“电磁波与天线”课程“三位一体”实践教学改革探讨

朱卫刚 薛红 曹文权

［摘 要］ 高等教育教学改革的本质目的是提高人才培养质量。实践教学作为高校工程教育的主阵地，是确保高校工程教育质量和提升学生解决复杂工程问题能力的关键环节。“电磁波与天线”课程理论性强、公式繁杂、概念抽象，实践教学对于形象展示抽象理论知识和激发学生学习兴趣方面具有独特作用和优势。聚焦学生电磁工程实践创新能力培养，分析了课程实践教学现状和问题，探讨了基于基础理论验证、模型虚拟仿真、实物效能评测“三位一体”的电磁工程实践教学改革与创新，给出了实践教学改革的典型案例，对于其他电磁类课程实践教学改革也具有借鉴意义。教学实践表明，基于“三位一体”的电磁工程实践教学有力推动学生在全国和校内创新竞赛中取得优异成绩。

［关键词］ 电磁波与天线课程；实践教学；三位一体

［作者简介］ 朱卫刚（1971—），男，河南荥阳人，硕士，陆军工程大学通信工程学院学院副教授，主要从事电磁场与微波技术教学与研究；薛 红（1981—），女，安徽合肥人，硕士，陆军工程大学通信工程学院副教授，主要从事电磁场与微波技术教学与研究；曹文权（1985—），男，江西大余人，博士，陆军工程大学通信工程学院副教授，主要从事电磁场与微波技术教学与研究。

［中图分类号］ G642.0［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-07-08

高等教育教学改革的本质目的是提高人才培养质量。新工科作为高等教育“紧缺人才培养”的重要抓手，是构建中国特色、世界水平的工程教育体系，加快推进中国从工程教育大国走向工程教育强国的重要举措。实践教学作为高校工程教育的主阵地，深化实践教学改革是确保高校工程教育质量和提升学生解决复杂工程问题能力的关键环节［1-2］。

一、课程的基本情况

“电磁波与天线”课程作为笔者所在院校新工科专业的重点建设课程，是分析和研究现代电子技术领域中各类电磁问题的理论基础。随着先进教育信息技术的发展，课程近几年的教学模式发生了很大变化，MOOC、在线课程、微课、SPOC教学、智慧教学等方式逐渐走进课堂教学，教学内容和教学方法也随之改革，新工科专业建设所面临的新形势和新要求，推动了实践教学改革向纵深发展。

（一）课程历史沿革

在2014年之前，笔者所在院校的电磁类核心课程包括“电磁场与波”“天线与电波传播”“微波技术基础”等三门课程，要在两个学期完成教学，课程教学内容多，时间跨度长。随着院校教育和人才培养模式的转变，电磁类课程体系也随之发生变化，理论教学内容进行了融合和优化，对实践教学条件进行了重新配置，并在国内首次设置了电磁类的唯一专业核心课“电磁波与天线”。

（二）课程实践教学内容体系

“电磁波与天线”课程以“高等数学”“大学物理”和“电路分析”等作为先导课程，为“通信原理”“微波通信”“卫星通信系统”等专业课程提供专业基础理论，成为笔者所在院校现阶段最为重要课程之一，在新工科电子与科学技术、通信工程专业课中起到承上启下的作用。课程实践教学内容体系包括电磁场理论实验、传输线与微波路实验、天线与电波传播实验三个部分，贯通电磁波从发射、传播、接收的全过程，全面培养学生电磁信息素养和工程实践能力。

（三）课程实践教学面临的问题

由于课程内容知识模块多且公式繁杂，概念抽象不易理解，原有课程实践教学与电磁理论的联系存在脱节现象，学生动手实验的参与度和积极性不高，对于典型的电磁工程问题探究缺乏兴趣，实践教学的效果得不到体现，具体问题表现为以下五个方面：一是面对课程抽象内容和繁杂公式，实践教学方法单一，学生学习兴趣低，自發学习电磁理论的内在动力不足，导致理论学习与实践应用脱节；二是实践教学内容陈旧，教学目标与岗位任职关联的不够紧密，缺乏电磁工程应用领域的针对性内容设置；三是实践教学考核缺乏形成性考核评价，最终考核以提交实验报告为主，影响了电磁工程实践能力生成的定量判定；四是实践教学中个性化的实验项目偏少，学生动手锻炼的机会不足，而且项目实践的时间偏短，不利于创新能力培养；五是电磁工程应用背景需求定位不准，软件虚拟仿真支撑偏弱，对于培养学生解决复杂工程问题所需的综合能力形成了限制。

二、课程实践教学的改革与创新

针对实践教学的这些问题，聚焦了新工科建设和发展的需求，按照“打牢基础实验，突出虚拟仿真，强化应用拓展”的思路实施教学，构建了“三位一体”电磁工程实践教学平台，着力实现“基础理论验证”“模型虚拟仿真”“实物效能评测”三步走的目标，形成了学员思维活跃、师生沟通顺畅、创新能力目标明确的实践教学氛围［3-4］。

（一）优化实践教学内容体系

新工科专业建设提出了工程教育要培养学生解决复杂工程问题的能力。课程将实践教学内容按照基础理论验证实验、虚拟仿真实验、实物制作及效能评测实验三个难度等级划分，包括电磁场、传输线及微波电路和天线实验三大类模块，贯通电磁波从发射、传播到接收的全过程，学生通过闯关升级式实验项目的检验，电磁工程实践创新能力也逐级提升。

（二）探索“虚实”结合教学方法

实验室是实践教学的主阵地，电磁虚拟仿真技术进步为实践教学采用“虚实”结合的教学方法提供了有力条件［5-7］。实践教学要以理论基础为先导，学生动手实验前，必须掌握好理论基础，才能做到理论与实际相结合，才能达到创新能力的提升，否则实验过程只能是走马观花，流于形式。实践教学也可以将理论教学中的问题牵引式、案例式等教学方法引入，结合虚拟仿真和实物演示，把抽象概念形象具体化，培养学生科学思维和电磁工程实践能力。此外，利用网上教学平台，将实践教学资源课后推送线上，缓解课堂课时不足带来的矛盾，利于学生课后自主学习和实验项目总结。

（三）健全形成性考核评价机制

传统的实践教学考核往往采用终结性考核，形式上以提交实验报告为主，缺乏形成性考核评价，结果造成学生对基础理论理解的淡化。采用形成性评价机制，有力于促进学生沉浸式体验实验过程，更能将理论实际结合起来，培养学生的科学思维。形成性考核评价可以将实验项目成绩细化为实验原理、实验步骤和实验结果三个部分，每部分再细化为子项目成绩，以利于教师量化考核，督促学生注重过程。

（四）突出学生个性化创新能力培养

基础理论验证实验在实践教学中处于基础地位，对所有学生而言具有普遍性，每个人都需要掌握，但学生对电磁理论的理解和掌握具有明显差异性，对电磁工程应用的兴趣点也不同，这是个性的表现。在培养电磁工程创新能力培养上，通过增设不同难度等级的实验项目供学生参与和体会，逐步培养学生的创新能力［8］。课程在实践教学中，设置了三种难度等级的试验项目，学生根据自己兴趣和储备的知识，有计划地参与相关实验项目，比如可以选择虚拟仿真类项目，也可以选择实物制作类项目。

（五）强化模型虚拟仿真及效能评测

课程实践教学中，传统的实验项目以实物演示为主，经常要到野外实验场地操作，由于受到实践场地的限制，许多实践项目的开展受到了限制。随着电磁仿真软件HFSS、ADS的普及应用，各类电磁对象的辐射特性都可进行虚拟仿真，从而给出直观的结果，为理解电磁理论带来了极大的方便。此外，为了对实物的特性的评测，实践教学条件也进行了改善，建立了功能强大的微波暗室，可以对经过虚拟仿真和优化后的实物进行效能评测，形成电磁辐射特性的权威评价，同时也促进了理论与实际相结合，电磁工程创新能力得到了检验。

三、课程实践教学典型应用案例

在“电磁波与天线”课程实践教学过程中，学生要在有限的时间内完成实验项目，要合理安排实践和场地。实物类实验项目需要在教师的指导下，安排合适的试验场地和器材；虚拟仿真类实验项目，则可以安排在课后时间，由学生自主完成。

（一）电磁波参数测量

电磁波波长及介电常数测量属于基础理论验证实验。实验项目使用微波分光仪，并需要教师现场指导。该实验目的是研究电磁波在空间传播的反射与折射定律，利用相干波源测定空间电磁波的波长，并基于加载介质板所形成波腹点和波节点测定介质板的介电常数。通过实验，学生可以沉浸式体验电磁波反射与折射定律，并能验证相干波源在接收点处形成波腹点和波节点的干涉效应，加深对电磁波理论的理解。

（二）电磁波极化实验

电磁波的极化在电磁工程应用中是非常重要且抽象的概念，是教学中的一个难点。电磁波的极化方式描述了电磁波在空间传播时空间某点上电场矢量随时间的变化轨迹，有线极化、圆极化和椭圆极化等多种形式。为了在实践教学中形象展示电磁波的极化特性，实践教学设置了两类实验项目，一类采取实物形式的仪表和装置搭建实物验证系统，验证极化匹配的概念；另外一类设置了虚拟仿真实验项目，通过MATLAB虚拟仿真沿+Z轴方向传播的圆极化波，形象地展示出电磁波电场矢量在空间随时间的变化轨迹，加强学生对理论知识的理解。通过两类实验项目，学生既有感性认识，又有理论推导，极化概念变得形象直观，也增加了学生对电磁理论学习的兴趣。

（三）天线的辐射实验

天线是用来发射和接收电磁波的装置。在工程应用中，天线的方向特性是天线四大特性中最为重要的特性。由于天线的种类多样，形状各异，如何形象地表示天线在空间中的方向特性是学生实验的重要内容，在实践教学中通常测量天线方向图和增益指标。

在实践教学中，对于典型天线的辐射特性，设置了三类实验项目，难度等级逐渐升高。其中，基础理论验证实验采用3厘米波长天线测试系统，测量喇叭天线的方向性和增益。虚拟仿真实验用于不易制作的復杂结构天线和电大尺寸天线，可以通过MATLAB、HFSS、ADS软件模拟天线的电磁辐射特性。实物制作类实验用于学生创新实践能力培养，学生根据自己的兴趣和爱好，采用HFSS设计天线模型，模拟辐射特性并进行优化，然后加工制作成实物天线，最后在将实物天线架设在微波暗室中进行实物效能评测，得到实物真实的方向特性、极化特性和阻抗特性等指标。

学生通过三类难度等级不同的实验项目，基于基础理论验证—虚拟仿真—效能评测“三位一体”电磁工程实践教学平台，把所学的电磁理论应用到实际中，既达到了实践教学的目标，又强化了学生解决复杂电磁问题的能力。

近几年，随着实践教学改革不断推进，更多的学生对学习电磁理论产生了兴趣，理论与工程实际应用结合越来越紧密，投入到创新项目的内驱力不断提升，在科技创新活动中取得了优异成绩。先后在校级“卓越杯”获得一等奖6项；全国大学生电子设计大赛一等奖1项，二等奖2项；全国大学生机器人大赛一等奖6项；发表学术论文10余篇。

结语

课程“三位一体”的实践教学表明，基于基础理论验证、模型虚拟仿真、实物效能评测“三位一体”的电磁工程实践教学，可充分满足学生对电磁工程创新的需求，发挥虚拟仿真和实物效能评测的功能，将抽象难懂的概念形象化和具体化，提高学生的学习兴趣和创新能力，促进了理论知识相电磁工程实践能力的相互转化。此外，对其他同类课程的实践教学改革也有一定的借鉴意义，是提升学生创新实践能力和解决复杂工程问题的重要举措。

参考文献

［1］刘鑫桥，王庚，吴津蕊.新工科的研究现状、实践进展与未来趋势［J］.西北工业大学学报（社会科学版），2021（4）：63-69.

［2］刘维尚，袁丽.新工科人才培养模式探索［J］.中国高等教育，2021（2）：13-15.

［3］王永华.新工科人才培养模式创新的三个维度［J］.中国高等教育，2021 （19）：50-52.

［4］杨慧，堵俊，顾菊平，等.论新工科人才培养的集成模式［J］.教育现代化，2020，7（56）：14-16.

［5］孫霞，郭来功，蔡俊.新工科人才培养的多元化教学实践［J］.集成电路应用， 2021，38（10）：48-49.

［6］王奇，范山岗，戴海鸿，等.面向工程能力培养的电子信息类专业实践教学改革［J］.实验科学与技术，2020，18（6）：71-75.

［7］姜艳红，崔承毅，秦晓梅，等.国内外虚实结合实践教学理念及方法研究综述［J］.工业和信息化教育，2019（10）：1-6.

［8］王尔申，赵珩，曲萍萍，等.基于“虚实结合”的卫星导航课程教学方法研究［J］.实验室科学，2019，22（6）：74-77.

Abstract： The essential purpose of teaching reform in higher education is to improve the quality of talents. As the main field of engineering education in universities and colleges， practice teaching is the key to ensuring high quality engineering education and fostering students abilities to address complicated engineering problems. The course of electromagnetic waves and antennas covers a large number of complex formulae and abstract concepts and is highly theoretical. Practice teaching plays a unique role in this regard and is advantageous to a vivid presentation of abstract theory and the enhanced learning interests of the students. This paper focuses on the cultivation of students practice and innovation competence in electromagnetic engineering， analyzes the status quo and problems in the practice teaching of the course， explores the three-in-one reform and innovation in practice teaching of electromagnetic engineering which integrates “verification of fundamental theories， virtual simulation of models， and real-object effectiveness evaluation” into a whole， and puts forward typical cases of practice teaching reform， which can also provide a reference for the practice reform of other electromagnetic courses. As a result of our practice teaching， our students have achieved excellent performance in the scientific and technological innovation competitions held at the school and national levels in recent years.

Key words： course of electromagnetic waves and antennas; practice teaching; Three-in-One