“电磁波与天线”课程分层教学的探索与研究

薛 红，朱卫刚，曹文权

（陆军工程大学 通信工程学院，江苏 南京 210007）

电磁类课程作为通信、电子等专业重要的基础课程，发挥着主干和桥梁作用。在新时代背景下，为适应院校转型建设要求，着眼于新型人才培养方案，我们需要变革固有的教学模式，打破传统思维定式，以岗位任职和职业发展需求为牵引，健全课程教学内容建构路径。

一、研究现状

本课程主要包括“电磁场理论”“均匀平面电磁波”“均匀传输线理论”“微波传输线”“天线基础知识”“常用天线及电波传播”等部分，具有体系完整、理论性强、概念抽象、公式繁多的特点。当前，院校转型建设对该课程提出了新的要求，对学时也进行了相应调整。为满足课程建设需求，我们需要修订课程标准，梳理教学内容，改变教学模式，灵活运用各种资源，从历史背景、物理意义、理论分析、工程应用等多角度设计相应教学内容，采用线上线下混合教学模式，对烦琐的数学公式及其推导做减法，在物理意义、工程背景、工程应用等方面做加法。

比如，对于传输线部分，我们从电报方程出发，采用场路结合、化场为路的方法，分析了均匀无耗传输线的传输特性及工作特性。对于常用微波传输线，采用纵向场分析方法分析其传输特性。由于这部分内容涉及场结构和场模式［1］，所以相对抽象，学生很难理解。如何在教学中化抽象为直观，化繁为简，是课程建设中需要解决的问题。天线部分的内容相对来说，因为更贴近实际，无论是生活还是工程中都能见到，所以学生容易理解，需要思考的是实际中有多种天线，不可能面面俱到。因此，要结合专业和岗位背景，在教学中应该重点分析某些类型，以及这些类型在实际应用中的地位和作用，由点到面，由面到体，培养学生“把握实质，提炼思路”的科学思维方法。

除了理论内容外，相应的实验教学也很关键，其内容设置应紧贴教学主线，让实验教学与理论教学形成合力，以便进一步提升教学效果。目前，我们以验证性实验为主，通过实验进一步帮助学生理解和掌握。在教学过程中，要能分层思考，既包含验证性实验，又有拓展性实验，提升学生能力，体现高阶性。对于实施建议中的考核评价标准，应提倡采用多元化的评价体制，目的是全面反映学生真实的水平，激发学员学习的主动性和积极性，全面考核学生的能力和素质。前期教学中，已经建设了该课程的在线教学网站，使得教学更加形象、有趣、高效。

二、体系架构

按照紧贴对象特点、体现能力培养的思路，全面推行问题牵引式、研讨探究式、案例分析式教学，为教学目标服务，始终保持教学内容的前沿性、先进性和适用性。坚持需求牵引、体系设计、交叉融合，夯实专业基础，拓宽专业口径，将课程教学内容和现实工程问题相结合，达成知识目标、能力目标和价值目标。

依据教学大纲要求并参照专业背景知识体系，围绕夯实电磁波的基本理论，强化天线技术应用能力，解决实际电波传播问题，我们将课程内容分为理论基础、工程基础和工程应用三个模块，建立需求、目标、内容、课堂、应用、需求的课程教学内容建构路径，从理论和应用两个层面梳理教学内容，借助电磁仿真系统、微波接力系统、电磁频谱监测系统、微波暗室系统等设计教学内容和实践环节，化抽象为形象，变复杂为简单，让学生学会用场理论和路理论相结合分析问题、解决问题的方法，培养学生的问题分析能力、问题解决能力、自主创新能力、总结归纳能力，为以后的工作奠定必要的理论基础和工程基础。我们对“电磁波与天线”课程内容理论部分的设计有以下思考。

（一）理论层面

电磁波与天线的理论层面，主要包括理论基础和工程基础，它是工程应用的重要基础。其中，理论基础包括电磁场矢量分析、电磁场基本方程、静态电磁场、均匀平面电磁波，这部分系统阐述了电磁场的基本理论和电磁波的传播规律。矢量分析是后续内容的数学基础，电磁场基本方程是解决电磁问题的核心理论，在此基础上进一步研究静态电磁场和时变电磁波的传播规律。工程基础包括传输线理论和天线基础知识。传输线理论是一种“化场为路、长路结合”的高频电路理论，这部分内容主要是使学生理解传输线分布参数的概念，掌握由分布参数推导并求解电报方程的过程，深刻理解导行电磁波的传播参量、传播特性，以及行波、驻波、行驻波三种工作状态产生的条件和特点，掌握传输线阻抗匹配的基本原理和方法。天线基础知识阐述天线辐射和接收电磁波的基本原理和规律，使学生学会运用电磁场理论分析天线问题的基本方法。从麦克斯韦方程组出发，强调场源及场分布、宏观电磁现象及微观电磁变化、能量守恒定律和电磁场的边界条件；从一般到特殊，对时变电磁场和静态电磁场的问题进行分析；从波动方程、电报方程、达朗贝尔方程切入，分析均匀平面波的传播特性、传输线的传输特性及工作状态、天线的辐射特性。

（二）应用层面

本课程的工程应用部分主要包括微波传输线、线天线、口径天线和电波传播。电磁波、天线在通信、雷达、导航、电子侦察、电子对抗等众多领域具有广泛的应用。新形势下，新的用频设备应运而生，对电磁技术的需求和业务素质的要求越来越高，教学必须适应新型人才培养的要求。通信、雷达、导航、电子侦察、电子对抗等领域都离不开电磁波和高性能的天线［2］。日常生活中各种类型的天线也很多，不可能在有限的学时内完成对众多天线的学习和分析，也就是说，教学中必须选用具有典型性和代表性的传输线和天线，这样才能将知识点串接起来，充分将理论和实际结合起来，加深学生对知识的掌握。教学中，一方面，围绕通信系统的天馈部分，主要揭示传输线技术和天线技术的理论基础及其在无线通信系统中的重要作用，侧重于常用微波传输线、通信天线的分析方法、结构特点、工作原理及电特性，是电磁场基础理论的发展和深化。主要内容包括均匀传输线的传输特性、主要工作状态及工作特性，常用微波传输线的分析方法，常用微波传输线的分类及其传输特性，天线的电参数，接收天线理论，各种具体天线的分析方法、结构特点、工作原理和电特性，阵列天线的基本理论和分析方法。要掌握几种常用通信天线的结构和电特性，并能根据通信系统技术要求选择合适的天线形式。在教学过程中，应用各种实际天线，使教学内容更加生动形象，让学生在感性认识的过程中容易理解并掌握知识点。另一方面，围绕通信系统中天馈部分收发的电磁波信号，主要揭示电磁波传播的本质，电波传播的主要方式，短波通信、卫星通信、视距通信、超视距通信中电波传播的相关知识，对电磁场基础理论起着支撑和保障作用。主要内容包括平面波在有耗媒质中的传播特性、平面波的反射与折射、电波传播的主要方式、自由空间传输损耗、短波通信中电波传播的常见现象、卫星通信中电波传播的常见现象等，特别是影响通信的各种因素。这样的教学内容能够使学生掌握无线、移动和卫星通信中电波传播的相关知识，培养学生思维的全面性、系统性和深刻性，以及对知识的分析与综合能力［3-4］。

三、教学实施

（一）反向重构教学

转变按学科知识逻辑设置课程的传统观念，以适应岗位任职需求和职业发展需求为牵引，反向设计并重构教学内容，建立从需求到课堂再回归需求的教学路径。结合现有通信系统中的天馈部分，针对各个应用模块，增加背景知识和工程应用，提升教学的含金量。比如，海上舰船与岛屿之间的通信保障，对通信的速率、距离、动中通有较高的要求。现有海上远距离通信常采用卫星手段，由于当前卫星资源受限，舰船无法申请卫星资源，微波通信则能够保证高速通信，满足岛屿与舰船之间高速通信保障需求，但它主要存在以下挑战。由于视距通信的短板，舰船上的天线架高受限，视距通信距离无法满足远距离通信的需求。微波天线指向调整采用机械结构，其波束指向调整速度不能满足舰船航行时风浪对通信的影响，所以波束切换时间较长。海面蒸发波导传播机制链路稳定性高［5］，不需要中继站就可实现较远距离的超视距通信。合理利用海面蒸发波导自然现象，可以解决舰船与岛屿高速远距离通信这一问题。而在沿岸区域，受陆地的影响，近海面大气常处于稳定状态，蒸发波导通信不易达成，方案设计还必须同时考虑不同气象和不同距离条件对舰船与岛屿之间通信的影响。针对高速远距离中的通信问题，结合课程中微波传输线、电波传播模型、天线基础知识的内容，分析用于海上通信的蒸发波导模型的最佳工作频率，同时分析满足视距通信与超视距通信所需的天线设计要求，进而提出了一种基于蒸发波导效应的海上超视距通信与视距通信结合的方法，既可满足传统视距模式下的远距离通信，又可满足借助海面蒸发波导传播机制的超视距通信。借助这样的案例，可以将理论层面的内容串联起来，让学生感受在解决实际问题的过程中理论知识的重要性。此外，在对教学内容的重新设置和融合中，我们也配套编写了教材，并公开出版了实践教材，切实提高教学质量，全面梳理课程教学内容，在不降低课程难度的同时，拓展了课程的深度。

（二）以赛促教促学

本课程的特点是理论性强，概念抽象，数学公式多、推导烦琐。基于通信系统和电磁环境等资源，应从历史背景、物理概念、理论分析、工程应用等角度设计教学内容，对烦琐的公式及推导做减法，对物理意义、工程背景、工程应用等做加法，借助电磁仿真系统、微波接力系统、电磁频谱监测系统、微波暗室系统等设计教学内容和实践环节，化抽象为形象，变复杂为简单，以学生为主体，灵活采用多种教学方法，为教学目标服务。围绕天线技术、电磁频谱技术的工程应用，选取教学内容中的部分知识点进行外延拓展，作为学生毕业设计课题和科技创新课题，指导学生参加各级学科创新竞赛，并取得较好的成绩。同时，鼓励学生撰写学术论文并公开发表在期刊和EI会议上，将科技创新课题成果转化为专利。比如，海上舰船与岛屿之间的通信保障，对通信的速率、距离、动中通有较高的要求。在通信过程中，对天线的要求是天线波束水平方向较窄，竖直方向较宽。结合所学，我们可以通过阵列天线实现：一方面，需要对阵列天线的结构、性能指标、辐射特性进行详细分析，最终确定采用什么样的阵列形式能够满足要求；另一方面，需要考虑阵列天线的移相网络，可以采用多种形式，选择一种合适的移相方法，设计出满足需求的相控阵天线。对于设计的天线结构模型，可以利用相应的仿真软件进行仿真分析。学生在学习过程中可以充分体会到仿真工具的强大作用，变抽象为形象，帮助学生理解抽象的概念。另外，还可对设计的天线进行实物加工，在微波暗室中进行天线的近远场测试，将得到的测试结果与仿真进行比对，分析存在的问题，进一步验证方案的可行性。通过这样的案例分析，可将工程应用层面涉及的知识点进一步与工程应用接轨，同时增强学生分析问题和解决问题的能力。

结语

依据教学大纲要求，从需求出发，转变传统的课程内容设置观念，反推教学目标，设计教学模型，按照需求、目标、内容、课堂、需求的闭合路径建构教学内容体系，从理论和应用两个层面进一步梳理教学内容，结合通信系统中的天馈部分，借助电磁仿真系统、微波接力系统、电磁频谱监测系统、微波暗室系统等，针对天线技术、微波技术、电波传播等模块，增加工程背景和工程应用，进一步提升教学效果。