刘捷 朱振波 贺昌辉 饶翚

【摘要】针对《微波技术与天线》课程重难点，设置实验内容；针对课程特点及教学对象，进行实验教学的信息化设计，并制作或开发相关的信息化资源用于实验教学。实践表明，运用信息化手段可解决实验设备少、昂贵的问题，实现规模化教学；可突破瓶颈，解决实际平台难以实现的实验。

【关键词】微波技术与天线 实验教学 信息化教学设计

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）45-0255-02

《微波技术与天线》课程是我院本科学历教育阶段的专业基础类必修课程。本课程的先修课程是《高等数学》、《大学物理》及《电路分析》等基础课程，同时又为后续《雷达基础理论》、《雷达分系统原理》等专业课程服务。通过课程学习，使学员掌握雷达天馈系统的结构、特性及工作原理基础；具备调整、使用测量平台的能力及分析解决雷达天馈系统问题的能力；初步具备把所学知识与雷达系统相结合的素质。

一、课程特点及实验设置

《微波技术与天线》课程[1]具有以下特点：一是理论性强，难教难学。主要是围绕电磁波的理论和方法比较深奥复杂；二是概念抽象，公式复杂。如长线方程、波导场结构、天线辐射场等；三是应用性强，贴近装备。主要是与各种米波雷达、厘米波雷达、相控阵雷达以及各种新器件、新技术密切相关。

为此，针对课程重难点设置实验内容，以平台搭建为基础，信息化手段为拓展，从参数测量入手，开设有4个实验内容：

“米波测量线实验”，强化长线、分布参数、驻波比、阻抗匹配等概念；让学员通过直接使用微波设备，获得很好的感性认识；“波导测量线实验”，强化场结构、波导元件、调谐和波导阻抗匹配等知识，让学员了解新频段需要新的传输线，且随频率升高，实验设备更精密，对学员实操能力要求更高；“抛物面天线实验”，强化辐射场、天线发射与接收、天线方向图、波瓣宽度及馈源偏焦等概念；让学员深刻领悟结构改变引起空间馈电；“相控阵天线波束设计与测量实验”，强化相扫原理、单波束、双波束及低副瓣波束设计的概念；开发虚拟仿真平台1个，让学员在没有实际雷达系统的条件下，“早介入”、“早设计”、“早操作”。

二、教学对象分析

课程教学对象为三年级工程专业本科学员。大部分学员学习态度端正，学习积极性较高，基本掌握了大学学习方法，具备自主学习能力；少数学员对本课程学习有畏难情绪，觉得内容抽象难学，特别是初次接触主模场结构、天线波束等抽象概念时，感到困惑，难以理解；大部分学员对雷达天馈系统认知不够，由于很少接触雷达，对同轴线、波导、匹配阻抗器等微波元器件及雷达天馈系统没有什么了解。但是从先修课程高等数学、大学物理、电路分析、文献检索考试成绩看，学员总体数学基础较好，具备一定的抽象思维、实践动手能力、文献检索能力，信息化手段运用熟练。

三、信息化教学策略设计

根据课程特点及学员情况，实验教学时采用“理实一体，虚实结合”的教学策略，充分利用信息化手段，發挥学员的主动性，破解实验瓶颈。

为此，制作或开发相关的信息化资源用于实验教学。实验课用到相关信息资源如下：制作的“微波技术与天线网络课程”可用于内容重难点巩固，师生互动；开发的“微波技术与天线虚拟实验平台”可用于电磁场传播及辐射的动态可视化、传输线与天线参数仿真计算；开发的“相控阵天线仿真设计系统”可用于交互式相控阵扫描原理仿真、三种波束相控阵天线仿真设计；开发的“相控阵天线实验测量系统”是基于局域网络的实测系统，可进行相控阵天线相关实验的分时远程测量；此外，制作相关的Flash动画、视频、图片；采用Matlab软件进行数值计算、绘图。

四、教学实施过程

教学实施过程分“课前在线互动-课上虚实结合-课后巩固拓展-多项综合评价”四个步骤。以“相控阵天线波束设计与测量”实验为例，具体说明。

（一）课前在线互动

课前教员将所需课程知识，课程信息化资源以及本次课的仿真平台、测试平台的使用说明书放到网络硬盘；学员下载后自主学习，有疑问，通过网络发给教员互动答疑；教员收集整理意见并有针对性的备课。

（二）课上虚实结合

课堂教学活动按照“原理精讲—仿真设计—实验测量—总结点评”的思路展开。

1.原理精讲

作战应用引入：采用“早期远程预警相控阵雷达优势”视频和“机扫相扫”动画，引入问题：相控阵天线波束扫描是如何实现的？让学员充分了解本次实验课的意义。精讲实验原理：通过“相位对波束指向影响”演示相扫本质上是理论课上的不等相位馈电；通过“相控阵技术”视频介绍相扫的关键器件是移相器；通过“相控阵天线扫描原理仿真”综合演示单波束扫描，使比较抽象的相扫原理，变得形象直观。精讲设计方法：设计特定指向单波束，经MATLAB软件平台理论计算，获得实现单波束的移相码；通过“相控阵天线仿真设计系统”，虚拟实现单波束的特定指向。具体实施时，教员主机上的仿真设计投影到大屏幕，让学员看得清，听得明；让学员在各自的实验终端仿真，学中做，做中学。

2.仿真设计

学员通过“相控阵天线仿真设计系统”各自仿真设计单波束、双波束、低副瓣波束。具体实施时，一人一组，学员获得的仿真设计参数正确与否，可通过局域网互相对比讨论，典型问题教员投影到大屏幕讨论，积极互动共同学习。

3.实验测量

基于正确的设计参数，学员使用“相控阵天线实验测量系统”分别进行三种波束的实验测量。具体实施时，通过局域网，采用一套天线实验系统，可同时容纳12台终端进行分时远程测量；“相控阵天线实验测量系统”可对实测过程、学员实验次数等进行实时监控；信号采集系统自动采集和保存测量数据；学员分析处理实验数据，获得测量结果；撰写电子实验报告，然后通过网络提交。

12台终端通过网络分时使用一套实验系统，破解了实验设备昂贵，不能规模化教学难题；利用局域网络可实现“教”、“学”双方互动及协作式学习方式。

4.总结点评

总结本次实验，包括对实验仿真结果和实测结果对比分析，对实验所学知识引申；对实验过程中学员表现做点评。

（三）课后巩固拓展

一是专业内容拓展。如进一步了解实际相控阵雷达的馈电电流分布；二是巩固提高学员仿真能力。如教学软件拓展、专题小设计。专题小设计课题，如“宽频带螺旋天线的设计与制作”中，天线参数的仿真设计可以选择专业电磁仿真软件HFSS；实验测量可用本实验室的微波暗室测量。

（四）多项综合评价

包括课前提问质量、课上实验表现、教员点评、学员互评和系统考评的多项综合评价机制，将考评融入教学的各个环节。

五、小结

将信息化资源运用到《微波技术与天线》课程实验中，运用信息化手段解决实验设备少、昂贵的问题，实现规模化教学；运用信息化手段突破瓶颈，解决实际平台难以实现的实验。

综合考核表明，采用信息化教学后：学员变不想学为想要学，变被动学习为主动学习，实验能力和机务作风都得到锻炼。

参考文献：

[1]傅文斌，董文峰，杨春山.微波技术与天线[M].北京：机械工业出版社.2015.8