电磁场与天线理论在《信号与系统》课程教学中的应用研究

曹欣远，齐 琦，程亮亮，陈兵兵

1.合肥师范学院 电子信息工程学院,安徽 合肥 230601;2.安徽省微波与通信工程技术研究中心,安徽 合肥 230601)



电磁场与天线理论在《信号与系统》课程教学中的应用研究

曹欣远1,2，齐 琦1,2，程亮亮1，陈兵兵1

1.合肥师范学院 电子信息工程学院,安徽 合肥 230601;2.安徽省微波与通信工程技术研究中心,安徽 合肥 230601)

在当今高校电子电信类本科专业的课程体系中，电磁场理论与天线技术和信号与系统的教学往往相互独立。本文秉着学科交叉渗透的思想，围绕电磁场与天线理论在信号与系统课程教学中的应用展开研究，主要从教学内容、手段以及思维方式、学习方法等方面提出具备一定创新性的见解，并就其可行性进行了论述。所研内容对提升相关专业学生融会贯通的学习技能、培养其举一反三的辩证能力等具有积极意义。

电磁场理论；天线技术；信号与系统；教学研究

1 引言

随着国家创新创业教育改革[1]的大力推进，对当代大学生创新能力的培养被提升到了一个新的高度。创新作为一个民族的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。如何提升大学生的创新能力，是摆在每一位教育工作者眼前的一个重要课题。笔者认为，创新不仅依托于对周遭的细致体验和电光火石的灵感，还与一个人的知识体系以及融会贯通的学习能力息息相关。启发大学生的创新意识，需要落实到各门实际课程的授课中，尤其有必要从学科交叉渗透的角度展开一系列教学改革。本文以电子电信类本科专业所开设的电磁类课程和信号类课程为例，结合笔者的实际教学感悟，就“电磁场与天线”理论[2]在《信号与系统》[3]课程教学中的应用展开研究。

2 实施方案

长期以来，在各高校的电子电信类本科教育中，《电磁场理论与天线技术》和《信号与系统》作为两个不同研究方向的基础课程，往往分别展开教学，二者鲜有交集。前者与微波技术[4]、高等电磁理论[5]等构成了电磁场与微波技术方向的主要课程体系；而后者与电路分析[6]、数字信号处理[7]等则是信号处理方向的知识主体。目前各院校常用的教材也是遵从这一规律而编写。然而，微波信号、天线信号、雷达信号等电磁信号作为现今信息社会中不可或缺的一类经典信号，目前却很少被引入《信号与系统》的教学中；同时，与电路系统相比，天线系统也同样适合从系统分析的角度进行讲解。因此，笔者认为可尝试将二者结合，从信号的角度理解电磁波，从系统的层面分析天线，以电磁场和天线为对象来映射信号、系统中的各种概念，从而实现这两门课程间的渗透和融合。以下从不同方面对具体实施方案进行论述。

2.1 教学内容

传统的《信号与系统》课程一般基于《电路分析》，主要围绕电系统或电网络展开，而电磁波作为高频震荡电路的产物，本质上也可视为电系统的一种，将其引入“信号”的教学内容中具备合理性和可行性。如：在“信号的分解”章节中，对正余弦信号的介绍即可以工程中常用的正弦电磁波为实例进行讲解；在“卷积”章节中，可引入微波器件对零状态响应与激励和冲激响应的关系进行论证；在“傅里叶变换”章节中，可利用雷达回波信号加强对信号时频域对应关系的理解；等等。此外，天线作为“系统”的典型代表之一，也无疑可以被列入“系统”方面的教学内容中(如在“线性时不变系统”章节中，即可穿插部分天线系统的内容)——此举既能使学生更为感性的接受系统分析理论，又可进一步加深对天线原理和各类天线参数的理解。表1中列举了部分将《电磁场理论与天线》和《信号与系统》相结合的教学内容。

表1 将电磁场与天线理论应用于《信号与系统》的教学内容示例

由表1可见，“电磁场与天线”理论和“信号与系统”的内容体系间具备良好的映射关系，故将二者结合具备可行性。笔者在本学期承担的《信号与系统》课堂教学中，已尝试在部分章节引入电磁场方面的知识，学生反映良好，教学效果基本符合预期期望。

2.2 教学手段

笔者于本学期在将电磁场与天线理论应用于《信号与系统》的各实际教学环节中，曾尝试使用的具备一定创新性的方法和手段主要包括：一、辅以实物展示，围绕原理进行交叉讲解，如：针对不同用途的天线(如手机天线、广播天线、雷达天线等)的实际工作机理，从系统分析的角度在课堂上进行实际操作演示并归纳整合总结；二、案例式教学，如：引入笔者所在单位与中电三十八所、四创公司的合作项目，对EMC、微波器件及天线测试等实例从信号或系统的角度进行分析；三、在理论课程授课之余，进一步改进实验和操作过程，并将实验划分为电路、仿真和微波器件三部分，其中微波类实验与“电磁场与微波技术”的相关知识遥相呼应；四、翻转课堂，鼓励学生从电磁场理论与天线技术的角度诠释信号和系统中的部分概念，并辅以研究报告或课上演讲等形式，展开全体性的“头脑风暴”；五、将“互联网加”、“电子设计大赛”、“机器人比赛”等各类竞赛与授课内容相结合，引导学生依据学科交叉渗透的思想提出创新性的想法，积极参加各类比赛，展示自我。更进一步的整体思路框架如图1所示。

图1 教学手段方面的整体思路框架

2.3 思维方式及学习方法

本文所尝试的教学改革意图使学生在思维方式上能勇于打破定式，并在学习方法上敢于突破常规。以在信号分析里引入电磁场理论为例，笔者在课上时常建议学生合上课本，基于自己对基本类型信号及其相关运算和变换的理解，尝试从信号的角度诠释各类实际电磁波的时域特性、变换域特性以及因此而产生的各种电磁现象，从而使学生沿着理论联系实际的思路，摸索适合自身的思维模式，发挥其主观能动性，从真正意义上构建个性化的知识体系。又如在将天线技术和系统分析结合时，我们始终鼓励学生利用课余时间，参与学习省微波工程中心平台下的各类测试，并营造企业环境，通过HFSS[8]等商业软件以及Matlab[9]等编程平台，从工程交叉应用的角度去培养学生对系统理论的理解和学习能力，使其能逐渐摈弃传统的阅读教材、解决习题的学习习惯，从而为将自身打造成为合格的应用型人才奠定良好基础。

3 初期成效

以笔者本学期所授《信号与系统》课程为例，在初步穿插了部分电磁场与天线理论的内容后，教学效果较传统教学已体现出了一定优势，例如：多数学生反映，在课程相关概念的形成与巩固上，融入电磁理论与单纯阅读教材相比，理解起来更加透彻；在课程所设向答环节中，针对同一问题，学生回答的总体正确率及其完成变式变形的能力较往年有显著上升；学生在独立思考能力的形成、学习方法的掌握、自学能力的养成上也有较明显改善，主要体现在随着课程的深入，越来越敢于质疑课本及课件内容特别是例题的求解过程、勇于提出自己的观念并探索个性化的新思路和新方法等方面。

此外，以引入电磁理论和天线技术的相关内容为基础，在教学手段上的创新及对学生思维模式和学习方法的培养还有效激发了学生学习《信号与系统》课程的兴趣，初步实现了以兴趣为导向的教学效果，多名学生在期末评教中表示了对课程的喜爱。与传统的基于电路理论的教学相比，电磁理论的融入拓宽了学生的视野，提高了学生的学习热情，从而进一步的促进了教学质量，验证了本教学改革可行的。

4 结语

本文基于笔者近期的教学工作，初步研究了电磁场与天线理论在《信号与系统》教学中的若干应用。该教学改革的尝试将为提高相关专业学生的创新素质、将其塑造成具有辩证思维能力的合格社会主义新世纪接班人提供有效支持。

[1] 刘伟. 高校创新创业教育人才培养体系构建的思考[J]. 教育科学, 2011, 27(5): 64-67.

[2] 杨慧春, 张茹. 电磁场理论与天线技术[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2013.

[3] 郑君里, 应启珩, 杨为理. 信号与系统[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[4] 董金明, 邓晖. 微波技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

[5] 傅君眉, 冯恩信. 高等电磁理论[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2000.

[6] 史健芳, 陈惠英, 李凤莲. 电路分析基础[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.

[7] 程佩青. 数字信号处理教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2013.

[8] 冯奎胜. Ansoft HFSS入门教程与仿真实例[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013.

[9] 周建兴, 岂兴明, 矫津毅. MATLAB从入门到精通[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2008.

Research on Application of the Theory of Electromagnetic Field and Antenna to Teaching of Signal and System

CAO Xinyuan1,2, QI Qi1,2, CHENG Liangliang1, CHEN Bingbing1

(1.School of Electronic and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei, 230601, China;2.Anhui Engineering Research Center for Microwave and Communication, Hefei, 230601, China)

In the current curriculum system of Electronics and Telecommunications specialty in universities, teaching of electromagnetic field theory and antenna technology and teaching of Signal and System are often mutually independent. In accordance with the spirit of crossing and infiltrating of disciplines, this paper takes the application of the theory of electromagnetic field and antenna to teaching of Signal and System as the content, some suggestions are proposed from aspects of course contents and means, thinking modes, learning methods, etc., the feasibility is also elaborated. The research has positive meanings to improve learning skills and dialectical abilities including digestion, comprehension by analogy, etc. for students majoring in related specialties.

electromagnetic field theory; antenna technology; Signal and System; teaching research

2016-05-25

合肥师范学院校级教学研究项目(2014jy25); 安徽省自然科学基金项目(1408085QF104)资助

曹欣远(1983-),男,安徽合肥人,副教授,博士,研究方向为电磁计算及信号处理。

G61

B

1674-2273(2016)06-0072-03