电磁场与微波实验教学的探索与实践

凌 丹, 陈文华

(清华大学 电子工程系实验教学中心， 北京 100084)

0 引 言

电磁场理论的提出和发展，使得电磁场与微波技术在雷达、通信、导航、遥感、医学、空间研究等领域的应用不断深入，科技的迅猛发展使得电磁场与微波技术在高等院校电子信息类的学科发展和学生培养中的作用日趋重要。

针对电子信息类知识量爆炸式增长与学生学时有限之间的矛盾，清华大学电子工程系自2008年开始进行本科生教学改革，梳理电子信息科学大类本科核心知识结构，以“信息载体与系统的相互作用”为核心概念，对原有课程体系进行归纳和凝炼，提出了基于现代学习理论的新的课程体系框架。建立了由10门核心专业基础课、25门专业限选课和45门专业任选课组成的新体系[1]。同时进一步加强实践教学的力度，为每门核心课配置实验课程，还建立了实验系列限选课组和任选课组。

在电子系进行课程改革的同时[2]，电子系实验教学中心也在探索适应现代科技发展需要的实验教学模式，提出了“抓两端、促中间、建平台”的建设思想。电磁场与微波实验室根据电子系课程改革的思路，抓住该领域的核心理论知识，梳理实验课程内容，本着“加强基本概念，培养专业技能，拓展综合素质和创新能力”的建设理念，建设分层次、开放性的电磁场与微波实验教学体系。

1 学科理论知识框架

清华大学电子工程系为本科生开设的电磁场与微波技术学科的课程有“电磁场与波”、“微波与光波技术基础”、“射频通信电路”和“天线原理”。

“电磁场与波”在静电场、稳恒磁场的基础上，引入准静态场，并通过麦克斯韦方程组介绍时变电磁场，讲解平面电磁波的传播特点，以及极化、色散、反射、折射等特性。由电磁波在无限大空间的传播特性介绍电磁波在有界空间，如各类传输线(包括同轴线、波导)和谐振腔中的传输特性[3]。最后介绍电磁场的辐射特性，如电偶极子和磁偶极子的辐射场[4]。

“微波与光波技术基础”在“电磁场与波”的基础上，从电路的观点出发，介绍传输线理论，引入分布参数的概念；从场的观点出发，运用导波理论研究各类传输线，包括矩形波导、圆波导、同轴线、微带线等。“传输线理论”用于分析均匀传输线和简单不均匀的电路问题，“导波理论”用于分析各种结构形式的传输线内的场的模式。而对于结构复杂的微波元件和微波电路，再引入“微波网络”的方法，与场理论相互结合，相互补充，解决传输线中不均匀区的外特性问题。最后应用传输线理论、导波理论和网络理论分析各类无源微波和有源微波电路的工作原理、特性和应用[5]。

“射频通信电路”详细讲解各类有源微波电路的基本理论、分析方法和设计，如低噪声放大器、功率放大器、混频器、振荡器和开关控制等微波电路。

“天线原理”介绍天线向空间辐射和接收电磁波的器件，它提供导波和自由空间波之间的转换。课程详细讲解线天线、口面天线、阵列天线、反射面天线等几大类天线的分析计算和特性，还介绍了天线的科研新进展，以及天线测量、电波传播、电磁兼容等内容[6]。

以上四门理论课程，构成了完整的电磁场与微波技术学科领域的理论知识框架，让学生可以在本科阶段进行全面、系统的专业学习。

2 电磁场与微波实验教学体系

基于以上理论课程形成的知识架构，针对该学科数学推导多、理论性强、抽象难以理解的特点和难点[7]，电磁场与微波实验室不断建设和完善电磁场与微波实验教学体系，并与科研紧密结合，将实验教学作为理论教学并行的一项重要的教授方法，注重基本技能、综合能力和创新能力的培养[8-9]，激发学生的学习激情和创造力。

2.1 实验模式

自电子系进行本科生教学改革以来，电磁场与微波实验室本着“宽口径、厚基础、强实践、重创新”的指导思想，对该实验体系的内容进行梳理，从基本原理、基本元件、单元电路到微波系统，将科研方法引入到教学过程，加入探究性内容，构成一个完整、科学、开放性的体系，符合人才培养规律[10]。教学过程中，强调学生的主体地位，强调师生互动，为学生提供完善的环境和条件，师生一起探索学科知识和发展，培养学生的探索精神，建立基于教师指导下的学习模式。

2.2 实验体系

实验教学体系包括“电磁场与微波实验”、“微波电路设计”和“移动终端内置多天线设计”课程，内容涵盖了该学科领域的基础型、研究设计型和探究型项目，立足于培养具有探索创新型的人才(见图1)。

图1 实验教学体系

“电磁场与微波实验”是电子系本科生的必修课，配合专业核心课“电磁场与波”，加深学生对该学科重要知识的理解，内容包括基础型和设计型项目。该课程针对电磁场和电磁波的知识，采用多媒体动画演示[11]和电磁波综合测试仪硬件实验相结合的方式，研究平面电磁波的传播特性，包括极化、反射、折射，以及电磁波在自由空间、传输线、微波元件中的传播特性；针对微波相关知识，通过在测量线系统和矢量网络分析仪上的实验内容，学习传输线理论、导波理论和微波网络理论，掌握基本测量方法，如波长和驻波比的测量，阻抗测量和匹配，并研究几类关键的微波电路，如带通滤波器、功率分配器、分支线电桥、环形电桥、定向耦合器等；课程还通过ADS(Advanced Design System，先进设计系统)软件仿真让学生学习掌握微带线的传输特性和阻抗匹配的方法。

“微波电路设计”是电子系本科生的限选课，内容侧重研究设计型项目。课程选取各类无源微波电路和有源微波电路(选取低噪声放大器)，让学生完成从软件仿真到硬件调试的研究设计实现过程；并以微波电路的典型应用——无线通信系统为例，研究射频终端的发射机和接收机，加深理解微波电路的特性和应用。

“移动终端内置多天线设计”是电子系自2010年设立“实验教学专项基金”以来征集开设的实验教学项目，是电子信息科学前沿专题项目中的一门实验课程。作为电子系本科生的任选课，侧重于研究型和探究型项目。针对多频无线通信系统中的应用，介绍基于移动终端内置天线的设计、实现和测量。使学生掌握天线的仿真与设计环境，设计制作满足多频段应用的内置小型化天线，学习天线测试的校准和调试方法，掌握天线性能指标的测试方法，了解天线方向图在暗室中的测量原理与过程。并鼓励学生探索研究提出自己的设计实现方案。

以上实验课程，“电磁场与微波实验”在强化基础知识和方法的同时，加入基本的设计型内容，帮助学生理解掌握该领域的重要知识，为后续学习打下基础；“微波电路设计”是将科研成果转化为教学实践的第一步，它从系统应用的角度，让学生完成关键单元电路的设计实现，并引导学生主动思考，积极研究微波电路和系统的各类问题；“移动终端内置多天线设计”是将科研成果转化为教学的进一步深化，引导学生进行探究性学习。

该实验教学体系的课程与理论课程的关系见图2，此关系基于知识层次结构，相应的课程内容并不完全局限于此。实验体系的内容从最基本的原理知识和测量方法、关键的单元电路到实际应用的系统，项目类型从基础型、研究设计型到探究型，针对不同层次学生的特点，引导他们去探究该领域的知识和发展[12]。

图2 课程关系图

2.3 教学方法

(1) 实验课程中采用引导、讨论、开放的方式。坚持学生的主体性，教师起重要的引导作用。学生从教师这里获取的绝大多数没有唯一的标准答案，只有更多的思考。学生和教师一起研究解决问题的更好方法，并付诸实现。在设计研究型和探究型实验项目中，学生根据自己的兴趣点，可以在给定范围内，也可以在范围之外，选择电路类型，选择电路结构进行设计实现。并且，实验室采用全开放管理[13-14]，学生提前预约即可来实验室完成。

(2) 注重基本能力、综合能力和创新能力的培养。在实验教学中，我们一直重视扎实的根基，这是重要的前提，也是本科阶段培养学生的重要目标之一。在这个基础上，再通过引导、开放式的实验内容，让学生学会自己去查阅各类资料，了解学科发展情况和前沿[15]，并尽力提供各项硬件和软件条件让学生去尝试，提出自己的想法并进行实践，在不断地实践再实践的过程中，真正培养提高综合能力和创新意识[16]。

(3) 实验教学与理论教学相互配合相互促进。理论课教师和实验教学教师之间沟通交流，并共同参与，从而促进实验课程建设。这样才能使得学生利用各项资源去充实和发展自己，理解学以致用，激发学习主动性，从而达到有所思考并逐步提升其探究能力。

(4) 将先进的科研成果转化为实验教学。实验教学与科研紧密结合，努力促进各项条件的成熟从而将科研成果转化为实验内容。让学生在本科阶段通过多种途径去感受科研的魅力，从而对学习提出更明确的方向，并且更加主动的学习。

3 结 语

电磁场与微波实验教学体系自2002年至今已经应用11年，并紧跟科研发展和人才培养的需要不断改进，“移动终端内置多天线设计”课程即将投入运行。课程每年接纳学生约300人，教学在清华大学教学评估体系中得到学生的好评，学生普遍反映课程对于他们学习理解学科知识，了解学科发展，提高实践能力和综合素质起到了重要的作用。该体系的建设先后获得清华大学2004年教学优秀成果奖、2008年教学优秀成果奖、2010年第十一届实验技术成果奖。电磁场与微波教学 实验室作为电子系实验教学中心的重要组成部分，作为重要的交流窗口，获得国内外高校同行和知名企业的高度评价。

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摘要

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(本刊编辑部)