案例式教学法在“微波技术基础”课程中的应用

李荃 项顺祥 黄麟舒

摘要：本文在分析了“微波技术基础”课程教学内容和课程特点的基础上，针对当前课堂教学中存在的不足，探索了案例式教学法在“微波技术基础”课程中的应用并给出具体案例的设计思路，实践表明通过案例式教学极大地提高了学生对课程的兴趣，取得了良好的教学效果。

关键词：微波技术；案例式教学；课程改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）36-0185-02

一、引言

“微波技术基础”课程是电子信息类场与波方向的重要专业基础课程。应用场景包括雷达、通信、电子对抗等领域。这一类课程的特点是理论性和实践性都很强，一方面是对学生掌握前序课程的程度要求较高，特别是《电磁场与电磁波》的相关理论和概念，一方面，又是对学生前面学习到的低频电子类课程的一个革新和深入，需要打破学生之前学习低频电路中形成的一些思维固化。对于微波电路形成传输线的思想，并且结合“场”（电磁场与电磁波）和“路”（电路理论）的思想对相关微波工程问题进行研究和思考。

《微波技术基础》课程作为专业基础课，既有专业课对于专业领域相关概念和原理的研究，同时也要为学生后续学习课程打下足够深度的学科知识基础。其在整个培养体系中所处的地位如图1所示，从另一方面来说也是起到了一个连接基础课和专业课的桥梁纽带作用，是前序相关基础课程的理论概念的实际工程应用，为后续的天线类专业基础课，雷达原理、无线通信原理、卫星通信原理等专业课提供理论基础。但是教学中发现学生对学习该门课程的信心不足，加之大部分学生因为前序课程《电磁场与电磁波》概念抽象，理论性很强，需要较强的空间想象能力，涉及公式复杂且繁多，所以往往没有开始学习就已经有了畏难情绪，思想上就害怕学习这类课程，这给实际教学带来了很大的困扰。

二、微波技术基础课程的内容与特点

微波技术基础课程主要涉及以下几个方面的内容[1]：

1.微波特性及传输线理论[2]。介绍微波的特性从而分析得出用低频中的理论体系并不适用于微波频段进而通过长线短线的定义引出传输线理论。传输线理论主要以“路”的角度出发，通过建立等效电路模型，以微分方程的方式，分析微波信号在传输线上的传播特性及工作狀态，在此基础上推导出行波、驻波、行驻波三种工作状态的沿线电压，电流及阻抗的分布特性。引入相应的特性参量如输入阻抗，反射系数及驻波比来对微波信号在传输线上的工作状态进行描述。这一部分知识点是本门课程的重点。

2.几种常用的微波传输线系统。以常见的几种导行波为例，介绍矩形波导、圆波导、同轴线及微带线等传输线系统的物理结构，以“场”的思路分析其工作原理，从导波场论入手使学生掌握横纵分离变量法的分析方式，进而推导出不同传输线的场分布加深对不同传输线特性和传输模式的理解，使学生对于使用“场”和“路”这两种思路分析传输线工作特性的方法得以融会贯通。

3.微波网络基础。主要介绍微波电路等效微波网络的思想，并用矩阵这一数学工具来表征微波网络的不同外部特性。着重以S参数来分析典型2端口网络及其元件的工作特性。

总的来说微波技术基础是一门理论性较强的工程实践学科，因此在具体的教学实施中，力求理论联系实践，一方面在教学中结合课程内容穿插其与通信、雷达等典型场景的应用，一方面在实践环节设置相关实验，能使学生确确实实地通过动手感受到课本上抽象的理论。

三、案例式教学的概念和意义

案例式教学法属于一种重要的以“案例”为基础的研究型教学方法，其特点是：以学生为主体，教师为主导，改变传统的填鸭式教学方法，倡导学生积极参与到对案例的研究中。并在探索和研究的教学过程中激发学生的求知欲、好奇心，提高学习本门课程的兴趣[3-4]，不仅有利于巩固所学的基础理论知识，还有利于提高学生运用所学理论知识解决工程实践问题的能力。学生通过具体的案例的需要，去学习储备自己的理论知识，理解更透彻，记忆更深刻，通过自己的实践将学习到的东西内化为自己的能力，掌握了就记住了，不容易忘记。而本身解决案例问题的过程就是在锻炼学生解决实际问题的能力。

实施案例式教学法分为三个步骤：案例设计—分析研究—作答总结，教师在整个教学活动中扮演的是组织者和引导者的角色，负责案例的选择和设计，组织学生开展讨论，适时地进行引导，并在最后进行总结。

四、案例式教学在“微波技术”课程中的运用

微波技术基础偏工程应用，案例丰富，实施案例式教学具有天然的优势。结合课程实际情况和学生的基础，对于一些必要的基础理论知识还是需要进行一定的讲解和推导。依据教学大纲，针对课程中的难点问题，在教学过程中选取了以下几个有代表性和覆盖性的知识点设计相关案例，运用案例式教学法，取得了较好的教学效果。

1.传输线理论中的阻抗匹配案例。这一知识点是整个传输线理论的落脚点和微波工程中最为典型的一个实践应用，针对不同的匹配案例，几乎可以涵盖整个传输线理论的知识点。并且解决每一个不同的匹配案例可以使用的方法不同，可以使用阻抗变换电路、λ/4阻抗匹配电路、单枝节匹配电路、双枝节匹配电路、多枝节匹配电路等多种方式，但又不是每种方式都适合。而方法选定后计算方式又可以通过公式法或者是圆图的方法。所以案例的合理选取和设计很重要，要尽可能地覆盖多的知识点和方式，而又要有区分和提升，案例要能较好体现出不同的匹配方式的适用场景和特点。因此对于案例的分析和思考很重要，在这一环节中，教师要起到很好的引导作用，首先要引导学生分析不同案例的异同，进而引导学生选择不同的匹配方式进行尝试，在这个过程中并不给学生下定论，鼓励学生尝试不同的方法，哪怕是错误的。

2.波导中各种模式的场分布。运用“场”的方法对波导进行分析的主要目的就是要掌握不同模式的波在波导中的场分布，从而为后续理解不同微波元件的工作原理打下基础。该问题的本质其实就是求解不同边界条件下的麦克斯韦方程组的解。手工求解十分复杂，几乎无法完成，但是现在有很多商业仿真软件可以提供相关的功能，可以引导学生课下积极地尝试，但对于设置的案例，引导学生从基础出发，理解每种波导系统的场解得数学方程下的物理含义，引导学生从最基本的TE10模入手，进而推导出不同的TEmn的大概的场分布形态。

3.微波网络特性的S参数描述。使用“场”理论对微波电路进行分析虽然可以得到精确解，但是往往因为过于复杂求解过程十分烦琐而容易出错且耗时巨大。而通过将微波电路等效成的微波网络可以较好地解决这个上述“场”方法的缺点，最为典型的应用就是使用S参数来分析微波电路的工作特性，而且S参数是可以通过实验和相应的仪器来进行测量的，这为我们通过测量来得知电路的工作状态提供了可能。虽然得到的是近似结果，但对于工程应用来说是能满足精度要求的。要解决此类问题相关案例首先需要理论支撑，就是如何将相应的微波电路等效成微波网络。这一问题可以随案例一起布置下去让学生自行进行思考，在学生充分理解使用微波网络理论研究微波电路的原理和优越性的基础上，再对具体案例进行分析。

五、结束语

在“微波技术基础”课程中应用案例式教学法，使抽象的理论知识有了实际的落脚点，且通过案例的合理设置将所学知识点融会贯通，培养了学生自主学习、分析解决问题的能力，使其学习到的知识真正内化为自己的能力，也提高了学生的学习兴趣，使他们更有热情地投入后续课程的学习中。但同时作为教师，也要进一步完善案例的选择和设计，在如何引导学生对案例进行思考、总结、推广上下功夫。

参考文献：

[1]赵春晖.微波技术[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]邹凤华.案例式教学法在计算机教学中的应用研究[J].课程教育研究，2015，（3）：33-34.

[3]王昆.《微波技术基础》课程教学实践与改革[J].中国科技信息，2006，（11）：313+283.

[4]卢德馨.关于研究型教学的进一步探讨[J].北京：中国高等教育，2004，（21）：24-25.