电子信息工程专业“电磁场与微波技术”改革与实践

1/7电子信息工程专业“电磁场与微波技术”改革与实践电子信息工程专业“电磁场与微波技术”改革与实践“电磁场与微波技术”是我校电子信息工程专业主要专业基础课之一，随着通信技术的飞速发展，载波的频率不断提高，其基本理论、基本概念及分析方法在现代飞机通信系统、导航系统和雷达系统的应用越来越广泛。XX年以来，为了适应宽口径人才培养的需要，这门课程的学时进行了大幅压缩，但工程教育改革和航空维修技术的发展对学生的知识和能力要求却不断提高。因此迫切需要对原电磁场与微波技术教学内容、教学方法和教学手段进行改革和建设，以有效解决学时压缩与知识、能力和素质培养之间的矛盾。一、以需求为导向顶层设计一体化课程内容，优化知识结构XX年以来，课程由原来的80学时减少到54学时。为解决知识面宽、学时少的问题，结合专业培养目标和航空电子系统专业课程需求进行顶层设计，明确课程在培养目标中的地位和要求，在此基础上，将课程涉及到的“矢量分析与场论、电磁场与电磁波、微波技术基础、天线与电波”等多门课程的教学内容结合前修课程“普通物理、2/7高等数学”和后续课程“雷达原理、通信系统、导航系统”等课程内容进行一体化设计，整合教学内容，优化知识结构。加强课程内部及与相关课程教学内容的有机联系，使其相互支持。整合后的内容主要包括五大部分12。1电磁场理论的数学基础部分矢量分析与场论主要讲授矢量的散度、旋度和标量的梯度等概念及运算。删除了与高等数学重复的推导和分析过程，重点讲授这些运算的物理概念及其在电磁场理论中的应用。实现了“高等数学”与“矢量分析与场论”的平滑过渡，也为学习电磁场理论奠定了基础。2电磁场理论基础本文由论文联盟HTTP/收集整理传统讲授方法是静电场、恒定电场、恒定磁场、时变电磁场、这样需要的学时较多。对于航空电子系统，时变电磁场比静电场、恒定电场和恒定磁场更加重要。考虑到学生在“大学物理”中已有电磁学的基础，因此本章主要是在介绍电磁场中的基本场矢量，积分形式的麦克斯韦方程组的基础上，结合矢量分析重点阐述微分形式麦克斯韦方程组的各种场之间的共性和个性，重点分析理想介质中均匀平面波的传播特性、电磁波的极化、均匀平面波在理想介质中的传播和在不同媒质分界面上的垂直入射与斜入射，实现“普通物理”与3/7“电磁场理论”基础内容的无缝对接。3微波技术基础该部分是这门课程的核心内容，也是学习主要后续专业课程“飞机通信系统、无电导航系统、雷达原理与系统”的基础。讲授的内容主要包括传输线的分布参数、传输线的工作状态、圆图及其应用、阻抗匹配、矩形波导、微带线、微波网络和微波元件等内容。该部分的内容克服了我国传统教材重理论轻应用的问题，大量实例结合机载电子系统和实际工程应用，从系统应用角度设计教学内容。4天线与电波传播该部分内容是新增内容，在讲授天线和电波基本理论的基础上，将机载电子系统的相关知识融入教学中，如机载电子系统的各种天线的结构和辐射特性，各个系统的电波传播特性等，以便于后续专业课程的学习。5电磁场与微波实验为加强对微波系统的认识，提高微波测试能力，开设了微波实验课程，实验项目主要有微波系统的认识和调整，微波阻抗的测量与调配，电压驻波比测量，微波网络参量测量，定向耦合器的技术指标测量、电磁波的反射与折射等内容。尽管学时由原来的8学时压缩到6学时，但通过合理安排实验项目，实验项目却比原来增加了电磁4/7场部分实验，以及根据实验原理自主设计实验步骤的实验。表1为整合前和整合后的教学内容和学时对照表。由此可以看出，整合后的学时尽管比整合前压缩了很多，但课程的内容却增加了，更好地满足了专业培养目标对知识和能力的要求。二、合理使用多种教学方法与手段，提高授课效率和效果针对“电磁场与微波技术”课程数学要求高、公式多、物理概念抽象、理论难以掌握、学习时易畏难等特点，探索实践系统应用化教学、形象直观化教学、研究讨论式教学、对比分析式教学等多种教学方法和手段36，使电磁场与微波技术理论教学呈现“抽象问题具体化、静态内容动态化、复杂问题简单化、公式理解物理化，知识掌握系统化”的教学特色，激发了学生的学习兴趣，提高了授课效率和效果。1系统应用化教学结合雷达系统和通信系统的组成引入微波技术与天线的教学内容，使学生将所学的知识形成系统概念。结合飞机电子系统天线讲授天线的结构、辐射特性和天线的极化；结合高频通信系统天线调谐耦合器讲授传输线的工作状态和阻抗匹配；结合雷达天线讲授波导中的5/7管壁电流；结合通信导航系统讲授各个波段电波的传播规律和特点。培养学生利用所学理论知识分析工程实际问题的能力，使学生充分意识到“电磁场与微波技术”课程在课程体系和专业培养目标中的作用，从思想上更加重视课程的学习，激发学习的动力和热情。2形象直观化教学针对电磁场理论抽象难懂的问题，通过自主开发虚拟仿真教学软件，实现了“传输线中行波状态和驻波状态，电磁波的极化，圆图的图解过程、波导中的场分布、天线的方向性图”等抽象概念的形象、动态演示。加强形象化教学和直观教学，激发了学生的学习兴趣。3研究讨论式教学结合基本理论与工程应用实际以及学科发展的新动态和研究成果，采用提出问题、分析现象、总结规律、探讨方法的方式进行教学，调动学生自主学习的积极性，培养学生探究性学习的能力，启迪学生创新思想，促进学生知识拓展应用能力的提高。4对比分析式教学将分析方法相似或分析问题相近的内容进行对比式教学，使学生加深对以往学习内容和新学习内容的区别与联系的理解。例如，将“导电媒质中的均匀平面波的分析方法和6/7特性与理想介质中的均匀平面波的分析方法和特性”对比讲授；“传输线方程及其解与波动方程及其解”对比讲述；“波导中电磁波的传播特性与双线传输线中的电磁波的传输特性”对比讲授；“铁氧体中的左右圆极化波与电磁波极化中的左右旋极化波”对比讲授等。采用对比分析式教学简化了分析过程，使教学内容从分散的知识点形成一个整体，加强了课程内容之间的联系。三、加强实践教学，培养工程能力和创新思维以任务或项目的形式设计教学过程，培养微波设计测试能力、计算机仿真分析能力、技术概括能力、知识更新能力、团队协作能力和创新思维等工程素质，实现知识、能力、素质的协调发展。投资120多万元的微波技术实验室已于XX年进行了设备更新，现有的微波测试系统为X波段的元件，它与目前机载气象雷达使用的元件相同，也是3CM的矩形波导元件。借助于该系统，不仅使学生认识实际微波元件，理解微波元件的结构、原理和特性，更注重加强微波测试仪器的使用和微波系统性能的测试能力的培养。XX年，学校投入80万元购置了电磁场与电磁波实验设备，开设了电磁波的反射与折射，电磁波的极化、介电常数的测量等实验。学校设立专项基金资助开发了叭天线特性的测量和7/7魔T特性测量等实验项目。从全面工程教育的角度，拟定开展课程设计，学生以34人为团队，学习和使用CONSOL、ANSOFT、HFSS等专用的微波仿真工具对微波元件、天线等进行设计、仿真，最后撰写总结报告并采用PPT答辩。从而培养学生分析问题、解决实际问题的能力，