结合仿真技术的微波技术课程CDIO教学实践模式探索

（杭州电子科技大学 浙江·杭州 310018）

0 引言

随着国内高等教育改革的持续深入，教学理念随需求不断进步，高等学校尤其是工科类专业在办学类型与特色等方面越来越强调多样性与实践性。“产学研”服务链式培养理念与需求成为一项重要的衡量指标。如何发挥工科教学优势，并充分与产业相结合，以满足服务地方、服务社会的需求，是专业性与实践类课程改革的重要方向之一。

1 CDIO创新实践模式

CDIO工程教育模式，最早是由麻省理工学院、瑞典皇家工学院等四所国际知名院校牵头探索所创立的一种先进的教育改革成果，已在世界范围内取得了突出的成绩，并展现了其在不同领域内的指导性作用。2008年，教育部高等教育司牵头组建了“CDIO工程教育模式研究与实践课题组”，针对中国教育环境的独有特色，探讨全球化背景下适合中国工程教育改革的CDIO模式。2016年，在原有研讨工作组的基础上，CDIO工程教育联盟于汕头成立，以进一步提高高校工程教育质量，推动高校、企业的深入合作。

CDIO模式主要理念以C（Conceive，构思）、D（Design，设计）、I（Implement，实现）、O（Operate，运作）四项为代表，强调从理论、设计，到研发、运行的知识体系链式培养过程，突出理论联系实际，从基础知识、个人能力、团队沟通、系统统筹四个方向实现学生综合能力的培养。该培养模式的引入，对微波类专业课程的讲授及学生的能力培养有积极的促进意义。

2 CDIO模式在微波技术实践教学中的应用

2.1 微波技术教学中存在的问题

微波技术是电子信息类学科的入门课程，也是无线通信技术中硬件实现的基础性专业课。其中所涉及的电磁场基本特性、常见基本系统的理论分析，是设计与研发微波器件的核心方法与基础。微波技术课程旨在帮助学生对微波领域建立宏观概念，并掌握各类器件的基本工作特性。目前，在教学过程中仍存在一定的不足之处。

（1）教学缺乏针对性：微波技术课程中设计有多种类型的传输结构。虽然不同结构的工作特性差距往往非常大，其初始构建的设计原理是想通的。在授课过程中，往往忽视了整个微波器件体系的梳理，使得学生在掌握与理解时只能碎片化记忆，无法融会贯通。

（2）实践环节不够直观：该类课程的一大特点就是理论概念较为抽象，公式化较强。诸多定义及性能分析均是通过麦克斯韦方程组推导而来，不但推导复杂，难以掌握，而且不易理解。尤其是涉及电场模式变化时，由于无法直观观察，学生只能机械的记忆。

（3）课程内容不够灵活：该类课程大多数重点都放在了理论概念讲授，工程实践环节明显不足。现有实践也多是基于微带线、波导等传输结构传输效率与反射率。对于阻抗、导波模式等较为抽象概念缺乏有针对性设计。且微波技术与无线通信设备是当今发展最为迅速的几大领域之一。新的技术与方法不断涌现。当前课程与实际项目及产业结构不紧凑，缺乏对实际问题的练习。

2.2 仿真技术在实践教学中的应用

针对现有问题，以理论-设计-操作的工程实践指导思路为基础，串联设计教学方案。在拓展知识储备宽度的基础上，增加知识掌握深度。将课程掌握程度分为基础、专业、创新三个程度，分别对应操作、设计、研发三类技能要求。

全波电磁仿真软件的引入，有效弥补了书本理论抽象的不足。通过对给定结构模拟仿真，除了可以迅速获得其色散矩阵参数以外，还可以获得电磁场各分量的视觉化展示效果。通过近场视觉化展示，可以使学生更直观的理解不同电磁波模式的工作特点，对应理论公式，为设计服务。

以矩形波导的基本工作模式场分布仿真及其形变结构设计为例，介绍仿真软件在新模式下实践教学中的探索与应用。实验遵循理论预测、软件建模、全波仿真、视觉化显示与结论印证的操作环节，直观观察3D近场分布图，并与对应模数相照应，理解不同模式数与场分量之间的对应关系。在正确掌握软件仿真操作与仿真结果分析方法只后，指导学生在标准矩形波导的基础上，按照特定要求修改波导结构，仿真分析加脊波导等形变结构的工作特性及导波近场分布特性，并通过设计与结果的对应关系总结设计思路。

3 实践应用展示与结论

图1：（a）标准矩形波导、（b）加脊和（c）双加脊形变波导内二阶模式截面电场分布示意图

依照上述实验操作步骤，在CST仿真软件中构建矩形波导模型并进行全波仿真，可获得其各阶模式电场分布规律。以其二阶模式为例，传播方向横截面内电场分布如图1（a）所示。当设计内部形变结构，不同的金属附加结构会对波导内部场分布造成不同的影响。当加脊结构位于波导中央，由于二阶模式强电场区域对称分布于波导内部，因此电场会受金属边界条件影响发生偏转，形成从中央至两侧的震荡形式。其电场分布如图1（b）所示。为了最大程度保持原有模式不变，加脊结构改为两组，且对称分布。此时内部场分量与标准波导场分布的差异明显减小。通过一系列操作对比，可进一步加深学生对边界条件、导波模式工作调制原理的理解。

基于CDIO模式设计的实践教学环节，配以仿真技术的应用，极大的丰富了课堂展示形式，良好的提升了教学效果。使得课堂从单一枯燥的理论讲解向多元化、可视化、可操作化发展。学生不但加深了对理论的理解，更得到了动手设计机会，提高了学习积极性，并锻炼了从设计到分析的实际工程能力。