基于射频方向课程群的教学改革与创新

2013-08-15张银蒲

唐山学院学报 2013年1期

张银蒲

（唐山学院信息工程系，河北唐山063000）

一、引言

“电磁场理论”是通信工程必修的专业基础主干课程，与“微波技术”“天线技术”“射频通信电路设计”“射频识别”等课程构成了无线射频方向课程群。从课程设置角度来看，该课程群课程为相关场技术的研究奠定了理论基础，是通信专业知识结构中不可或缺的重要环节。射频类课程主要涉及源与场的关系，不仅涉及时域和频域，还涉及空域和极化，而且课程群相关课程均具有浓厚的高等数学与物理学色彩，对于学生空间想象能力、抽象思维能力和逻辑推理能力要求较高。由于学生头脑中固有的电路分析习惯，再加上场理论的抽象性，这些课程内容理解起来异常困难，繁杂的公式使很多学生失去了学习兴趣，因此历来被通信专业学生称为“天书”，被公认为是教师“难教”、学生“难学”的课程［1］。解决教与学的“两难”问题，必须改革教学方法，开发与课程群课程相关的实践项目。

二、转变教育思想和教育观念，制定新的教育教学方案

课程改革小组根据学校人才培养定位，结合通信专业培养目标，经过调研讨论对培养方案进行合理修订，将通信专业原有的微波方向整合为顺应时代发展的短距离无线通信方向，相应课程也进行了调整：删掉扩频通信、遥感原理、现代数字音频技术，改换为与物联网相关的短距离无线通信技术、射频识别技术的内容，增强了工程性。同时对原有教学大纲经仔细分析与讨论适时调整课程内容，以达到明确数学基础、减少与大学物理学、电磁学的重复、强调物理概念、结合现代科技成果进行教学的目的。将无线射频方向多门课程内容整合为一个系统的整体，有利于学生更好地掌握相关理论知识，提高工程能力。［2］

三、理论教学改革

（一）教师教学思路的改革

调整教学思路，精心设计教学过程，活跃课堂气氛是提高课堂教学效果的关键。如何在较少的课时内，更好地完成教学任务，获得理想的教学效果，确实需要教师做出努力，课程改革小组对此进行以下改革。

1.上好绪论课，激发学生的学习兴趣

讲授射频类课程时，尤其是作为其理论基础的“电磁场理论”，可在绪论中讲授场技术的发展过程、科技成果以及典型的代表人物等，激发学生对射频技术的学习兴趣；以现实生活中摸得着看得见的微波炉、磁悬浮列车、隐形轰炸机等给出射频技术在工程中的应用，增强学生学习射频类课程的动力和兴趣，充分调动他们的学习积极性。［1］

2.注重数学与物理概念的有效结合

公式推导应充分强调物理概念，着重传授给学生分析和解决问题的思路和方法。例如，在讲解Maxwell方程组时，应对全电流方程、电磁感应定理、磁通连续性方程和高斯定理这四个方程的物理意义进行全面的阐述。

3.引导发现法

在教学过程中对学生提出这样的问题：任何天线、任何辐射系统都不可能辐射出均匀平面波这种“波形”，而人们还是以均匀平面波作为入门的向导，这是为什么呢？从这一点引发出去，可以对学生有颇多启迪：（1）科学的思维方法。如何建立既是充分简化而又没有丢失其物理本质的物理模型。（2）思维的灵活性。不去讨论平面波如何产生，而是讨论这种波形一旦建立在无限的宇宙空间里，是否允许它继续存在，以何种方式存在下去。

4.注重创新意识和创新能力的培养

例如，在进行“平面电磁波传播”的教学时，让学生依据电磁波中电场和磁场的关系公式，大胆假设介电常数和磁导率同时为负时，直接从麦克斯韦方程出发在理论上得到了电场、磁场和波矢量的左手关系。而通常的介质，这三者的关系是右手关系，这时再设问是否存在这种左手关系的介质。实际上左手介质或负折射率介质在自然界中是不存在的，但人工合成的左手介质（负折射率介质）已经得到了实验证实，被美国《科学》杂志评为2003年的十大科技突破之一，2006年基于左手介质设计实现的电磁波隐形又被美国《科学》杂志评为年度十大科技突破之一。目前，左手介质是电磁学界和科学界非常热门的研究前沿，并可能应用到亚波长分辨、电磁波隐身等技术中。通过这些引申和介绍，既激发了学生的想象能力，活跃了思维，又提高了学生的学习兴趣，培养了学生的创新能力，取得了非常好的教学效果。［3］

（二）教学方法改革

教学方法是实现教育目的完成教学任务的基本手段，对于教学的成败、学生智力的发展都起着重大作用，因此，在教学过程中大胆尝试采用各种教学方法。

1.用类比法加深学生对基本概念的理解是提高课堂教学效果的有效途径

对结构相似的定理、定义与公式，例如，电磁场理论中矢量的散度与旋度的比较、真空中静电场与静磁场的特性比较、介质中电磁场特性比较等内容；微波技术中矩形波导、圆波导内容；天线技术中电基本振子天线、短振子天线、对称振子天线的电参数。通过类比列出表格，对比相似点与差异点，以加深学生对概念的理解与记忆。

2.把握知识的主干脉络是培养学生深入掌握知识的有效途径

传统教学方法基本上是围绕单一课程进行讲解，缺乏对知识体系的整合，知识系统性较差。在射频类课程的教学中，教给学生物理定义是相对简单的，但真正要使电场、磁场这两个概念在学生头脑中建立并与通信系统结合起来并不是容易的事，这就需要找到射频方向课程群的主干脉络。纵观课程群，发现相关课程内容均与场技术有关，而天才的数学家对场理论进行了数学描述，总结出了麦克斯韦方程组，相关课程均为场理论的应用。因此，麦克斯韦方程组即为射频方向课程群的主干脉络，相关课程与这一主干有着千丝万缕的联系。

“电磁场理论”课程以三大实验定律和两个基本假说为基础，归纳总结出宏观电磁现象的普遍规律——麦克斯韦方程组，然后再讨论静态场、时变电磁场与电磁波的传播与辐射特性。微波、天线和电波传播的共同基础是电磁场理论，三者都是麦克斯韦方程在不同边值条件下的应用。射频电路设计解释了随着频率的升高，系统分析由路技术转变为场技术的原因，该课程不仅将基于场技术的电磁场理论、微波技术、天线技术的理论与实践相联系，更将路技术与场技术进行了有效结合。射频识别将场技术真正应用到了通信系统的分析与设计。

这样射频方向课程群相关课程以麦克斯韦方程组为主线，从基础理论到电路实现再到通信系统的设计，形成不可分割的整体。在授课过程中以无线通信系统为例，以信号流动为主线，针对不同课程内容，选取恰当案例，进行多层面、侧重性的讲解，到课程群课程结束时，使学生多层面、多角度掌握射频知识，理解场技术中各课程在通信系统中的地位和作用，真正做到从本质上掌握射频理论知识及其在实际工程中的应用。

在场技术的教学中只要把握住主干脉络，就可以把前修和后续课程有机地结合在一起，不仅可以帮助学生建立比较完整的知识体系，而且能逐步培养和提高学生理解问题、思考问题的能力，这在由应试教育向能力教育转化的今天是尤其必要的。再通过实践教学，就可以减轻学生对场类课程的畏惧心理，教学效果得到提高。

3.教学手段的改革

麦克斯韦方程是经典电磁理论的核心，包括积分与微分两种形式，这两种形式是通过高斯散度定理与斯托克斯定理联系在一起的，由此从过去单一的时变观念扩展到时间与空间的统一观念。在授课过程中，尤其在涉及时间和空间时，理论分析图形多为建立在球坐标系和柱坐标系的三维立体图形，讲课过程中很难用板书作图，普通的电子课件亦很难将图形准确地展现出来，用多媒体软件可以形象地演示波的运动，形象生动，使抽象的问题具体化，极大地提高了学生的学习兴趣。［4］

由于射频类课程教学信息量大、教学进度快，学生在听课时思维处于持续紧张状态，缺乏足够的时间对讲课内容理解、消化、吸收。教学中在讲解重要公式、定理及推导时，采取先用课件快速浏览以明确思路，再与学生一起在黑板上按步骤推导以加深理解的做法。

教学手段上，采用板书、多媒体课件、网络教学平台、软件仿真相结合的方式，发挥各自教学优势，营造一个轻松愉快的学习环境，取得较好的教学效果。

三、实践教学改革

射频方向课程群课程具有理论性和工程实践性强的特点，课程组通过以下教学方法的改革和实施来提高学生的实践能力。

（一）把实践教学引入课堂

实践教学一般在实验室进行，现在我们把实践教学引入课堂是指讲解理论的同时增加工程应用背景，把有代表性的虚拟实验引入课堂。如在绪论课中播放介绍射频技术工程应用的视频，在电子教案中展现工程应用的图片，大量介绍射频技术的应用，展示实物模型，通过示范实验演示天线的方向性。虚拟实验主要是通过一些软件和虚拟仪器在计算机中进行实验的仿真。这样既验证了教师在课堂讲授的理论知识，让学生加深印象，从而拉近学生和课本中冗长推导的公式之间的距离，加强对场技术的感性认识，消除学生的畏惧心理，又会提高学生的课堂学习兴趣和对后续实验室教学的兴趣。［5］

（二）开展有趣的应用性设计

通过开设创新选修学分、课外竞赛，鼓励学生进行更复杂的应用通信系统的设计。在此过程中，学生经历器件选择、安装和调试，最终能把信号发射成功，从中体验成功的喜悦，这是学生自我激励的最佳方式之一。之后，学生自然而然地就会为如何增加发射距离而积极思考，无形中就可以激发学生主动学习的积极性。与通过示波器观察电路波形相比，同学们更喜欢通过自设通信系统成功发射的声音或图像信号。