ＩＳＳＮ ｌ００６—７１６７ 实验室研究与探索 ＿二＿ 丽 第３５卷第１０期Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．１０ ２０１６年１０月 Ｏｃｔ．２Ｏｌ６ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ ＩＮ ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ 微波工程系列课程形象化教学探究 唐书娟， 张智军， 卢丁丁 （空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安７１００３８） 摘 要：依据微波工程系列课程体系化建设要求，分析了系列课程在教学内容、实 践环节和教学方法上的特点，提出了系列课程形象化教学的基本理念。并从系统 观念、Ｍａｔｌａｂ软件、电磁仿真软件、微波ＥＤＡ工具、ＭＯＯＣｓ建设和对比教学等几个 方面提出了系列课程形象化教学的思路和方法。最后通过形象化教学的实践证明 了文中所提方法的有效性。文中介绍的形象化教学的研究内容可供相关专业教师 参考。 关键词：微波工程系列课程；形象化教学；系统观念；仿真软件；ＭＯＯＣｓ； 教学实践 中图分类号：Ｇ ４２１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—７１６７（２０１６）１０—０２３３—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｖｉｓｕａｌｉｚｉｎｇ Ｔｅａｃｈｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｕｒｓｅｓ ＴＡＮＧ Ｓｈｕｊｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ－ｊｕｎ，ＬＵ Ｄｉｎｇ—Ｄｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７ １ ００３８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｕｒｓｅｓ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏｕｒｓｅ ｇｒｏｕｐ ｉｎ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｐｒａｃｔｉｃｅ ａｎｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｉｄｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ．Ｆｒｏｍ ｓｅｖｅｒａｌ ａｓｐｅｃｔｓ：ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｃｅｐｔ，Ｍａｔｌａｂ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ＥＤＡ ｔｏｏｌ，ＭＯＯＣｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｉｄｅａｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｕｒｓｅｓ；ｖｉｓｕａｌｉｚｉｎｇ ｔｅａｃｈｉｎｇ；ｓｙｓｔｅｍ ｉｄｅａ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ；ＭＯＯＣｓ；ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ０ 引 言 微波工程系列课程是电子信息类专业必修的专业 基础课程群。由于高校特色和人才培养方案的差异， 对于该系列课程的内涵有所差异。但核心课程如“电 磁场与电磁波”“微波技术基础”“微波电子线路”和 收稿日期：２０１５－１１—１１ “天线与电波传播”等几乎是必然包含的，只是在课程 名称和教学内容分割上有所差异¨ 。 微波工程系列课程具有理论抽象难懂、数学公式 推导繁琐复杂及实践体系建设难度大等特点，是电子 信息类专业课程体系中教师和学生公认的既难教，又 难学的课程群体 。微波工程课程系列化建设从根 本上改变了传统课程之间相互隔离的状况，通过系统 作者简介：唐书娟（１９８３一），女，内蒙古赤峰人，讲师，主要从事微 波技术与天线教学研究与科研工作。 Ｔｅ１．：１３４８４６３３８９４；Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｕｓｙｂｒｉｎｇ＠１６３．ｃｏｒｎ 整合，构造了与现代技术相适应的专业基础知识平台， 对于提高学生的综合素质和培养学生的创新能力具有 重要作用，越来越多的高校采用了这样的课程体系化 建设思路。文章将结合微波工程系列课程教学特点， 积极采用现代化教学手段及方法，本着理论与实践并 重的原则，力争使课程教学更具形象化，从而激发学员 通信作者：张智军（１９６０一），男，河北磁县人，教授，学科专业建设 带头人，主要从事电磁场与电磁波教学研究与科研工作。 Ｔｅ１．：１３３１９２３０１４１；Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｕｐｅｒｚｚ８００７＠ｓｉｎａ．ｃａｍ ２３４ 实 验 室 研 究 与 探 索 第３５卷 学 的兴趣，实现教 ＿ｊ学的共同改进与提外 式教学；綦丁ＣＤ１０指导的 越丁程师培养模式；基丁 案例情境、问题牵引教学等启发式教学方法；基于立体 化的教学资源、实验／实践等手段激发学爿兴趣等 、ｌ 微波工程系列课程特点 微波Ｉ 程系列课程的内容主体在微波波段（一般 在０．３～３ ０００ ＣＨｚ）。顺名思义，“微波”的突 特点 这些疗法促进了微波工程系列课程的教学效果提高， 然而这些方法多是乍１‘对某一具体内容的特定方法，缺 乏从课程体系的角度建立一种形象化教学建设的思 路。 就是“频率高，波Ｋ短” 微波］ 程系列课程的本科教 学一方面要从电磁理论 发建立完整的微波Ｔ程理论 体系， 一方而嘤以应川为日标培养具有较强实践能 力的应用型人才。这样的矛盾是微波的特殊性及其广 ２ 在微波工程系列课程中开展形象化教学 所渭形象化教学是指在教学过程中借助各种手 段，以科学准确的材料、浅显生动的例子、直观简洁的 泛应川的必然结果，对教师的教学理念和教学方法都 提ｆｆＩ了挑战。众多微波课程教授者从不同的角度分析 ｒ该系列课程的特点 。下面从教学内容、实践环 节、教学方法ｉ个方面进行归纳总结： 形来表达所要讲述的抽象概念的一种教学理念。针 对微波Ｔ程系列课程的教学特点，结合课堂教学实际， 我们提…从以下儿个方面改善课程形象化教学。 ２．１ 基于系统观念促进知识体系形象化 微波Ｔ程课程系列化建没本身就是从系统的角度 （１）教学内容复杂．．微波系列课程ｆｆＩ严密的数学 推证、精确的实验和科学的抽象所构成，它对数学方法 的要求之高，常令本科 而生畏。课程应用的“矢 量分析与场论…‘特殊函数与数理方程”等Ｔ程数学的 知识较多，内容Ｊ ‘泛、跨度很大、概念抽象、公式烦琐， 重新整合教学内容，将原本相互的知识系统进行 体系化整合 以系统的观念展示多门课程之问、某一 ｆ Ｊ课程内容之间、某一章节内容之间的联系有助于促 电磁场的分布干¨汁算非常复杂，学生不易理解和 掌握。 随着计算电磁学、现代天线、新材料等理论和仿真技 进学生整体观念的确立，对知识的学习起到事半功倍 的作用 、在进行教学内容关系展示时，遵循尽量刚图 ｌ术、先进仪器等的发展，传统教学内容已经不能满足人 才 知识和技能方面的需求。基于课程体系化建设的 思想，将微波系列课程所需数学知识整合为“电磁数 学”一『Ｊ课程，为后续课程的学习奠定了较强的数学 形的基本原则。例如图１形象地描述了系列课程之间 的学习顺序关系；图２从微波系统的角度Ｉ｝Ｊ发，形象地 展示了课程内容在系统中的作用，突ｍ了各门课程的 雨点问题。 基础。在传统教学内容的基础上通过删减逐渐被淘汰 的技术／元器件／方法，增加电磁学仿真、智能天线、左 手材料等内容，以适应技术发展和人才培养需求 但 即使这样，该系列课程本质上的复杂性没有改变。 （２）实践环节要求高。随着科学技术的发展，微 波技术的应用Ｌ！‘渗透到了现代科学领域的许多方面， 如无线通信、全球定位系统、雷达技术以及电子和计算 机Ｔ程学科中。从培养应Ｊｆ】型人才的角度必须重视这 些专业学生的实践能力培养。从课程体系角度看，微 波Ｔ程系列课程是后续课程，例如“通信原理…‘雷达 原理”“电子对抗”和“卫星通信”等课程的前导课程。 通过实践环节Ｊ】Ｉｌ深对理论知识的学习有助于后续课程 １ 课程之间的学习ｆｌｌ０｛序关系 学习。并且微波丁程系列课程本身就工程性和实践性 很强，需要很多的实际技能。例如，射频微波电路的设 同样，在教学内容方面，注重所教知识内容与系统 的紧密结合 ．例如“微波技术基础”课程巾的重要章 计、常用射频微波仪器的使用、器件的测量、设计经验 等必须在实践ｒｆ１学习和提高。由于这一系列课程的实 验没备昂贵加之实验内容ｋ相互衔接，许多高校都将 节“微波元器件”，单独学起来枯燥乏味，不易引起学 习兴趣。曼¨果将微波器件的学习放到微波系统设计与 应用框架下，就能够帮助学生建立系统概念，激发学习 兴趣。罔３是在讲解“功率分配器”时，通过威尔金森 这些课程的实验加以整合，专门开设了“微波丁程实 验～‘微波Ｔ程仿真／虚拟实验”等课程，并不断突 实 践教学地位，更新实验内容和形式来提高教学效果。 （３）教学方法多样。广大教师针对微波工程系列 课程特点，在教学方法上开展了很多有价值的研究。 例如，基于建构主义教学模式指导的抛锚式教学、支架 功率分配器设计与参数渊整，整合教学内容。通过元 器件选择对系统功能的影响这一主线将“元件”带入 到“系统”，收到了很好的教学效果。 ２．２ 基于Ｍａｔｌａｂ推动理论规律形象化 Ｍａｔｌａｂ作为一款功能强大的商业数学软件，片ｊ于 第ｌ０期 府书娟，等：微波工程系列课程形象化教学探究 学，卜对 沦 Ｉ ｌ的认 Ｊ Ｕ波传播 ２．３基于电磁软件推动电磁现象形象化 ２ ０ ８ ６ ４ ｒＪ ０冬１ ２ 程 做波系统・ＪＩ的作Ｊｌ｛Ｊ 腮 ＋ ｌ 一・—［二］一．－ｊ 、 、 ‰ —［ ～＿［二卜叫 飞 掰 馏 监 … ｕ＿■，■ ’Ｉ訇３ ｉＩｋＩＩ １…ｌ Ｊ力， 分 器『Ｕ蹄 ｊＩ 』分 ｒ 算法Ｊｆ：发、数｛１ｔ…‘ 化、数据分析Ｊ）乏数ｆｆｆ 算的高级技 术汁箅 言和交７ 式环境，近些 米应川非常广泛 将Ｍａｔｌａｌ，引入 ，ｉ： 教学巾，将抽象的 沦规律形象化 走，Ｊ ，ｉｆ 教师ｆ１ ，ｌｉ从繁琐的数 ：推导运算ｑ１… 来，Ｉ 将更多的精 Ｊ放剑对慨念的 ｑ！斛和々业知识的 ；犬取上．．例如 “Ｉ乜磁场与电磁波” －ｌＩ’分析静电 场存边界条ｆｌ：卜的状态（ ４）、以及“微波技术琏 Ｊ［ｉ：｝｛”课程中分析 特定边界条件卜传输线｝ 的波状念 （ ５）等～ 矧４ 知边界条件求 ＩＵ场 罔５ 特定边界条什传输线ｌ 的波状态 通过Ｍａｌｌ ｄ，刈理论规律进行仿真，｝Ｉ：原本非常难 的知识点有ｒ形象化的展脱方式 这种方式能够使敦 师和学生直观的７亍剑规律的变化，万便老师捕述，促进 微波『 系列 是以电磁州沦为 钏的， ｊｌ－Ｉ： 教 ｒｆ１涉及ｙｌＪｆ下多电磁现象 然 微波彳亍 ， 摸小着，问小钏，埘ｒ这样“没有感觉”的主体，还嘤研 究 Ｅ的传播特 ，蜓 难Ｉ 』Ｊｌｌ难 将脱代Ｉ乜磁仿 软 件引入到教 ：ｒｆ１ 辅以课 实验址 助学 好地川！ 这 象的一条＿ＩＪ‘ 途 ．例 川Ａｎｓｏｆｌ ＩＩＦＳＳ仿 形波导Ｔ ：ｌ０筷的场分布，７』Ｉ 】６所爪 ６ 川ｔＩ｝‘ＳＳ ４。 件仿真对！什；波 １０ ｆｌ！ 仿 结 ，Ｊ 的电磁现象 Ｉ Ｉ 脱，埘丁建● “多模”的慨念， 解电磁场的 构分 ， 发刈多卡Ｉ！ 俄止特性的分析人有好处．．刈‘比教材的・人堆公』 干¨静态的场分 ， 于电磁软什仿 的 彤表示ｌＩ 常 观，学员川！晰 术姚容易得多 ２．４ 基于ＥＤＡ工具使实验结果形象化 类似的．将微波 ）Ａ １＿具引人 堂，将实验结 观的呈现也址改善 程形象化敦 的仃效途径 例 罔３所永的功半分 器没计，就址Ｊ、 川ｒ Ｍｉｍ ｗｎｖｔ・ （）ｆｒｉｃｅ软件进＂ 汁的 ７是ｉ发Ｊ－ＪＪ 分 器的 参 数分析 、改变系统没汁，输ｊ Ｓ参数随之动态变化．解 决＿ｒ实验结 输¨｛、 示难题，教 ：效果 普提高 号 嘉 ＪＪ ７ 功平分Ⅱ 苍数ｊ’ ｌ ２．５ 基于ＭｏｏＣｓ改善教学活动形象化 ＭＯＯＣｓ（Ｍ ＬＩＳＳｉＶｔ＂Ｏｐｅｎ Ｏｎｌｉｍ … ｓ，人规模存线 肝放课程，泽为“搏 ”）是荩丁 一 ．ｒｎｉｎｇ思想的教ｆ『 新模式． ＭＯＯＣｓ的ｆＩ｛现是对传统辙 、 方式的一次改 革 它以 刈‘义十勾成体系的优赝 顿为 心，再打ｕ Ｉ＝教学没汁、教学 动等 块， 囱‘碎片化、 动性、形式多样等特点 ２３６ 实 验 室 研 究 与 探 索 第３５卷 在短视频中教师的授课不再受到教室时空和条件 的，教学内容可采用问题提出、话题讨论等多种多 样的形式组织实施。问题和话题既可由教师设计也可 方向图的区别的时，理论上讲是主瓣的“宽”和“窄”， 在讲实际天线的方向图需求时说“宽或者窄根据具体 要求而定”。同样的内容如果把“宽”说成是“胖”，把 由学习者提出，改变了以往教学中教师讲台上讲、学生 教室中听的那种单调教学形式，能够更好地激发学生 的学习兴趣和主动学习积极性。视频组织可以是实验 “窄”说成是“瘦”，那么当然就“环肥燕瘦”各有所爱 了。教学语言形象化的例子还有很多，课堂语言的形 象化有时候会带来意想不到的效果，给学生长久的印 象，是课堂教学永无止境的追求之一。 现象、教师讲课、嘉宾访谈、学生讨论等多种形式。 灵活的组织形式和不固定的时长更有利于课程的 形象化展示。例如，在讲传输线状态参量一节，在理论 讲授环节缺乏实验现象的直观感受，容易陷人到公式 ３ 结 语 微波工程系列课程是电子信息类专业知识体系的 推导和死记硬背的怪圈；而实验环节又容易强调实验 操作忽视理论的指导作用。我们制作的短视频“一叶 知秋——传输线的驻波比参量”将驻波测量的实验现 象、驻波比参量的课堂讲授和驻波参量在雷达系统中 的实际运用三者有机结合，突破了教师、实验室、和飞 机维护现场的时空，运用了３Ｄ—ｍａｘ、Ｆｌａｓｈ动画、 视频编辑等技术手段，在教学内容形象化方面取得了 较好的效果。该视频参加了第十五届全国多媒体课件 大赛的微课组比赛，可在互联网上搜索观看。 ２．６基于对比教学促进复杂知识形象化 在微波工程系列课程中应用对比教学法是改善教 学效果的有效途径之一。建构主义教学模式认为，学 习是学习者基于原有的知识经验生成意义、建构理解 的过程¨ 。基于建构主义的思想，通过对比教学法搭 建原有知识与新知识之间的支架，促使学员主动地建 模、发展、完善认知结构达到“跳一跳，够得着”的目 的。根据教学组积累的经验，通过对比教学促进复杂 知识形象化要注意以下几个方面： （１）将生活常识引入课堂，建立复杂知识与简单 常识的关系。例如电磁波与机械波的区别和联系；波 导器件与直道、弯道、岔口、环岛的类比等等。 （２）将低频段电路与微波电路作对比，建立新学 知识与前序知识的关系。均匀传输线理论中“化场为 路”的方法就是这一思想最好体现。其他例如微波传 输线与低频段电容、电感元件的对比；微波的匹配与低 频的匹配作对比；微波网络与低频网络作对比等等。 （３）将经典方法／技术与现代知识发展作对比，建 立传统知识与前沿知识的关系。例如，左／右手材料的 对比；机械旋转天线与相位控制扫描天线的对比；将 ＬＴＣＣ（低温共烧陶瓷）技术与传统ＰＣＢ基板对比等。 ２．７注意教学语言的形象化 微波工程系列课程形象化教学不是一种教学方 法，而是贯穿课程建设始终的教学思想。在重视前几 个改进形象化教学的几方面的同时，还要注意教学语 言的形象化。例如在描述“天线与电波传播”课程中 重要组成部分，具有课程教学难度大，实践需求高等特 点。教学组逐步开展基于形象化教学的课程群建设， 目前已初步建设成了“微波元件及常用天线仿真模型 库”“微波工程系列课程Ｍａｔｌａｂ仿真集…‘微波电路综 合设计案例库”“微波技术与天线微课作品集”等，并 在逐步完善过程中。通过对多个专业，不同期班的教 学实践证明，形象化教学方法收到了实效。目前，学生 上课的积极性和期末总评都较以往有明显提高，教学 效果显著。尤其是射频综合系统实验室的利用率较以 前有大幅度提高。当然，对于学员知识深度和实践能 力的提高还需要更长的时间才能显现出来。 参考文献（ＲｅｆｅＦｅｎｃｅｓ）： ［１］刘学观，郭辉萍，李富华．电磁场与电磁波课程体系规划研究 ［Ｊ］．电气电子教学学报，２００６（８）：ｌＯ４．１１１． ［２］ 赵春晖，廖艳苹，崔颖．“微波工程”系列课程建设经验与成效 ［Ｊ］．中国大学教育，２０１３（６）：４０，４２． ［３］ 边莉，张起晶，刘 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