(nèi)容都采用實物演示，將為教師實施教學(xué)帶來極大困難。隨著電磁仿真軟件HFSS和ADS等的應(yīng)用，其強大的電磁模型的輻射特性模擬和仿真功能，為學(xué)生直觀理解抽象概念帶來極大的便利。在天線基礎(chǔ)知識及應(yīng)用中，電磁工程應(yīng)用的各種結(jié)構(gòu)的天線外觀和輻射特性各異，相關(guān)內(nèi)容理解成為困擾學(xué)生的一大障礙。課程教學(xué)中，建模一些典型應(yīng)用場景的實際天線，模擬出其三維方向圖、增益和極化特性等，將計算結(jié)果形象地展示給學(xué)員，使學(xué)員有一個感性認(rèn)識，激發(fā)了學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動力。

三? 課程“虛實結(jié)合”教學(xué)法應(yīng)用案例

在電磁波與天線課程教學(xué)過程中，教師要在有限的時間內(nèi)講述大量抽象的概念、定理和復(fù)雜的公式推導(dǎo)，就必須增強授課的趣味性，想辦法把抽象的概念形象化、直觀化，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動力。教師可根據(jù)課程各章節(jié)教學(xué)內(nèi)容難度不同，對重點內(nèi)容進(jìn)行分類，或者采用虛擬仿真，或者采用實物演示，亦或兩者相互結(jié)合，相得益彰，以使抽象的概念變得直觀易懂。

（一）? 點電荷的電場與電位的虛擬仿真

在靜態(tài)電磁場章節(jié)中，點電荷的電場與電位是認(rèn)識電磁學(xué)的出發(fā)點，是學(xué)習(xí)時變電磁場的理論基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生對電場和等位面缺少感性認(rèn)識，往往停留在對抽象概念的理解上，對其空間的變化缺少整體認(rèn)識，尤其是對電力線的變化缺乏感性認(rèn)識，為此在教學(xué)中可采用體驗式的教學(xué)策略予以結(jié)局。教師可以讓學(xué)生安裝 Matlab軟件，利用該軟件的虛擬仿真能力，將電荷的電力線變化和等勢面形象直觀地呈現(xiàn)給大家，提高大家的興趣。此外，對于軟件編程能力強的學(xué)生，提高實驗項目等級難度，并鼓勵學(xué)生給出了等勢面的立體圖，使得這些概念的形象直觀有趣。圖1是學(xué)生通過自己編程后仿真模擬的結(jié)果，其中圖1（a）給出了點電荷的電力線模擬圖，從中心向外發(fā)出，很好地解釋了書本上的電力線發(fā)于正電荷的結(jié)論，圖1（b）給出了點電荷的電位立體模擬圖，形象展示了點電荷在整個空間的分布，直觀形象。通過虛擬仿真，學(xué)生普遍反映，既鍛煉了編程能力，也對抽象概念有了更為清晰的理解，同時也增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動力。

（二）? 電磁波極化演示的“虛實結(jié)合”

電磁波在空間傳播時，電磁波的極化方式有多種形式，包括線極化、圓極化、橢圓極化，概念非常抽象，許多學(xué)生課堂無法理解電磁波極化方式，也無法判別電磁波極化的旋向，成為教學(xué)中的難點和痛點，為此教學(xué)可以采用問題牽引式教學(xué)方法予以解決。圖2就基于軟硬件“虛實結(jié)合”的手段對電磁波極化的概念進(jìn)行了演示，并給出了電磁波極化直觀結(jié)果。在圖2（a）中，學(xué)生采用Matlab軟件編寫了電磁波極化的程序，虛擬仿真沿+z方向傳播左旋圓極化波，并繪制出三位空間的電磁波圓極化曲線，讓抽象的極化概念形象直觀呈現(xiàn)在眼前，促進(jìn)了學(xué)生理解電磁波極化這一抽象概念。圖2（b）為電磁波極化的實物演示平臺，學(xué)生通過實物平臺中天線的轉(zhuǎn)動，感受電磁波極化的影響，展示并驗證不同極化天線接收電磁波時發(fā)生極化匹配和失配現(xiàn)象，提升學(xué)生的興趣，并潛移默化地讓學(xué)生理解電磁波極化概念的重要性和工程應(yīng)用的意義。

（三）? 電磁波參數(shù)測量

電磁波波長及介電常數(shù)測量屬于電磁理論驗證實驗項目，實驗的主要儀器儀表是微波分光儀。該實驗?zāi)康氖茄芯侩姶挪ㄔ诳臻g傳播的反射與折射定律，利用相干波源測定空間電磁波的波長，并基于加載介質(zhì)板所形成的波腹點和波節(jié)點測定介質(zhì)板的介電常數(shù)。通過實驗，學(xué)生可以沉浸式體驗電磁波反射與折射定律，并能驗證相關(guān)波源在接收點處形成波腹點和波節(jié)點的干涉效應(yīng)，加深對電磁波理論的理解。圖3給出了電磁波參數(shù)測量的示意圖，其中圖3（a）為微波分光儀，儀表操作簡單，實驗精度高，不僅可以測量參數(shù)，同時可以測量電磁波的反射與折射等實驗項目。圖3（b）為實驗項目的的原理圖，通過實物的測量，可以讓學(xué)生直觀感受到電磁波的存在和傳播特性參量。

（四）? 天線輻射特性的虛擬仿真

天線的輻射特性是課程最為抽象的教學(xué)內(nèi)容，也是電磁工程實踐中理論聯(lián)系實際最為緊密的內(nèi)容。天線輻射機理晦澀難懂，涉及了大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對抽象概念往往一知半解。如何將天線輻射特性直觀展示在學(xué)生面前，成為教師課堂教學(xué)面臨的一個重要問題，為此教學(xué)中可以采用案例教學(xué)法予以解決。教師可以基于Matlab軟件，讓學(xué)生編寫程序，模擬時變電偶極子在空間輻射時的情況，讓學(xué)生直接觀察到電磁波是如何形成的，并體會空間電力線的形態(tài)和變化，圖4（a）給出了三個不同時刻電磁波的輻射。圖4（b）則是針對實際天線應(yīng)用時，采用HFSS電磁仿真軟件對天線進(jìn)行建模，模擬出其三維空間的立體方向圖，讓學(xué)生體會天線輻射的電磁能量在空間的分布狀況。通過兩種方式對比，可以讓學(xué)生更深刻地感受到電磁波輻射的本質(zhì)特性，讓抽象的概念更易理解，更易被學(xué)生接受。

實踐表明，電磁波與天線課程采用“虛實結(jié)合”教學(xué)方法，課堂教學(xué)效果明顯提升，也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)電磁理論的興趣，提高了學(xué)生電磁工程實踐創(chuàng)新能力。學(xué)生在近幾年的科技創(chuàng)新實踐活動中取得了優(yōu)異成績，先后在全國和校級大學(xué)生科技競賽中獲得多項一、二等獎，并在會議期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，推動了更多學(xué)生投入到創(chuàng)新實踐活動中。

四? 結(jié)束語

基于“虛實結(jié)合”的多元融合教學(xué)方法，可充分發(fā)揮軟件虛擬仿真技術(shù)和小型電磁波與天線演示儀功能，將課堂抽象難懂的概念形象化和具體化，對于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實踐創(chuàng)新能力具有重要作用。此外該教學(xué)方法在提高課堂教學(xué)效果的同時，也提高了年輕教師的授課水平，促進(jìn)了課程教學(xué)質(zhì)量的提高，對其他電磁類課程的教學(xué)方法改革也有一定的推廣和借鑒意義。

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