“微波技术与天线”课程多媒体教学改革

张海

摘要：本文探讨了如何利用现代多媒体技术及EDA电磁仿真软件提高“微波技术与天线”课程的教学质量。通过多媒体技术能将抽象的概念形象化，利用EDA仿真软件能够对微波器件及天线等进行三维仿真设计，达到理论与实践相结合的目的。同时，建立了相应的课程网站，丰富了课程的教学手段。

关键词：微波技术；多媒体技术；电磁仿真；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）15-0084-02

一、引言

当今社会，无线通信技术已经遍及生产生活的各个领域，而实现无线通信的最重要载体就是电磁波[1]。其中“微波技术与天线”是这些学科专业中的一门关键课程。该课程理论性较强，且概念抽象，不易理解和学习[2，3]，对如何讲授这门课程的老师及如何学好这门课程的学生都是一个不小的挑战。同时，该课程的工程实践性强，学生不仅要学好理论知识，还要掌握常用微波元件和天线的设计方法，以及相关仪器的使用。由于微波测量仪器的价格昂贵，学校采购数量有限，很难满足每一位同学的实验操作需求[4]。因此，本文探讨了如何在传统教学中，将现代多媒体技术与EDA电磁仿真软件相结合，合理融入到教学过程中。通过多媒体技术，使抽象的概念更加形象和直观，便于学生理解。

二、理论教学改革

1.合理安排教学内容。“微波技术与天线”既是一门理论课程，也是一门工程实践性较强的课程，其主要内容包括微波技术与天线两大部分。其中微波技术又包含传输线理论、波导及网络分析，以及常用微波器件设计等内容；天线技术主要包括天线的基本概念，常见天线基本原理，课程结构如图1所示。其中，红色方框部分应作为课堂讲解的重点内容；虚线框中内容具有较强的工程实践性，授课教师应对相关内容做一些详细介绍，同时对学习兴趣浓厚的学生做一些研究方向的指引。另外，红色方框部分的学习过程涉及大量的数学知识，包括高等数学、复变函数和矩阵理论等知识，还涉及电路、电磁场和电磁波等基础理论，学习比较枯燥且容易忘记。教师讲授时需要多花一些课时，并且强调学习这部分的重要性。在课后需要给学生安排一定的课后作业或临时测验，起到巩固知识、加深理解的作用。

2.合理使用多媒体技术。“微波技术与天线”课程中的很多概念抽象复杂，仅仅使用简单的文字描述或静态图片展示很难理解。通过使用现代多媒体技术可将抽象的概念形象化，利用彩色图片及动画等技术手段将抽象难懂的知识生动直观地展示给学生。例如“场”这一概念，很多学生反映难以理解。多媒体这一教学手段可以很生动、形象地去表达“场”这一看不见摸不着的物质，帮助学生去建立或者重构“场”在他们大脑中的印象，避免教师在“场”教学中的枯燥乏味，从而达到良好的教学效果[5]。

另外，在讲授无耗传输线工作状态、规则金属波导中的场时，也可采用多媒体教学。如对矩形波导中TE10模的电场、磁场以及三维场分布，可以采用多媒体动画的形式来呈现，这样就会使学生更加直观、深入地认识矩形波导中的场分布，加深理解，提高教学效果。对于各种不同的天线结构，可借助幻灯片，收集一些相关的图片展示给学生，加深学生对相关知识的认识与理解。

三、电磁仿真软件

“微波技术与天线”是一门实践性强的课程，由于该课程的实验仪器都非常昂贵，且学生人数较多，实验过程中的仪器管理与维护等需要耗费大量时间，并且在有限的时间内难以让每位同学亲手操作一遍，因此可以使用现有的EDA电磁仿真软件来解决上述问题。目前，常用的微波仿真软件有CST、Ansys HFSS、ADS与Ansys Designer等，并且都提供了相应的学生免费版，免费版完全可以满足课程教学的需求。利用这些软件可以让学生对“微波技术与天线”课程中的常用微波器件及天线进行仿真设计。在仿真实验中，可以加深学生对相关物理概念的理解，以及对理论知识的掌握，同时增强学生们的学习兴趣。图2所示为利用三维电磁仿真软件设计和模拟微波器件的图形界面。

四、课程网站建设

近年来，网络教学作为一种新型、高效的教学方式，很好地弥补了传统教育的不足，也推动了高等院校的教育改革[6]。通过精品课程网站，学生可以跳出传统教学在时间、空间上的制约，通过网站复习课堂上的知识，利用网站上的资源进行更深层次的学习，还可以与老师留言交流。精品课程网站逐渐成为了运用互联网技术改善教学质量、增进师生间交流的一种有效方式。

微波技术是研究微波信号产生、放大、传输、发射、接收、变换及测量等技术的学科，在卫星通信、移动通信、雷达、微波遥感等领域得到了广泛的应用。“微波技术”作为一门重要的专业基础课，是后续“移动通信”、“微波通信”等课程的重要基础。“微波技术”课程涉及到电磁场理论和微波网络系统以及天线技术，内容广泛，理论性强，信息量大，所用到的高等数学、物理学、电磁场与电磁波等知识较多，是电子与通信相关专业比较难学的一门专业基础课。

目前，传统的微波技术教学存在一些问题。首先，教学方法比较单一，大多数时候还是采用课堂上ppt讲解和板书的授课方式，这有助于进行严谨的理论推导，但讲课效率却无法充分提高；其次，在有限的课堂教学中仅能将基本的概念、原理、方法教给学生，而对微波技术的发展前沿，更深层次的知识点，发散性、探索性的问题涉及较少。建设《微波技术》精品课程网站是配合教学现状，进行网络教学改革的实践。将网络教学与课堂教学有机结合起来，是对以现代信息技术为基础的新型教学方法和教学模式的探索。能够充分发挥学生学习的积极性和自主能动性，从而提高教学质量。

本教研组运用新型的Web前后端技术，采用B/S（浏览器/服务器）架构，使用近年来新兴的Node.Js搭建后端服务器[7]，使用Nosql数据库MongoDB做为数据库，使用jquery、Bootstrap等前端类库和技术搭建一个性能、体验良好的《微波技术》课程网站[8]，并采用响应式设计进行多终端适配，使网站适应PC、手机等不同尺寸的设备。该网站不但丰富了该课程的教学手段，而且改善了教学质量，增进了同学与老师之间的沟通与交流。

五、结论

本文分析了“微波技术与天线”课程的内容特点及教学难点，并对传统教学方法提出了一些改进措施。通过合理安排教学内容及运用多媒体技术来提高教学质量。同时，开发和建立了相应的课程网站，该网站为学生提供观看视频课程、资料下载、查看老师文章、向老师留言提问等功能，为老师建立一个后台管理系统，提供文章的发布和管理、视频资源上传、回复学生留言等功能，有效提高了该课程的教学质量。

参考文献：

[1]袁海军，马云辉，刘咏梅，等.《微波技术与天线》课程教学中理论性与工程应用性的结合探讨[J].科技资讯，2012，（24）：169-170.

[2]夏祖学，李少甫，胥磊.《天线与微波技术》课程的教学改革研究与实践[J].实验科学与技术，2013，（06）：49-51.

[3]蒋铁珍，廖同庆.《微波技术与天线》教学：与工程应用相结合[J].教育与教学研究，2014，28（06）：78-80.

[4]李新营，曹雪.《微波技术与天线》教学的研究与探讨[J].物理通报，2014，（12）：25-27.

[5]李素萍，吴伟.《微波技术与天线》课程教学改革探讨[J].中国电力教育，2011，（08）：108-109.

[6]高思礼.教育部启动精品课程建设工作[J].中国大学教学，2003.

[7]郭家宝.Node.js开发指南[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[8]朴灵.深入浅出Node.js[M].北京：人民邮电出版社，2013.