基于HFSS仿真的“电波与天线”课程改革

张照锋， 谭立容， 袁迎春

(南京信息职业技术学院 电子信息学院， 江苏 南京 200023)

基于HFSS仿真的“电波与天线”课程改革

张照锋， 谭立容， 袁迎春

(南京信息职业技术学院 电子信息学院， 江苏 南京 200023)

本文基于HFSS天线仿真，结合微课的教学模式，对“电波与天线”课程进行了改革。从内容的选择优化、素材的制作、微课的使用以及考核方法等方面进行了探讨，并在平行班级中进行了对照实验。结果表明，基于HFSS仿真的“电波与天线”微课教学方式，在教学效果上优于传统的教学方式。

电波与天线；HFSS；微课；教学设计

0 引言

我院属于高职院校，无线电专业的培养目标不同于研究型大学的本科培养目标，不太侧重于研究开发，更加注重于工程实践能力的培养，更加注重和生产一线对接。

“电波与天线”是我院无线电专业的一门核心课程，主要内容有：矢量分析、电荷与电场、导体与介质、电流与磁场、麦克斯韦方程、电磁波及其传输、天线的基本特性、线天线、天线馈电系统、天线阵、常用天线等。

该课程内容较多且知识偏重理论，大部分内容比较抽象，而教学时间只有45课时(其中包括8个实验课时)。传统的教学方式主要是教师的课堂讲授，虽然教师在课堂上也辅以一些实物展示、工程案例介绍等，但实际教学效果不太理想。在每年期末考试时，“电波与天线”是通过率较低的一门课，在学生的评教中，“电波与天线”也一直被学生列为最难学的课程之一。

究其原因，是该课程所使用的传统教学方法不符合我院学生的具体实际。根据前期的问卷调查及相关研究，我们总结出了传统教学方法有如下的几点不足：

(1)由于高职院校学生高等数学知识基础较为薄弱、再加上个别同学学习自觉性较差，采用传统的教学方法，会出现学生跟不上或是听不懂的现象，甚至个别学生会干脆放弃这门课；

(2)教师在上课时只是在黑板(或屏幕)上展示，在课堂上讲解，学生参与度低。由于课程内容抽象、公式较多、课堂上师生互动少，学生掌握知识的速度较慢，即使是学生当堂掌握的知识也会在课后很快遗忘；

(3)教师对传授的知识点往往只讲一遍，许多想在课后复习的学生往往由于回顾不起来课堂上教师讲解的内容而使复习效果大打折扣。

据我院招生就业处对毕业生就业情况的统计，我院无线电专业毕业生有47%的就业岗位用到了电波与天线的相关知识，这其中又有86%的岗位是从事天线研发工程师助手的工作：即负责天线仿真的建模，仿真时参数的设置以及天线的简单测试等工作。这些工作要求学生要熟悉天线设计相关软件的设置及使用。其中HFSS(High Frequency Structure Simulator)仿真软件是一款功能完善的三维电磁场仿真软件，非常适合于天线设计和天线参数的计算[2]。将HFSS用于“电波与天线”课程的教学，不但可以避开过于繁杂的数学推导，还可以提高学生应用HFSS的工程实践能力和实际操作能力，更加符合高职院校对学生的培养目标，更快速地和企业的需求对接，进而增加学生的就业竞争力。因此，我们将HFSS仿真引入了“电波与天线”的教学。

1 HFSS仿真引入“电波与天线”教学

为将HFSS仿真软件引入“电波与天线”的教学，我们主要做了以下三方面的工作：

1)优化授课内容

我们舍弃了矢量分析、麦克斯韦方程组微分形式等数学要求较高的内容，而将优化后的内容模块化，将全部课程分为以下八个模块：①用模拟法描绘静电场；②测量地磁场；③用HFSS观察平面电磁波；④用HFSS仿真线天线；⑤用HFSS仿真天线阵；⑥用HFSS仿真宽频带天线；⑦用HFSS仿真波导缝隙天线；⑧用HFSS仿真喇叭天线。并将原来的教材改编为项目式教材，目前该教材已出版使用。

2)改变授课地点

将教学场地由原来的普通教室搬到了机房，并将原来传统授课方式变成了项目式教学[3-4]，课堂上教师一边讲解，学生一边练习，发现问题当场反馈、当场讨论、当场解决。

3)细化教学评价

对教学结果的评价，也由原来以期末考试成绩为准，改为以平时课堂出勤、课堂练习的参与程度、甚至和教师以及学生之间的互动都作为考核的标准，这便要求授课教师每节课都要对每位学生有一个评价，以作为期末总评的参考。

将HFSS仿真软件引入“电波与天线”教学后，经过一段时间的教学实践，产生了许多积极的效果，主要表现在如下几个方面：

(1)做到了以学生为中心，体现了学生在学习活动中的主体地位。由于在学习的过程中参与度的提高，学生不再是单纯的知识接受者，他们学习的主动性和积极性都得到了极大地提高，学习效果也较以前有了大幅度改善。

(2)实现了培养学生的创新意识和实践能力的目的，而不是像传统的教学模式那样把获得知识作为学习的唯一目标，更加符合高职院校对学生的培养目标。

(3)强调学生在学习时互动研究的过程，注重师生间的互动交流，鼓励学生间相互促进，共同提升专业能力。

(4)在对学生学习结果的评价上，期末的考试成绩不再是评估学生学习优劣的唯一标准，而是更加重视对学生学习过程的评价，学习过程中学生的学习态度、参与积极性、创新能力等方面都成为评价的考虑因素。这就改变了个别学生平时不努力，临时抱佛脚的学习态度。

虽然将HFSS仿真引入“电波与天线”教学有诸多优点，但其学习内容只能在课堂上体现，课后不具备可重复性，对学生自主学习的指导性不强，为此我们在引入HFSS仿真的基础上，又把微课引入了“电波与天线”的教学。

2 微课引入“电波与天线”教学

微课即微型视频网络课程，它是继微博、微信之后，在教育教学领域产生的一个新生事物。微课的雏形是课程视频片段，主要反映了教师在课堂教学过程中对某个知识点或某个教学环节的重点演示。微课的关键点是“微”，即把整块的教学内容“微小化”，非常符合现代人们对信息获取快速化、碎片化的要求[5-6]。而智能手机在学生中的普及也为微课的启用和推广提供了硬件的条件。

将微课的教学模式引入“电波与天线”的教学，我们遵循了以下几个原则：

1)微课功能辅助化原则

微课作为一种多媒体教学的形式，只是课堂教学的一种有益的补充，而不能完全代替课堂教学，否则就是舍本逐末，得不到预期的效果。为此，我们在课堂教学上虽然会展示微课内容，但主要还是要求学生在课余时间通过微课学习。微课所起的作用是帮助学生理解(在预习或复习时)课程的难点，所以微课的内容也主要是针对课程的难点和重点，并不是对所有知识点都进行覆盖。

2)微课内容规范化原则

每一节微课时间不超过十五分钟，这就要求对原有的教学内容进一步优化、提炼和总结，将重点难点部分做成微课。为此我们从前面的八个模块中，提炼制作出了14个微课内容，分别是：导体对电场分布的影响、介质对电场分布的影响、地球磁场的分布特性、电磁感应现象、HFSS操作入门、通过HFSS观察平面电磁波、电流元的辐射特性、半波振子的建模、半波振子的仿真设计、引向天线的建模及仿真设计、阿基米德天线的建模及仿真设计、对数周期天线的建模及仿真设计、微带天线的建模及仿真设计、喇叭天线的建模及仿真设计。

3)微课制作协作化原则

确定好了微课制作的内容后，在制作的过程中，不是单纯的由教师来制作，而是多方参与协作完成。微课制作的第一步是课堂实录，在这个过程中，将摄像机搬入课堂，将通录的实况做为制作微课的“原材料”。而将这些“原材料”制成微课的，不单纯是教师，学生也参与进来，从内容的剪辑、字幕的编写、后期的合成等都会分配给不同的学生来协作完成。到了后期甚至可能聘请我校的数码艺术学院的学生在艺术上对微课进行进一步的润色。让学生和教师协作完成微课制作，也是我们的有益尝试。

通过学生和教师协作的制作过程，我们发现两个好处：①摄像机进了课堂以后，原来喜欢开小差的学生因为录像也不开小差了，上课的效果明显好于以前；②我们将课堂实录的“原材料”分组发给学生，鼓励学生自己制作微课，学生对这项任务比一般写实验报告、做作业更有兴趣。他们不但自学了视频、音频的剪辑软件，关键是在制作的过程中也重温了课堂的内容。可以说，制作的过程，也是学习的过程，也是提高的过程。

4)微课使用可量化原则

目前普遍存在的一个现象就是有很多优质的教育资源白白地躺在那里不发挥作用。究其原因，是学生少有兴趣去使用这些资源。微课制作的主要目的是为了使用，如何提高微课的使用率，也是我们这次教学改革研究的重点。

一方面因为微课在制作的过程中让学生参与进来，微课就是学生自己的作品，他们使用的兴趣明显比较高；另一方面，在不同的班级、不同的学期，相关微课都会重新做一次，在制作新的微课的时候，学生必然会观看以前做好的微课以作参考，这也大大提高了微课的利用率；同时，我们还经常组织一些优秀微课的评比，让学生去关注、学习微课。我们还将微课上传至我校的网络学习平台，通过点击率、回复率等可量化的指标对微课的使用率进行考核，以持续激发学生的学习热情。另外，我们还把微课的使用情况作为平时成绩的一部分，折算到期末考核中。这些都极大地提高了微课的利用率。

3 结语

在我院2013级的四个无线电专业班级中，两个班级采用传统的教学模式，两个班级采用基于HFSS仿真的微课教学模式，相关的数据对比列于下表：

传统班级改革班级平时上课出勤率82.1%93.4%期末考试均分73.286.9网络课程评价良优选为最喜欢的课的比例32%48%

对比表明，采用基于HFSS仿真的微课教学模式的班级明显比采用传统教学模式的班级表现占优。难怪学期结束，有位学生给我们留言：“‘电波与天线’这门课，是我大学期间学得最好的一门专业课。通过学习过程中的微课制作，还提高了我的多媒体制作水平，极大地增强了我的就业竞争力。”

[1] 于宝明，王书旺.南京信息职业技术学院无线电专业人才培养方案[R].2014:34-35(张照锋等文)

[2] 曹善勇.Ansoft HFSS磁场分析与应用实例[M].北京：中国水利水电出版社,2010:25-27

[3] 汪建丰，沈月娣，孙和平.本科专业理论课程实施项目式教学的理论与实践[J].长春：现代教育科学，2012(6)：52-55

[4] 宋朝霞，俞启定.基于翻转课堂的项目式教学模式研究[J].杭州：远程教育杂志，2014，(1)：96-104

[5] 苏小兵，管珏琪，钱冬明，祝智庭.微课概念辨析及其教学应用研究[J].北京：中国电化教育，2014，(7)：94-99

[6] 谭立容，袁迎春，张照锋，王抗美.借助微视频的“电波与天线”实验教学改革[J].北京：实验技术与管理，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

江苏省现代教育技术研究课题(编号：2014-R-30040)

张照锋(1974-)，男，硕士，副教授，主要从事天线和电磁兼容教学和研究工作，E-mail:zhangzf@njcit.cn

A

1008-0686(2017)02-0060-04