融合电路仿真APP的“高频电路”教学改革探讨

郑少勇

(中山大学 电子与信息工程学院， 广州 510006)

新冠肺炎疫情对我国经济社会发展造成了前所未有的冲击，对教育领域也产生了较大影响。在后疫情时期，高等学校教育面临新挑战。传统教育手段主要依赖于线下强制性授课，已无法应对这一巨大变化。因此，后疫情时代的教育改革应充分利用信息科技高速发展所带来的便利性，积极探索“以学生为中心”的混合式教学机制[1]。

“高频电路”课程是电子信息、电子科学与技术类等专业的主干基础课程，通过对电子元器件、电子线路的学习，掌握各单元电路的基本概念和分析设计方法，为“通信系统”等后续进阶课程打下必备的基础[2]。狭义的高频概念通常只涵盖3MHz-30MHz的频率范围。但随着用户数量的激增和用户需求的提升，无线通信技术朝着宽带宽、高速率、高频段的趋势发展，广义的高频概念已经朝向微波甚至毫米波频段延伸[3-4]。因此，现代高频电路教学内容将涵盖几MHz到几十GHz的频率范围。为响应五中全会《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中“激发人才活力，培养创新型、应用型、技能型人才”的号召，立足于后疫情时代背景和现代科技发展的实用趋势，笔者致力于探索高频电路教学的改革方案。

1 “高频电路”课程现状分析

“高频电路”课程具备较强的工程性和实践性，对教师的教学能力和学生的学习能力提出了更高的要求。在提出改革方案之前，首先明晰“高频电路”教学的现状和所面临的难题：

1)课程难点冗杂，教学手段单一

相比于此前学习的模电等基础课程，“高频电路”的特性分析和设计更为复杂，因此该课程具有知识抽象、公式繁多、原理复杂的特点。目前教学手段主要依赖于线下课堂授课和线下实验教学。疫情期间学生无法进入实验室进行实践操作，只能根据课本上的理论公式和文字结论进行学习，严重阻碍了学生对原理的进一步消化和理解。

2)教学内容落后，脱离前沿技术

目前所采用的教材大多是老旧的版本，内容更新速度远落后于通信技术的更替速度。而且教材中的教学内容更侧重于数学推导，与实际应用有一定差距，学生无法在现实生活中找到应用实例，缺乏学习兴趣。

3)学生主动性低，缺乏探究兴趣

多数学生缺乏提前预习和课后复习的自主性，仅靠在课堂中被动接收教师所给出的结论性描述，并借助机械记忆进行强记，对理论公式的推导和电路单元的分析缺少思考和探究，因此学生对该课程知识点的记忆周期通常较为短暂。

4)考核形式单一，实验设计薄弱

“高频电路”课程通常是通过期末笔试的形式进行考核。而辅助理论教学的实验环节基本上都是验证性实验，主要受限于以下两个因素：学生对理论知识的掌握程度不够深入，难以独立地进行设计性实验；实验室的场地和开放时间非常有限，学生没有充分的时间来完成设计性实验。

基于上述分析，“高频电路”教学改革所面临的挑战在于现有的教学手段未能有效提高学生自主学习的能动性，未能帮助学生在学习基本理论的基础之上加以验证和运用，且相关教学安排受疫情等特殊情况的影响较大。

2 基于APP的教学改革措施

在分析目前“高频电路”课程教学改革现状之后，顺应后疫情时代教育变革发展趋势，笔者借力信息化技术，在教学中融入电路仿真分析APP，实现课堂教学和课外实践的有机结合。

2.1 丰富教学形式和充实教学内容

随着无线通信技术的快速发展，现有的“高频电路”内容略显过时，需要对课堂教学内容进行扩充和丰富。例如，在现有的课程内容中，普通导线一般被认为是能够导电的“理想模型”，但随着通信系统的工作频率提高，“理想模型”的准确度已不足够，问题的分析也将更加复杂。此外，作为最常用的传输线之一，微带线可广泛应用于实现阻抗匹配器、移相器、滤波器等一系列功能性高频电路。因此，为了帮助学生更好地与前沿技术接轨，很有必要在教学中扩展介绍微带线结构的相关内容，并鼓励学生使用APP对微带线电路的特性进行仿真验证和思考。

为了模拟并呈现特定频率下的微带电路工作状态，选择基于FDTD技术的电路仿真APP如MuStripKit供用户使用，具体操作界面如图1所示。首先在主界面设置微带线的一些基本参数如介质基板介电常数、基板厚度和工作频率(如图1(a))。然后进入电路设计界面，选择包括传输线、短路线、开路线等多种微带线结构，并将这些元件通过串联或并联方式添加到电路结构中，从而实现所需的微带电路。在面板上就可以直接设置相关元件的参数。在确定电路结构和所有参数后，MuStripKit能够计算并显示对应的阻抗圆图和工作状态参数(如图1(b))，以及相应的S参数(如图2)，并实时显示在正弦波源或高斯脉冲源下的信号沿微带线的传输情况(如图3)。通过引入该APP，课程的教学内容将变得更加立体化，学生对相关知识的理解更加深入。

相比传统电路分析软件，MuStripKit具有获取方便、操作简单、使用便捷等优点，学生随时随地都可以在移动终端上使用。此外，该APP可以更直观地向学生展示电路结构与功能，动态地显示高频信号的传输，弥补了传统PPT教学无法直观展示电路功能这一不足，是辅助教学的理想选择。结合APP的应用领域与使用方法，在教学中增加微带电路基础、微波网络基础等更契合工程应用情景的内容，为学生提供微波工程的入门引导教学，着重介绍特征阻抗、史密斯圆图与S参数等内容，为后续进阶专业课程打下理论基础。

2.2 优化实践教学方案

针对“高频电路”课程特点，坚持以教师为主导、学生为主体的基本原则，结合电路仿真分析APP探索基于项目的探究式教学模式，将课堂教学和实践教学进行有机结合，有步骤、有计划地完成本课程的教学任务，让学生在完成项目的过程中利用APP工具解决专业问题，拓展思维方式。

在现有的教学任务基础上，增设融合APP的实践教学内容，能够同时开拓学生的学术视野和强化学生的专业能力。根据课程的整体知识结构，教学过程分为两个阶段：前一阶段主要是学习基本元器件和基本电路及其响应特性；后一阶段则深入到单元电路和功能性电路。具体来说，前一阶段布置相应的基于APP的验证型作业，促进学生对微带线等基本结构的动态认知；根据“高频电路”课程教学大纲，学生需要掌握无线电收发系统基本单元电路的原理和实现，后一阶段安排学生分组进行基于APP的功能性电路设计，具体方案见表1。通过实施融合APP的实践教学方案，加强学生实践能力的培养和训练，增强学生的学习兴趣，提高学生对理论知识的应用能力，提升学生分析和解决复杂工程问题的能力，促进教学和科研相结合，实现课程教学质量的显著提升。

(a)基本参数设置

(b)微带电路参数设置和结构设计图1 MuStripKit的操作界面

(a) S11

(b) S21图2 电路结构对应的S参数

图3 电路结构的信号传输情况

表1 基于APP-MustripKit的实验教学方案

3 多维考核体系

作为教学过程中的关键组成部分，检验学生学习成效的课程考核环节不应只着眼于学生对所学内容的机械记忆和简单计算，而是要考验学生的“变现”能力，即将课本知识转化为实践应用，从而达到对课本知识深度理解和运用的终极目标。

根据“高频电路”课程教学大纲对强化学生实际应用能力的要求，从基础知识考察、APP项目设计和创新实践训练三个方面来考核学生的真实水平。从而构成“高频电路”多维考核体系，如图4所示。

图4 多维考核体系

基础知识考察主要采用平时测验和期末笔试等传统考察方式来进行评定；

基于APP的项目设计环节要求学生运用APP仿真设计一个电路，形成设计报告，并通过PPT演讲等形式进行汇报，根据设计报告和PPT汇报来考察完成度。一方面加强学生对高频电路的理解和运用，另一方面训练学生的思维创新能力；

创新实践训练主要将上一环节中仿真的高频电路实体化，进行电路加工测试，亲身体验加工误差、元器件容差、金属损耗等因素带来的实际电路和仿真电路之间的特性差异，并进一步借助仿真来指导实际电路的调试与验证。通过检测电路性能指标、审读设计报告等多个方面来综合考核项目完成度。该环节能够有效锻炼设计和实现实际电路的能力，帮助学生加深对理论知识的理解。

三个考核环节层层递进、环环相扣，考核难度逐步提升，促使学生在自我探索和验证的过程中寻找学习“高频电路”的成就感和满足感，从而提高学生对高频电路类课程的学习兴趣。其中，基于APP的项目设计为基础知识和创新实践之间架起了过渡的桥梁。因为在实践训练过程中，电子元件的温度、电压、老化程度等实际情况可能对学生顺利观察出准确的实验现象造成了一定程度上的阻碍，导致学生对创新实践训练失去耐心并产生畏难情绪。而电路仿真APP让学生更专注于电路设计的创新性和挑战性，此后再进行实践训练会产生更为良好的学习体验感。

“高频电路”课程多维考核体系的构建，有助于将学生逐步培养成具备扎实的专业理论、出色的实践能力和敏锐的创新工程思维的电子信息领域复合型人才，为新一代信息技术革命的到来做好准备。

4 结语

本文以“后疫情时代”为背景、以融合现代信息技术为手段、以“高频电路”课程教学的现存问题为突破口，提出融合电路仿真分析APP的教学改革方案，构建了理论考察-项目设计-创新实践的多维考核体系。该方案突破了该类课程教学的传统思路，借助更便捷的自主学习平台，有效激发学生学习兴趣，提高课程教学质量，以期为同类型课程的多媒体教学建设提供参考和借鉴。