新工科背景下“电磁波与天线”课程教学探析

曹文权 朱卫刚 薛红

[摘 要] “电磁波与天线”是研究电磁场与电磁波基础理论、天线与电波传播基础知识及其分析方法的一门核心专业课程，在人才培养中处于关键地位。针对新工科背景下的课程教学，首先分析了这门课程在课堂学习效率、数学物理基础、抽象思维能力、网络学习兴趣、动手实践能力五个方面的不足;其次从系统设计教学内容、深化教学方法改革、优化课堂教学设计三个方面探讨应对策略;最后总结了课程在教学手段、思想政治设计和教学模式方面的效果特色。课程教学探析对提升学生综合学习能力和电磁工程素养有促进作用，对相关专业课程的建设具有一定的参考价值。

[关键词] 电磁波与天线;课程教学;新工科

[基金项目] 2020年度陆军工程大学通信工程学院教育教学研究课题“‘电磁波与天线’课程与教学改革创新研究”（TY20ZX002）

[作者简介] 曹文权（1985—），男，江西大余人，电磁场与微波技术专业博士，陆军工程大学通信工程学院副教授（通信作者），博士生导师，主要从事天线理论与技术、新型人工电磁结构研究;朱卫刚（1971—），男，河南荥阳人，电磁场与微波技术专业硕士，陆军工程大学通信工程学院副教授，主要从事微波技术、天线理论与技术等领域研究;薛 红（1980—），女，安徽霍邱人，电路与系统专业硕士，陆军工程大学通信工程学院副教授，主要从事天线理论与技术研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）21-0045-04 [收稿日期] 2022-04-14

引言

2017年2月，教育部在复旦大学召开了高等工程教育发展战略研讨会，与会高校经过研讨达成新工科建设复旦共识[1]。随后，教育部积极推进新工科建设，在“复旦共識”的基础上，先后形成了“天大行动”和“北京指南”等，目的是主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略[2-4]。军队院校积极响应新工科建设，特别是工科专业主动适应新技术、新装备，军事教育面向战场、面向部队、面向未来。“电磁波与天线”是针对新的人才培养方案开展的专业课程改革与实践的新课程[5]。陆军工程大学通信工程学院“电磁波与天线”课程组为应对新挑战，深化课程改革，推进课程建设与发展，系统设计教学内容，创新教学方法，优化课堂教学设计，取得了较好的成果。本文从新工科背景下的“电磁波与天线”课程教学存在的主要问题、应对策略及效果特色三个方面进行分析与探索。

一、课程教学存在的主要问题

“电磁波与天线”是研究电磁场与电磁波基础理论、天线与电波传播基础知识及其分析方法的一门核心专业课程。在整个课程体系中处于关键地位，是涉及无线电原理和系统知识相关课程的基础，既是先修课程的综合应用，又是后续专业课程的重要支撑。根据笔者多年的授课经验和实际观察，课程教学存在以下五方面问题。

（一）课堂学习效率需提高

早在1978年，我院就开设了“电磁场理论基础”“天线与电波传播”“微波技术基础”等重要的专业基础课程，中国科学院学部委员毕德显院士等老一辈教员深厚的理论功底及严谨的治学态度为课程在全军乃至全国居于领先地位打下了良好的基础;后根据培养层次需要，将后两门课程合为“电波与光波传输技术”;随后，开展了“电磁波与天线”课程的改革与实践，将几门课程合为一门。可见，课程由传统的三门课综合为一门课，且只在一个学期完成以往两个学期的所有课程内容，学员感觉内容多、学时少，因此，需有效利用课堂时间，提高学习效率。

（二）数学、物理基础要夯实

“电磁波与天线”课程依据国家高等教育基本要求，对标院校教学大纲及专业人才培养方案，目标是使学员通过本课程教学，系统掌握电磁场与电磁波的基本概念和基础理论，掌握天线与电波传播的基础知识，具备运用场路分析方法分析电磁场和电磁波典型问题的能力，课程对数学和物理知识要求较高。然而，部分学员“高等数学”“大学物理”等课程学习基础不够扎实，尤其对于多重积分等微积分知识、复变函数知识及涉及电磁基本实验定律、静态场等经典电磁学的知识理解不细和掌握不够，影响了学习的效果。在本专业课程学习时间压缩的情况下，要想强化先修课程的温习效率，需要师生探索新的教学模式和运用新的学习方法。

（三）抽象思维能力要加强

电磁波与天线理论抽象，需要有较强的空间抽象思维能力。从学校历年电子信息工程相关专业学生学习电磁场、电磁波及天线与电波传播内容的反馈来看，多数学生感觉难学的原因，除了公式多、定理多之外，主要是电磁现象不直观、抽象难懂。电磁场理论分析不仅涵盖了物理概念中的空间和时间“3+1”维度，还应考虑到数学形式上的微分积分和瞬时复数表达，相当一部分学生往往被这些抽象概念和复杂公式难住。比如麦克斯韦方程、电磁波极化、天线的辐射机理等内容，复杂的公式分析和烦琐的推导过程背后蕴含的物理机理和电磁现象，往往需要学生具有一定的时空想象能力。当前信息技术发展日新月异，信息化教学为课程实施提供了新的选择，与时俱进、合理运用前沿技术服务教学是课程发展的必然趋势。

（四）网络学习兴趣可拓展

目前的学生大都是00后，接受新事物能力强，大多是网络冲浪者。当前，以中国大学MOOC为代表的公共网络学习平台为教师和学生提供了丰富资源，而且不受时间和空间限制。线上教学具有灵活性和时效性，有利于教师教学能力和学生自学能力的提高。当然，线上教学也对师生提出了新的挑战。一方面，教师需要及时跟踪最新的技术热点，从丰富的网络素材中选取贴合课程内容的资源，及时更新教学内容，提升学生的学习兴趣;另一方面，师生需要学习线上教学的新技能，探索混合式教学模式，做到线上有资源，线下有活动，过程有评估，以保证教学效果。因此，如何利用好网络，使其成为提升学习效率的有效手段和平台，值得思考。

（五）动手实践能力需提升

电磁学理论性强、概念抽象、公式繁杂，传统电磁场基础理论课程在教学中容易忽视学生实践能力的培养提升。而实践教学需要有充分的实验教学条件做保障。根据课程内容体系，“电磁波与天线”课程内容以电磁波为主线，核心是电磁波的传播、电磁波的传输及电磁波的辐射三个部分。要想加强学员对核心内容的理解和掌握，除了传统的基础测试外，还应加强学员的动手实践能力的锻炼和考查，特别是涉及电磁波的传播、传输和辐射机理等验证性实验及典型天线的自主性实验拓展值得深入探索。可见，目前课程重理论、轻实践，学员动手能力有很大的提升空间，应努力改善教学实践条件，打造良好的创新实践平台，培养学员电磁工程素养和科学实践精神。

二、应对策略

针对课程教学存在的问题，课程组积极探寻应对策略，主要从以下三个方面展开。

首先，系统设计教学内容。教学内容既包括理论环节，也包括实践环节。课程包括电磁场理论、天线技术、电波传播及实践环节四个部分，对应基础理论、射频应用、系统环境和动手实践四个层次。课程内容设计包含“理论基础—工程基础—工程应用”三个模块。其中，理论基础模块系统阐述电磁场和电磁波的基本理论和基础知识;工程基础模块包含传输线基础理论和天线基础理论;工程应用模块主要包括典型微波传输线、典型天线和电波传播概述。此外，建立教学内容更新机制，课程组通过定期的集体备课，吸收最新的电磁热点知识和科研学术成果，丰富教学内容。

其次，深化教学方法改革。针对课程教学存在的五个问题，采用以下对策：（1）精心设计授课内容。我们抓住主干核心内容，重在物理机理分析，有效划分重难点内容，讲解区分详略。（2）适时回顾基础理论。强化基础理论的理解，适时增加回顾与复习时间，通过课前问答、随堂小测验等方式，加强数理知识的温习。（3）虚拟仿真模拟现象。精心设計仿真实例，利用HFSS、MATLAB、CST、Mathematica等仿真软件模拟电磁现象，化抽象为具体。（4）积极倡导在线教学。建设SPOC网络平台，学员利用在线教学资源自主学习，教员利用在线资源拓展教学手段，探索“线上低阶+线下高阶”的混合式教学模式，提升教学效果。（5）拓展实践创新能力。引进电磁波与天线综合实验系统，建设天线实验室，将天线实物引进课堂，加大对学员的科创辅导力度，将课题组最新科研学术成果引入课堂，以提升学员的学习兴趣，激发学员的创新动力。

最后，优化课堂教学设计。“电磁波与天线”作为一门核心专业课程，理论内容丰富，应用特色鲜明，在课堂教学实施过程中，应针对基础理论和工程应用内容采用不同的教学方法，根据不同教学内容的特点，精心设计每一堂课的教学。比如采用以下教学设计方法：（1）问题启发式、研讨式教学设计。比如有耗媒质中的均匀平面波、二元天线阵、均匀直线阵的内容引入就可以通过问题启发逐步展开。（2）先易后难、先具体后抽象教学设计。比如镜像法的运用先分析单个点电荷在理想平面地的镜像，再分析在球体、椎体等复杂载体的镜像;而电磁波的极化分析则按照从简单的线极化到复杂的圆极化的过程。（3）逐层分解、类比分析教学设计。比如天线最佳接收理论、弗利斯传输公式推导等教学内容就是采用逐层分解进行分析的方法。（4）注重实践、应用拓展教学设计。比如矩形波导、圆波导与线天线和面天线等典型天线的学习就是以应用拓展为抓手的。（5）类比法的教学设计。比如天线基本辐射元、典型喇叭天线及电磁波传播、传输和辐射分析思路均采用类比的方法，可以提升教学效率，减少授课学时。

三、效果特色

“电磁波与天线”课程组按照专业人才培养的总要求和课程建设标准的具体要求，深入开展教学探索，为满足新的人才培养需求，提升学员综合电磁素养，适应专业发展打下良好的基础。本课程的特色创新主要有以下几方面。

（一）运用虚实结合的教学手段，提升学员电磁素养

针对课程内容抽象、公式繁杂的特点，课程组重视教学内容的可视化形象呈现，培养学员的分析问题能力和空间想象能力，充分调动教员与学员的教与学的积极性。课堂教学采用虚实结合的方法，通过引进便携式可视化电磁场测量仪，形象展示电磁波的传播特性及天线方向特性;同时，利用HFSS、MATLAB、CST、Mathematica等场路分析软件和矩阵数学编程软件制作100多个虚拟演示动画素材和3D模型，直观形象地用动画呈现电磁现象，有助于学员理解复杂的电磁理论知识，激发学员想象，把问题变抽象为形象、变难为易、化繁为简。

（二）融入“如盐入水”的思想政治设计，培养学员家国情怀

教学内容紧贴通信、雷达系统中等涉及电磁技术的新理论、新应用发展现状。课堂内外积极融入名家大师、大国工程、经典案例等丰富的课程思政元素。介绍中国科学家在电磁波与天线领域对世界的贡献，彰显中华民族在科技发展道路上的卓越成就。通过中国“天眼”、北斗卫星导航系统、探月/火星工程、天波和地波超视距雷达工程等国家重大工程的视频，提升学员的民族自豪感，培养其追求卓越的精神。电磁学课程中包含着很多辩证唯物主义的思想，润物无声地向学员传播马克思主义科学理论，起到如盐入水的思想政治效果。同时注意以身边的榜样和典型激励学员奋发向上，弘扬正能量，比如介绍国家最高科学技术奖获得者——我校的钱七虎院士为国铸就最强盾，铸就“地下钢铁长城”的先进事迹，鼓励学员献身国防、建功立业。

（三）完善“分层递进”的培养模式，锻炼学员的实践能力

课程突出培养学员的专业实践能力，构建了电磁仿真模拟平台和微波暗室实测平台，形成不同层次学员创新实践需求的“三位一体”（原理验证、仿真模拟、效能评测）的先进教学条件。探索了“课内夯实基础、课外强化实践”的难度“分层递进”培养模式。为不同基础及不同层次学员在电磁工程创新实践能力培养方面提供差异化需求和手段。充分利用学科优势，提升教学的科学前沿性和工程实用性。相关科研成果已经作为典型的射频案例进入了理论教学课堂，同时作为实践教学的辅助，为提升学员科技创新的实践能力发挥了重要的作用。

結语

新工科理念给高校课程建设指明了新的方向，同时也注入了新的发展动力。“电磁波与天线”作为公认的难教难学的理工科课程，课程教学建设面临着机遇与挑战并存的局面。本文围绕新工科背景下的“电磁波与天线”课程教学的主要问题、应对策略及效果特色三个方面进行了粗浅的探讨，力求提升学生的综合学习能力，培养学生扎实的电磁工程素养，对其他相关课程的教学实施有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]“新工科”建设复旦共识[J].复旦教育论坛，2017，15（2）：27-28.

[2]“新工科”建设行动路线（“天大行动”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[3]新工科建设指南（“北京指南”）[EB/OL].（2017-06-09）[2021-12-30].http：//education.news.cn/2017-06/13/c_129631611.htm.

[4]教育部办公厅.教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知[EB/OL].（2018-03-21）[2021-12-30].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201803/t20180329_331767.html.

[5]曹文权，朱卫刚，邵尉.电磁波与天线[M].北京：清华大学出版社，2022：1-15.

Study on the Course Teaching of Electromagnetic Wave and Antenna under the Background of “Emerging Engineering Education”： Taking the Related Courses in PLA Army Engineering University as Examples

CAO Wen-quan， ZHU Wei-gang， XUE Hong

（Institute of Communication Engineering， PLA Army Engineering University， Nanjing， Jiangsu 210007， China）

Abstract： Electromagnetic Wave and Antenna is a core professional course to study the basic theory of electromagnetic field and electromagnetic wave， the basic knowledge and the analyzing methods of antenna and radio wave propagation， and plays a key role in talent training. In view of the course teaching under the background of “emerging engineering education”， this paper analyzes the shortcomings of this course in five aspects： the classroom learning efficiency， the mathematical physics foundation， the abstract thinking ability， the network learning interest， and the practical ability. Then， the countermeasures are discussed from three aspects： systematically designing teaching contents， deepening the reform of teaching methods， and optimizing classroom teaching design. Finally， it summarizes the effects and the characteristics of the course in teaching means， ideological and political design， and teaching mode. The analysis of course teaching can promote students’ comprehensive learning ability and electromagnetic engineering literacy， and has a certain reference value for the construction of related professional courses.

Key words： Electromagnetic Wave and Antenna; course teaching; “emerging engineering education”