通信工程专业电磁场与微波技术系列课程教学改革探索

张景贵

（湖南第一师范学院 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410205）

引言

随着信息时代的不断发展，作为信息主要载体的高频电磁场与微波，不仅在移动通信、微波遥感、电磁兼容、卫星通信、军事雷达等高科技领域获得了广泛的应用，而且已经深入到各行各业中[1]。此外电磁场与微波技术的基本理论又为一些交叉学科（如生物电磁学与微波化学）的生长点和探索科学研究前沿学科（如超表面与超常电磁介质等）的发展基础。因此，与此相关联的电磁场与微波技术系列课程被规定为高等学校电子信息工程类相关专业的基础知识体系之一。该系列课程群主要包括“电磁场与电磁波”“微波技术”“微波电路理论分析”和“天线与电波传播”等四门课程。由于电磁场与微波技术系列课程牵涉到高等数学的知识较多，内容广泛、概念抽象、特别是电磁场分布和数值计算非常复杂，给教与学工作带来了相当大的困难。因此，该系列课程可以说是通信工程、电子信息工程与电子科学与技术等相关专业的一门公认难学难教的课程。为了解决这一难题,改进教学效果,提高人才培养质量，近几年来国内各高校在本系列课程教学改革方面做了大量研究工作，如叶宇煌提出了电磁场与微波技术系列课程的改革[2]，但其仅从理论教学模式出发提出了教学改革方案，却没有涉及实际的课程体系问题。欧阳义芳以史密斯圆图（Smith chart）中的阻抗圆图（Impedance chart）为例建立了课程教学改革项目[3]，但该论文仅仅仅针对“微波技术与天线”一门课程，没有与电磁场与微波技术课程群体系相结合，具有一定的局限性。陈宇、白雪梅等提出以电路、电场与电波三者为主线，面向通信工程专业学生，侧重研究移动通信、数据通信原理与雷达技术教学改革思想[4]。边莉、张起晶等着重研究了电磁场与微波技术系列课程教学内容重构与优化思想[5]，但未涉及到课程体系中每门课的具体教学内容。赵春晖、张朝柱针对哈尔滨工程大学通信工程专业的实际情况，基于课程体系改革及教学内容优化方面提出电磁场与微波技术系列课程建设与改革的初步方案[6]。近年来，随着通信工程专业升本成功，我校对电磁场与微波技术课程的改革和实践也作了些前期探索工作，并且取得了初步教学改革效果，但作为地方师范类高校，由于升本时间不长和资金条件的限制，在教学改革经验与资源上无法与校龄较长传统工科高校相比。

目前国内地方高等学校电磁场与微波技术系列课程的教学改革多以关注校级、市级及省级“精品课程建设”等各类课程建设为主，并且大部分教学改革工作只针对课程体系中某门课程的教学内容和教学方式的调整，相对于整个电磁场与微波技术课程群来说，仅仅是局部优化与调整而已。本文结合传统电磁场与微波技术系列课程特点和我校的实际情况，对该系列课程体系的构建、课程教学内容的优化与实践教学环节等方面进行了探索，并结合当前工程应用最为广泛的射频微波技术实际需求提出电磁场与微波技术系列课程建设与改革的方案。通过该系列课程教学改革有助于促进电磁场与微波技术课程群理论教学与当前实践工程相结合，提高学生对该系列课程的专业知识和技术的实际应用能力，提高整个课程体系的教学质量，从而促进我校通信工程专业特色的形成，同时对我校电子科学与技术与计算机应用专业的发展也将提供强有力的支撑与保障，并为其他高校在同类课程群建设中的理论与实践教学改革方面提供新思路。

一、课程体系的重构及实践教学环节的建设

电磁场与微波技术系列课程被规定为高等学校电子信息工程与通信工程等相关专业的基础知识体系之一。该系列课程群主要包括“电磁场与电磁波”“微波技术”“微波电路理论分析”和“天线与电波传播”四门课程以及相应的实验和创新环节。本系列课程教学内容多，知识结构复杂，理论性强，是典型的难学难教课程。为适应当前通信工程专业应用技术型人才培养的需要,笔者拟将电磁场与微波技术系列课程内容进行了整合，并对每门课的教学课时进行适当调整。课程教学体系重构的基本原则是各课程的教学内容不重复，各课程知识点之间关系既存在相对的独立性又具有连续性，实践实训环节或技能培养环节连续递进。课程教学改革的基本目标是构建厚基础、重能力、宽口径、求创新的课程教学体系。调整后的电磁场与微波技术系列课程体系安排如图1所示。本系列课程教学改革是以“微波技术”为中枢，将传统“微波电路理论分析”更名为“微波射频电路理论分析与设计”，并对教学内容做适当调整，将“电磁场与电磁波”和“微波技术”两门课程的实验教学内容单独提炼出来，整合为一门单独开设的实验课程即“电磁场与微波技术实验课程”，同时为提高学生工程实践动手能力，新增设“微波技术与天线课程设计”。学生前期所修各门课最终将服务于后期新开设的微波射频系统综合实训环节，改革后的课程体系加强了该课程群与工程实际的结合，提高学生的微波系统设计和系统优化的能力，符合地方院校通信工程专业应用技术型人才培养的目标。

在进行课程群体系结构改革的同时，笔者所在学校也非常重视相应课程实践环节建设的开发和建设工作。2012年，随着我校通信工程专业升本成功，电磁场与微波技术课程建设进入起步期。除将“电磁场与电磁波”和“微波技术”两门课程列入通信工程专业必修课之外，为增强学生实践动手能力，我校还将“射频技术与应用”及“射频电路课程设计”两门实验课程列入通信工程专业选修课。并且在专业建设经费的支持下，笔者所在学院新建了无线移动通信实训室、购买了分光仪5套、电磁场与微波智能实训平台4台、微波频谱仪2台、射频微波试验箱4台、标量网络分析仪2套、矢量网络分析仪2台，并且依托我院信号与信息处理重点学科平台购置电磁与微波工程设计软件CST。加强与IT企业，尤其是通信企业建立稳定的协作关系，在校内实行微波实验室“全日制”开放，积极开辟学生第二课堂，改革教学方法与手段，取得了一定的教学效果。实践教学工作的重点是充分利用学院现有的软件与硬件条件，从培养学生创新能力出发，构建分层递进式电磁场与微波技术课程群实验实践教学体系，即由一般验证性实验向综合性实验和设计性实验转型；强调实验的开放性与突出学生的自主性；课程设计和系统设计、选做和必做实验、课外自主开发项目和课内基本技能培养三者相互统筹，最终形成不同层次多类别的实验教学体系。具体方案如下：第一层次为基础知识培养,该实践环节由电磁场与微波技术实验课程承担，主要包括:法拉第电磁感应定律的验证、位移电流的测量、电磁场与电磁波的反射与折射实验、电磁场与电磁波波单缝及双缝衍射实验、迈可尔逊干涉实验、电磁波的极化实验、微波驻波系数及反射系数测定、天线的方向图绘制及其增益的测定。第二层次为系统设计能力提升，该实践环节由微波与天线课程设计完成，主要包括微波有源电路及器件设计、微波无源电路及器件设计与微波天线设计。第三层次创新型实践能力培养，该实践环节由微波射频系统综合实训环节承担，主要工作是开发出一个基于工程设计软件的综合微波系统，此外还可以依托学院大学生科技创新项目与教师科研课题完成学生自己拟定的课题。

图1 电磁场与微波技术系列课程体系结构

三、课程教学内容的优化

（一）电磁场与电磁波教学内容的优化

目前国内高校通信工程专业的“电磁场与电磁波”课程内容主要包括矢量场分析、电磁场的基本规律、静态场及其边值问题解、时变电磁场、均匀平面波、导行电磁波和电磁波的辐射等知识点。当前高等学校专业课程改革的基本指导思想是压缩专业课程学时，同时强调专业基础与突出教学重点。因此根据我校通信工程专业培养方案，笔者拟对传统电磁场与电磁波课程内容进行了优化。将矢量场理论分析内容归入到前期课程“高等数学”，将导行电磁波内容归入后期课程“微波技术”，与此同时将电磁波的辐射内容归入后期课程“天线与电波传播”。调整后的“电磁场与电磁波”课程只保留了电磁场的基本规律、静态场及其边值问题解、时变电磁场与均匀平面波等内容。反映调整后电磁场与电磁波课程知识体系如图2所示。

图2 “电磁场与电磁波”知识体系

（二）微波技术教学内容优化

目前国内高等院校通信工程专业所开设的“微波技术”课程内容主要包括:均匀传输线理论（平行双导线与同轴线）、规则金属波导（矩形波导与圆形波导）、微波集成传输线（微带线及带状线）、微波网络理论、微波元器件（衰减器、功率分配与合成器、隔离器、滤波器、谐振器腔以及微波铁氧体器件等）等知识点。为适应现代微波工程技术的发展，切实提高学生实际动手能力，笔者拟将原有的“电磁场与电磁波”中导行电磁波内容作为微波传输线的基础理论嵌入到“微波技术”课程中，此外为适应现代射频微波技术发展需求，改革后的“微波技术”课程还增加了两个知识点，其一为微波电路CAD技术;其二为微波CST电磁仿真软件。反映整合后的微波技术课程知识体系如图3所示。

图3 “微波技术”知识体系

（三）微波射频电路理论分析与设计教学内容优化

微波射频工程领域一个典型应用就是无线射频识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对目标物体的自动识别。因此，结合当前射频微波技术工程实际需求，笔者拟将传统的“微波电路设计”改为“微波射频电路理论分析与设计”，在教学内容上也进行了调整，去掉与前期课程“微波技术”相重叠内容如传输线理论和微波网络基础。与此同时，为提高学生在无线射频技术领域实际动手能力，新增加ADS射频电路仿真设计。调整后的“微波射频电路理论分析与设计”课程内容主要包括微波谐振电路、微波滤波器、微波放大器、微波混频器、微波检波器、微波控制电路以及ADS射频电路仿真设计。改革后的知识体系将更有益于学生对无线射频识别技术的基本知识的掌握，更符合地方院校通信工程专业应用技术型人才培养的要求。调整后微波射频电路理论分析与设计课程知识体系如图4所示。

图4 “微波射频电路理论分析与设计”知识体系

（四）天线与电波传播教学内容优化

图5 “天线与电波传播”知识体系

传统通信工程专业本科培养方案一般将天线技术教学内容合并到微波技术这门课程中，形成单独开设课程既“微波技术与天线”。基于无线射频识别技术发展需求，因对天线性能设计要求更高，笔者拟将传统的“电波传播理论”和“天线技术”两门课程整合为“天线与电波传播”一门课程。并且将传统“电磁场与电磁波”课程的中的电磁波辐射与接收内容作为电波传播基础理论嵌入到“天线与电波传播”课程知识体系中。与此同时在保留了原“天线技术”课程中主要经典天线理论知识如天线基本知识、线天线技术、面天线技术、宽频带天线技术、微带天线技术等知识点以及 传统“电波传播理论”课程中介绍高中低频电波与微波段等各个波段的电磁波传播规律和传播模型知识模块，此外增加了目前广泛应用于现代移动通信的新型天线技术既智能天线原理与设计。整合后“天线与电波传播”课程知识体系如图5所示。

四、教学改革的成效

2012年我院通信工程专业由专科层次升格为本科层次，与本专业人才培养方案密切相关的电磁场与微波技术系列课程建设工作按照本方案同步推进，并且取得了一些初步教学改革成效，比如在课程体系的重构及实践教学环节中，我们基于专科层次人才培养方案的基础上将“电磁场与电磁波”和“微波技术”两门课程列入通信工程专业必修课，此外为增强学生实践动手能力，我院还将“射频技术与应用”及“射频电路课程设计”两门实验课程列入通信工程专业选修课。特别是在本系列课程教学改革的支持下通信工程专业于2016年被评为湖南省普通高等学校“十三五”专业综合改革试点项目，这是我校通信工程专业教学改革的标志性成果。此外通信工程教研室每年还多次召开“基于无线射频技术的电磁场与微波课程改革”教学研讨会，多次接纳来自兄弟院校同行的参观访问，产生良好的社会效益。在实践教学环节中，我院积极加强与IT企业尤其是微波通信企业建立稳定的协作关系，在校内实行电磁场与微波技术实验室全天开放，并且开辟了电磁场与微波技术实验第二课堂。在课程教学内容优化方面，我们建成了电磁场与微波技术软硬件教学平台，推动了以提高学生综合素质和创新意识为目标的电磁场与微波技术系列课程的教学改革，建立了电磁场与微波技术新的课程体系和实践教学模式。近期依托于湖南省普通高等学校“十三五”专业（通信工程）综合改革试点项目，我院按照优化后的课程体系完成全部教学资源修订工作，主要包括课件、电子教案、教学大纲、课程实验大纲、习题库、学习要点等等。总之，本改革实施近五年来，我院通信工程专业电磁场与微波系列课程教学质量、学生学习的主动性以及工程应用能力得到了明显提高，取得了良好的教学效果。

结语

根据我校电磁场与微波技术系列课程的特点、教学现状以及存在的问题，笔者对该系列课程结构体系的重构、课程教学内容的优化与实践教学环节的构建等方面进行了研究，并结合射频微波技术工程实际需求提出电磁场与微波技术系列课程建设与改革的方案,通过该系列课程教学改革有助于促进电磁场与微波技术课程群理论教学与当前实践工程相结合，提高学生对该系列课程相关专业技术知识的实际应用能力，并为其他高校在同类课程体系建设中的理论与实践教学改革方面提供新思路，让电磁场与微波技术系列课程体系焕发出新的活力。相信通过本教学改革的实施，该系列课程教学质量和效果、学生学习的主动性以及工程应用能力会得到明显提高。

[1]David M.Pozar.电磁场与微波工程[M].张肇仪,等译.北京:电子工业出版社,2014.

[2]叶宇煌.“电磁场与微波技术”课程设置初探[J].高等理科教育,2003（S1）:124-125.

[3]欧阳义芳.《电磁场·微波技术与天线》课程教学的几点体会[J].广西高教研究,1999（3）:38-39.

[4]陈宇,白雪梅,蔡立娟,李洪祚.电磁场与电磁波、微波技术和移动通信课程群实践环节教学改革[J].科教导刊,2016（2）:118-119.

[5]边莉,张起晶,刘鑫,关雪梅,张莉娟.电磁场与微波技术系列课程教学内容重构[J].电气电子教学学报,2013（4）:48-50.

[6]赵春晖,张朝柱,赵旦峰.微波工程系列课程的体系改革与教学内容优化[J].电气电子教学学报,2008（2）:15-18.