“信息电子技术中的场与波”教学改革探讨

2010-03-21沈长圣孙小菡柏宁丰

电气电子教学学报 2010年4期

沈长圣,孙小菡,柏宁丰

(东南大学电子科学与工程学院,江苏南京 210096)

“信息电子技术中的场与波”是工科电子信息类专业的一门重要技术基础课,是在学习了“电磁场与电磁波”等课程基础上,深入研究微波与光波领域的重要课程。其特点是理论与工程性及实践性较强。课程的任务是使学生掌握微波与光导波的基本概念、基本理论和分析方法。其讲授的内容涵盖了微波与光导技术所涉及的各个方面的知识。

由于“信息电子技术中的场与波”所涉及的电磁波比较抽象,所以学生普遍反映比较难学。随着教学改革的不断深入和发展,要求学生学习的课程门数不断增加,而总学时不变,这必然使每门课程的平均学时有所下降。本课程从64个学时压缩到48个学时。如何让学生面对课时少、内容多及课程难度大的现况,更好地掌握相关的微波与光导波知识,是我们目前面临的一个重要课题。

1 课程特点

微波与光波的波长相差3～4个数量级,它们的传播特性也是不同的。一直以来,微波与光波被分开独立研究,处理方法也各有特点,因此微波技术和光波技术历来被分作两门课程。到20世纪80年代,随着微电子、激光与通信技术的发展,微波与光波技术的交叉越来越明显,将微波技术与光导波技术组织在一门课程中教学已逐渐成为一种实际需要[1］。

本课程是由微波技术、光波技术两门课程合并一起的课程:主要内容包括传输线理论和圆图的应用;波导理论如矩形波导、圆波导、同轴线和光波导等的物理构成及其工作原理;谐振腔的结构和特征参数等。其中场结构在三维空间分布,要求学生具有一定的空间想象能力和抽象思维能力。公式推导和计算繁多,学生需要较坚实的数学基础。

2 教学方法改革

2009年开始,本课程进行了教学改革。具体措施是在星期一由一位资深教授主讲基本概念,使学生对基本知识全面掌握;在星期四,学生分成两个班,两位教师分别讲解公式推导、物理概念、例题讲解和具体应用等等,使学生领会知识的内涵和应用。这种教学改革将微波技术与光导波技术内容真正组织在一门课程中。例如对金属波导和介质波导的尺寸、工作模式、解法、导波模式和场分布等进行比较;对于金属波导在确定边界条件下求解矢量波动方程,不能用几何光学方法处理,一般是主模工作(或少数几个高次模工作);而对于介质波导,可用场解法、几何光学方法处理,可多模工作;对于金属波导,在边界以外没有电磁波存在,导波模的截止对应于β=0,即纯横向谐振而无纵向传播(波矢的纵向分量为零,只有横向分量),金属边界侧向封闭,不可能产生能量的横向泄漏或辐射;当波导发生弯曲和变形等不均匀性时,在其附近将产生高阶模式;而对于介质波导,场充满整个空间,在不同的区域满足不同的条件,具有不同性质(芯区为横向振荡、纵向传播;包层区为横向衰减、纵向传播),导波模的截止对应于β=k0n2,此时仍有纵向传播,只是开始出现横向泄漏或辐射,因为其为开放式结构,泄漏模和辐射模完全可能存在,不匀均性将引起能量的横向泄漏或辐射。

本课程组由一名资源教授带领两位年轻教师,实现了合理的教学梯队结构。课程组多次研究改进教学内容、教学方法、考核方式、教学管理以及教学研究等,及时纠正并规范教学中所出现的问题,使年轻教师的教学水平得到较快地提高。

3 教学手段改革

1)加强背景知识介绍

“信息电子技术中的场与波”从内容上来看,数学工具使用较多,对于先修的基础课如“复变函数”、“线性代数”和“电磁场理论”等要求较高。由于传输线理论和导波场论等非常抽象,我们在讲授中较多注重课程内容实际应用背景的介绍,以提高学生的学习兴趣。同时鼓励一部分学有余力的学生提前进入实验室参加到科研工作,培养学生的自主学习能力。

2)计算机技术的应用

现在,科学计算语言,如Matlab和Math CAD等,已在大学教育和科学研究中得到广泛应用[2］。Matlab语言提供了问题求解、模拟和实现结果的可视化的可能[3］,能使学生可深入理解导波模场的空间分布。图1所示为用Matlab画出了矩形波导中的场分布,由图可以很直观地看出场在各个方向的变化情况。

图1 矩形波导中场分布

3)网上教学改革试验

充分利用网络教学来补充课堂教育,将网络教育与课堂教育有机地融合起来。我们还开设了答疑邮箱,通过邮件与学生交流答疑,同时指导学生利用网络资源了解本学科发展的最新动态和当前研究的热点问题。我们已经建设了一个“信息电子技术中的场与波”课程教学网站(http:∥esr-poc.seu.edu.cn/luntan/)。