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期刊类别:纯教育、G4
国际标准刊号 ISSN 2095-3089
国内统一刊号 CN 15-1362/G4
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我刊投稿论文
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2022-07-13 | 所属栏目:我刊投稿论文 | 阅读次数:

   【摘要】依据国家新工科建设与实践的课程建设要求,分析了“天线原理”课程的重要性、特点、主要内容和教学方法,提出课程教学中采用多种虚拟仿真技术开展形象化教学的构想。分析了构建形象化教学平台涉及的虚拟仿真软件特点,与各主要知识点相结合的手段方法。最后通過几个形象化的教学实例证明开展课程形象化教学的可行性。文中提出的教学方法对提高教学效果、提升学生工程实践能力具有参考意义。
  【关键词】形象化教学天线原理虚拟仿真技术
  【基金项目】国家级新工科研究与实践项目《面向新工科的教师跨界发展与评价激励机制研究》(教高厅函【2018】17号);南京航空航天大学2019年教师教学能力提升研究课题:《天线原理》课程形象化互动教学改革探索(1901JF0401)。
   【中图分类号】TN820    【文献标识码】A     【文章编号】2095-3089(2021)11-0024-03
  “天线原理”作为电磁场与微波技术系列课程的核心之一,它是本科专业电子信息类需要涵盖的必修课程[1-2]。它与“电磁场与电磁波”“微波技术”“微波电路”一同构建起电子信息类本科专业的主干课,对构建专业特色和人才培养起着重要的作用[3-4]。
  该门课程建立在电磁理论的基础上,又以应用为目标培养学生较强的动手实践能力,对教师的教学目的和教学方法提出了挑战[5]。从教学内容的角度看,课程涵盖的内容复杂,基础理论涉及面广。课程对工程数学,包括“矢量分析与场论”“微分方程”“特殊函数与数理方程”的基础知识点要求高、跨度大、概念抽象、公式繁琐,,学生不易理解和掌握。课程还需要通过实验和实践加深对知识点的理解和掌握,对后续课程如“通信原理”“雷达原理”“电子对抗”影响颇大,其本身的工程性和实践性要求学习完这门课程的学生掌握一定的工程实践技能。该课程具有理论抽象复杂、公式推导繁琐以及实践体系建设难度大等特点,是当前师生公认的既难教,有难学的必修课之一[6]。
  在日常的教学活动中,传统授课存在的普遍问题是教学中信息的传递往往是单向的,或者以知识的单向传授为主。根据心理学的研究,学生通过课程中将视觉、知觉获取的信息进行理解加工,会追求事物完整结构整体或者形象化的特点[7]。而在传统教学中,静态的、理论的知识要点的不断推导和切换,使得学生的视觉感知过程不断地被切换,思维的完整性缺失,抽象思维能力被削弱。这一点在“天线原理”课程教学中体现得尤为明显,不同于传统的静态电磁场,教学知识点往往针对麦克斯韦方程组的时变电磁场理论展开讨论。理论公式和静态的电磁特性往往很难帮助学生将感性认知和理性认识快速联系统一起来。因此,在教学过程中需要借助丰富的多媒体手段,引导学生从感性认知到抽象认知的领域中,潜移默化地将教师设计的形象化元素转化为逻辑且理性的抽象概念知识。在天线原理形象化教学的摸索阶段,我们采用传统的教学手段和多媒体形象教学相协作的方式,以学生理解能力提升、创新能力培养为目标,深入分析“天线原理”课程的特点,通过形象化的教学和针对天线仿真项目的教与学的互动,获得了良好的教学效果。
  1.虚拟仿真技术构建形象化教学平台
  MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于数据分析、无线通信、深度学习、图像处理与计算机视觉、信号处理、量化金融与风险管理、机器人,控制系统等领域,在电子通信领域应用广泛[8]。在“天线原理”课程教学中引入形象化教学,能将难理解的时变电磁方程形象化表示,让学生从复杂的数学推导和公式理解中解放出来,有利于基本概念的理解和专业知识的掌握。该软件对于天线特性参数形象化的理解具有重要的辅助作用。
  CST和HFSS均为当前天线设计工程师常用的三维电磁场仿真软件。利用CST Microwave Studio工作室套装以及ANSYS公司旗下的HFSS软件均可以精确地计算天线参量,如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽;绘制极化特性,包括球形场分量、圆极化场分量、第三定义场分量和轴比。以项目驱动为指导,在各种类型天线的教学中,通过指导学生对各类天线仿真,掌握电磁仿真软件,不但有利于高校学生更加深刻地理解各类天线的基本原理,还可以在教学中融入行业内企业、高校及研究所的技术需求,提高学生的市场竞争力。
  各类虚拟仿真软件构建起来的形象化教学案例最终需要通过普通的Web浏览器方便师生浏览使用,才能达到进行便捷的形象化教学的目的。利用Java语言开发教育技术虚拟网络课程,是目前较为实用和应用广泛的手段之一。它在开展形象化教学过程中,具有诸多特点和优势。首先,它具有容易实施和开展的优势,对于开发一些简单的三维交互动画,根本不需要了解任何编程语言知识。其次,从三维建模方式的比较来看,Java可以提供的方式灵活多样,支持程序建模方式,使得三维建模知识缺乏或美术基础薄弱的教师能够进行专业级的建模。再次,模型的数据量相对较小,界面美观。最后,流程开发简单易学,可以通过三维建模、交互设计、界面设计开发实现。Java语言在课程形象化教学中的应用为2020年新冠病毒流行期间,开展线上线下一体化教学提供了便捷。
  2.天线辐射性能和基本参数的形象化
  在介绍天线的辐射方向图时,需要交代方向图的主轴、主瓣、旁瓣、后瓣、零点、半功率波束宽度、零功率波束宽度、旁瓣电平等概念。学生对于二维、三维天线辐射方向图的整体形态把握,抽象概念和感观认识之间缺乏生动联系。通过Matlab对天线的辐射方向图进行仿真,可以让原本难以联系的知识点展现形象化的匹配。通过程序设置让天线的辐射方向图在二维和三维之间方便地切换,使教师和学习者对方向图相关概念的理解更加直观,促进学生对理论知识的掌握。
  在介绍天线辐射机理的教学过程中,需要从偶极子臂上的电流分布特点出发,总结归纳天线的谐振长度和工作频率之间的关系,找到不同电尺寸条件下,天线的辐射场型的特点,这在传统教学中是非常抽象的。通过Matlab编写相关程序,再利用Java构建多媒体交互界面,就可以生动形象地展现不同电尺寸条件下,偶极子天线辐射场型的变化。如图1所示,偶极子天线的电尺寸从1倍波长变化到1.5倍波长时,天线臂上的电流反向,导致主瓣分裂。这样在互动网页上进行教学,可以产生较强的感官刺激,通过动图的展现,加深学生对知识点的理解和掌握。

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