基于OBE 理念的天线课程工程实践教学研究

刘亮元，师向群，袁海军

（电子科技大学 中山学院 电子工程系，广东 中山 528402）

成果导向教育是指基于学习产出的教育模式（outcome-based education，OBE），重点突出 “学生中心、成果导向、持续改进” 工程教育理念。OBE 教学理念既重视基础和专业能力培养，又重视与科学前沿、工程实际和社会应用实践的密切联系，旨在使课程规划与教学符合产业需求。OBE 教育理念以学生的学习成果为导向，逆向确定教学计划和教学环节，把学生作为教学中心，教师指导学生实现预期的学习目标[1-3]。有的学校以行业需求为主线，以工程项目为依托，构建了成果导向的创新型工程实践平台和工程应用型人才培养体系[4]。

天线是电子信息类专业的一门重要专业课程，是计算机辅助设计、天线理论、微波技术和微波电路等课程的实践和应用。其特点，一是理论性强，涉及许多电磁场计算问题，需要用解析方法求解矢量微分方程和矢量积分方程，非常繁琐；二是理论模型抽象，天线腔体内电磁场具有复杂的模式分布特征，天线辐射的电磁波具有复杂的空间电磁场分布，其幅度和相位具有动态变化特性，很难通过理论理解分析其电磁场特性[5]。传统的天线课程教学偏重理论计算，而忽视工程实践，不少学校甚至没有实践教学环境。课程培养目标主要侧重学生掌握系统且深厚的基础知识，而忽视培养学生自主设计微波器件的能力，以及探究新产品和新系统的开发和应用能力。学生往往在学习基本微波电路理论及计算公式后，却不知如何运用，仅能操作一些较简单的验证性和仿真性实验，却不会分析和调试微波电路，更谈不上设计和制作工程天线。

加强实践教学，培养实践能力与创新精神，是应用型高校人才培养的重要途径。在天线课程教学引入电磁仿真软件HFSS、ADS 微波电路设计和计算机仿真技术，就能使天线原理成为一门应用性和工程性极强的课程。HFSS 具有快速而便捷的计算功能，可快速处理复杂天线结构，并同步实现复杂计算数据的可视化，可通过多种图形和曲线加以表现[6-8]。一些本科院校开展了针对天线的仿真实验教学，设计了微波综合性实验[9-11]，这些做法对学生工程实践能力、科研思维和科研能力的培养非常有好处。

1 基于OBE 理念的天线课程实践教学思路

教学过程不仅是学生掌握知识的过程，也是学生学会学习、获得经验、启发创造、激励探索、提高能力的过程。借鉴OBE 工程教育理念，教师采用天线项目案例讲解理论知识，学生通过对项目的构思、设计、实现、运作加深对这些知识的理解。在教学实践中，通过组织讨论，激发学生兴趣，增加他们的感性认识，提高他们分析、归纳和总结的能力。采用OBE 教学模式不仅能使学生获得基础理论知识，而且使他们在运用知识解决问题的过程中更早接触工程实践，培养他们的实践兴趣和实践能力。本课程要求学生在教师指导下，通过对4G/5G 移动通信终端天线实例的思考、分析和辩论，进行项目分析、方案制定与论证、基板选型和电路设计、计算机仿真调试、加工测试、答辩验收和产品评价等。在此过程中，加强学生对工程系统设计要求、制造过程、成本核算的认识，培养学生对工程项目的宏观和微观思维习惯，提高通信终端天线系统综合设计能力。教学流程如图1 所示。

图1 天线课程OBE 教学执行流程

1.1 以学生为中心，制定教学目标

确立教学目标是OBE 教学的第一步，是设计教学活动的核心，关系到教学内容选择、教学过程设计和教学评价，是确保学生在教学活动后取得预期学习效果的前导问题。教学目标要以市场需求为导向，课程教学要以教学目标为导向，教学资源配置要以支撑教学目标的达成为导向。

基于OBE 的天线实践教学以理论知识掌握和实践能力提高为教学目标，强调知识与能力的并重。以4G/5G 移动通信天线为主线，进行课程项目建设，从构思、设计、实现、运作方面开展项目化的教学活动，注重学生运用新知识、新技术的能力。将传统的基本概念、重要原理和基础理论的教学融入天线课程中，即基于项目进行学习与教学。教师首先要对教学大纲、理论教材和微波天线企业进行分类整理，还要整理项目教学知识点，设计出多个4G/5G 移动通信天线学习项目。

OBE 天线课程的具体目标为：①掌握天线的基础理论、基本原理和实现方法，能够分析复杂天线工程问题；②能根据天线的实践工程问题，查阅文献资料，设计解决方案；③运用相关基本原理，分析天线设计的影响因素，运用HFSS 专业软件仿真优化，证实解决方案的合理性；④分析和解释天线实验中的数据，形成有效结论并指导实践。

1.2 成果导向，逆向教学

逆向教学是OBE 教学的第二步。关注学生的学习成果是教师组织教学的核心，因此要从学习成果反向设计教学内容，教学成败是以学生是否获得学习成果即是否获得实际能力为判断依据的。

电子信息类场波的课程设置通常包括电磁场、微波技术以及天线和电波三门主干课程。首先应给学生建立一个微波通信系统的物理模型，使他们熟悉通信系统各部分的组成与用途。在此基础上，天线原理与设计课程组提炼出具有代表性的天线学习项目，作为学生基于项目学习的基础内容。传统的天线课堂教学侧重理论解析推导，OBE 课堂教学则是运用计算机仿真技术分析天线的结构尺寸与电气特性的关系。天线课程的研究对象是电磁开放结构，而决定天线辐射特性的变量很多，理论模型只能分析简单规则结构，大多数实际应用中的天线则必须依靠实验测试。教师要针对所开发的典型的天线项目，设计教学内容，并进行实物制作，设计真实电磁环境。教学内容包括：使用微波测试设备进行测试、对比计算机仿真与测试结果、分析误差产生原因、指导学生进行分组讨论等。学生的预期学习成果是能够应用理论知识设计工程天线，并用于通信系统。基于此，OBE 教学将设计流程、设计步骤、设计结果和测试结果制成课件。学习表现优秀的学生可以在课堂上展示其作品，从而使教与学形成互动，使学生分析解决工程天线问题的能力逐步提升。

1.3 团队协作，产品评价

OBE 天线课程要求学生以团队形式，通过整合所学的零散知识与技能，完成一个与专业密切相关的工程实践项目，从而使自身的学习上升到一个新的高度。学生的能力各有所长，他们在完成任务过程中相互影响、相互学习，从而使沟通与合作能力得到培养和锻炼。天线设计完成后，学生要按要求撰写设计说明书或设计报告，目的是锻炼学生的书面规范表达能力。这些环节都有利于锻炼学生的团队合作精神，协调、管理、竞争与协作能力，以及沟通与交流能力。

学生要在规定时间内完成选题、确定方案、进行软硬件具体实现等，这就需要制定每周工作进度表，教师负责检查各组进度，解答学生疑问，指导学生的调研讨论、程序设计与调试、加工测试及提交设计报告等。

由于课程设计的任务和侧重各不相同，学生既需要相互讨论，又需要独立思考。因此考核应“重能力—看过程—多元化”。考核包括成果PPT 汇报、论文报告、实物作品展示和试卷测试等多种形式，期评成绩由平时成绩、HFSS 仿真及实验成绩、期末考试成绩组合而成。其中，平时成绩权重为20%，主要考查学生平时作业中对知识点的复习、理解和掌握程度以及学习态度等；HFSS 仿真及实验成绩权重为40%，主要考查学生理论联系实际的能力，包括：运用数学和物理等基础科学理论以及电路和信息系统基本知识的能力，设计与实施电子信息工程相关实验及分析和处理数据的能力，应用电子信息工程相关行业所需技术、技巧以及使用软硬件工具的能力，项目管理、有效沟通及团队合作的能力等；期末考试成绩权重为40%，主要考查对天线课程理论内容的掌握程度，包括基本概念、基本原理和理论解析计算等。

2 基于OBE 理念的天线课程实践教学过程

在学生掌握基本天线理论知识后，即可开展射频通信天线项目教学，教学内容包括项目调研、设计指标和方案制定、仿真调试、匹配器设计、实物制作和实物测试。天线课程采用线上和线下教学模式（见图 2）。在线上，课前由教师在线布置工程项目任务书，学生根据该任务书查阅文献资料，进行课前预习。在线下，教师要对项目进行详细分析，组织学生推进项目实施。在课后，教师对学生进行在线辅导和项目答疑，学生提交项目报告。

图2 天线课程线上和线下教学模式

通过仿真和测试实验使学生加深对射频和天线相关概念和理论的理解，培养学生的动手能力和科研能力。例如，在微带圆极化天线项目的实施过程中，要求学生用理论知识和天线基本原理指导实验调试、分析实验结果、处理实验数据，即分析频率偏移和端口不匹配的原因、调整天线结构和尺寸、记录并保存重要调试数据等，还要研究参数化扫描天线关键尺寸对阻抗匹配、轴比带宽和辐射性能的影响。其中包括：选取合适的天线基板材料；在覆铜板上腐蚀、焊接镀膜；进行远场辐射特性测试；撰写设计报告和答辩PPT 等。

再以单元圆极化阵列天线为例。系统初始结构和3D 增益方向图如图3 所示，天线系统由8 个完全相同的阵列天线和馈电网络组成。采用同轴线底馈方式，把两组4 单元阵列的间距D 作为参数进行仿真优化。初始D 取28 mm，仿真优化范围为20～40 mm，间隔4 mm。仿真结果表明，尽管所有频点反射系数都在规定范围即-10 dB 以下，但间距D 为28 mm 和32 mm的阵列天线谐振频率分别为5.85 GHz 和5.76 GHz，反射系数最小，离设计要求的5.8 GHz 最接近。

图3 单元圆极化阵列天线结构图和3D 增益方向图

在考核方面，要从实验设计、执行、分析及数据解释四个方面对学生项目完成情况进行评价。其中A级（90～100 分）为非常好，要求实验设计方案正确，能达到实验目的；在实验执行过程中，要能熟练掌握实验设备的选择、使用和执行程序，能取得正确、有现实意义的实验结果；在实验分析过程中，要能理解所用的运算及分析工具，且对所有的计算都能进行正确的执行和记录；在实验数据解释过程中，要能理解并正确分析所有重要的实验结果。

3 结语

本文提出的基于OBE 理念的天线课程教学模式，旨在把理论教学和仿真实验教学结合起来，加深学生对射频和天线理论的理解。通过电磁仿真训练，学生能较好地了解所学的知识及其应用领域、应用前景等。通过项目分析、方案制定、匹配电路设计、仿真调试、实物制作及产品评价等环节的全方位教学，增强了学生对专业技术的认识。