问题情景教学在“微波电子线路”课程中的实践探讨

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  摘要:微波电子线路广泛应用于雷达、对抗、通信等现代电子设备中。作为一门综合性、实践性较强的专业基础类必修课程,要适应现代电子技术的飞速发展,以及培养信息化条件下高素质和创新型人才的需要,就必须不断地在教学模式、内容和方法上进行同步改革。为了使学生牢固掌握微波电路的基本原理和分析方法,在把握课程内容与特点的基础上,根据不同教学内容恰当运用问题情景教学,充分发挥学生的能动性,逐步提高其发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力,从而达到主动学习的目的,实现了教与学的统一。
  关键词:问题情景教学;微波电子线路;教学方法
  作者简介:彭芳(1973-),女,湖南长沙人,空军工程大学工程学院,讲师;吴军(1972-),男,湖南长沙人,空军工程大学工程学院,副教授。(陕西 西安 710038)
  中图分类号:G642.3     文献标识码:A     文章编号:1007-0079(2011)26-0090-02
  
  当今是电子信息时代,随着航空、航天、雷达、导航、遥感探测、移动通信、超大规模集成电路、超高速计算机技术等的蓬勃发展,微波电子系统广泛应用于军事、国民经济和日常生活的各个领域。当工作频率达到微波波段时,由于电路分布参数的影响,基尔霍夫定律分析方法已经失效,电磁波能量的传输居于主导地位,在电路结构组成和元器件性能上与低频系统大不相同,“微波电子线路”课程正是针对微波波段电子线路的组成、元器件的选用、电路性能的分析、功能部件的设计等诸多问题而设置的。[1]
  众所周知,麦克斯韦方程是射频/微波的基本理论,对麦克斯韦方程方程的求解或数值计算是实现微波电路的基本方法,因而多年来微波电路给人们的印象是抽象的概念和繁琐的公式。因此,“微波电子线路”作为一门综合性、实践性较强的专业基础类必修课,要形象直观、简单明了地让学生掌握各种微波有源器件与微波电路的基本原理和微波网络分析方法,就必须在教学方法上进行改进,进而为学员后续相关专业课程的学习打牢理论基础。
  一、“微波电子线路”课程的内容与特点
  微波电子线路是指微波系统中各种功能模块的元器件和电路结构,也称为微波有源电路,它是接收机和发射机的基本组成部件,是决定各类微波系统性能的关键。[1]其研究对象包括各种微波半导体器件、微波电真空器件,以及微波电路线路中的基本功能模块,如微波混频器、微波放大器、微波振荡器和微波控制电路等。通过该课程的学习,力求使学员在了解微波固态器件的工作原理和性能参数的基础上,深刻理解由半导体器件所构成的各种微波固态电路的基本工作原理,掌握电路的基本分析方法,能够运用ADS软件对某些功能模块如微波放大器、振荡器等进行简单设计;在大功率微波振荡和放大中常用微波电真空器件取代半导体器件,因此在深刻理解静电控制理论、微波动态控制理论的基础上,还需要掌握各种常用微波电真空器件的基本结构、工作原理、日常使用和维护特点。
  “微波电子线路”课程的内容设置主要有以下几个特点:[2]
  (1)对于有源电路,采用微波网络方法和分布参数概念是行之有效的方法。工程中能够用场论精确求解或能进行数值计算的问题极其有限,而网络分析法中散射参数概念清楚,不涉及电路内部的电磁场结构,利用等效电路对波能量的传输和反射概念,能够方便解决微波领域中的问题。
  (2)微波电子线路仍然用到半导体知识、信号分析,这些都是模拟电路或高频电路的知识向微波领域的扩展,只是频率的提高,在高频中无需考虑的趋肤效应、引线电感和杂散电容的作用、电子的渡越时间等因素在微波中不能忽略,这是因为相应半导体器件的结构和原理有很大不同。
  (3)将理论教学和实验教学相结合,充实设计性实验内容,激发学员的学习热情;同时引入与课程内容紧密相关的装备应用素材,增加了信息量,使课题教学与装备维护紧密结合,以便培养学员的工程实践能力和综合分析能力。
  在学习微波电子线路之前,必须具备“电磁场与波”、“微波技术基础”等相关基础理论知识。然而,这些基础课程涉及的内容由于概念抽象、理论性很强且公式繁多,学员的理论基础不太扎实,所以在学习这门课程前信心不足。如何引导学生学好该课程?根据“微波电子线路”课程的特点,结合学员前期所学知识的掌握情况,确定主要教学思路:给出电路的指标定义,简化公式的推导环节,交代清楚结论的物理概念,举例说明使用方法和设计过程,强调电路设计中的要领。通过把问题情景教学带入到课堂中,精心设计与教学内容密切相关的一系列问题,引导学生在课堂上主动思考,并结合微波电子线路在现役装备中的使用和维护情况,使学生的学习积极性明显提高,在掌握基本理论的同时,也培养了其分析问题、解决问题的能力。
  二、问题情景教学的基本理论
  问题情景教学是以杜威为代表的进步教育派提出来的一个专门名词,这种教学模式注重教学活动中的问题发现及解决,并认为对每个问题进行反省的思维活动都要经历情景→问题→占有资料→假设→检验五个步骤,它表明首先要给学生设置一种能发生疑问的情景,以引起其思考,再通过占有一定的资料提出自己解决问题的方法,最后去验证自己的想法,在实际教学中通常称为“五步教学法”。这种教学活动的优势在于使学生主动活动、积极思考、调动学习兴趣,但是主观意识较强,难以保证教学效果。
  当前对培养创新型人才的迫切需要使得一些教育家、教师在五步教学法的基础上强调系统知识的学习和教师的作用,这就是布鲁纳所倡导的发现法,它是一种以问题解决为中心,注重学生独立活动,着眼于创造性思维能力和意志力培养的教学模式。在以解决问题为中心的教学中,要求教师语言精炼,如果教师发言次数多,不断地讲些零零碎碎的片断知识,就很难促使学生去思考,在这种情况下学生的回答也是片断的、散漫的,不愿意将知识作一番逻辑整理,只期望教师给予现成的知识。为了改变这种状态,发现式教学运用了教学论的方式,刻意地为学生创设一个有困难问题的情景,使学习者产生想解决这一认识上困难的要求,从而去认真思考所要研究的问题,如果提出的认识困难能吸引学生去独立地运用各种思维操作,就说明这种问题的情景已形成。随着问题情景的产生,学生在教师引导下要能提出各种解决问题的可能方案,作出认识上的结论,使问题情景转变为解决问题情景的“突然顿悟”。它采用的基本程序是:问题→假设→验证→总结提高。
  问题情景的创设既可以从新旧教材的联系方面引进,也可以从学生的日常经验中导入。在设“障”立“疑”方面最重要的是善于提出挑战性的问题,使学生于无疑处有疑,通常每节课都应伴随一个情景,从中引出矛盾,提出典型问题,从而使学生根据教材内容产生学习动机。目前常用的方法主要有以下几种:[3](1)鲜明对比、制造矛盾。在教学过程中,教师把先后出现的两种性质相似或不同的对象进行对比,能使学生对事物进行仔细观察分析,使认识更为深化。(2)激发疑惑、出乎意料。教学中教师提出问题也即设疑,应能够引起学生积极的思维活动。例如:问题一经提出,学生马上活跃起来,觉得问题十分新奇,但要回答这个问题,不仅要懂得文字的表面,还要理解里面的实质,这就把学生引入积极思考,认真学习的境地。(3)提出一些答案不唯一的问题,让学生处于必须作出决定的情景之中。
  三、问题情景教学在“微波电子线路”课程中的具体运用
  在“微波电子线路”这门课中,微波晶体管放大器的噪声系数是一个较难掌握的知识点,公式推导起来复杂、引入的参数较多,且概念抽象,但是对处于接收机前端的低噪声放大器而言,噪声系数又是一个非常重要的性能参数,因为放大器的噪声系数的大小影响着整机的噪声性能,因此,噪声系数与哪些参数有关,以及在放大器的低噪声设计中如何选择信源反射系数等都是学生必须掌握的重点内容。根据课本内容的设置,一般按照有源二端口网络的噪声系数公式的推导→用反射系数表征噪声系数→噪声系数的图解法(史密斯圆图上描述噪声系数随有关参量的变化)这样的顺序讲解。这种灌输式学习的方式、枯燥的公式推导、所引入噪声参量概念的抽象性,以及不清楚所得结论在工程中有什么用处,最终导致学生没有主动学习的欲望,对重难点内容的掌握也无从谈起。
  因此,在“教”与“学”的交互过程中,要调动学生的积极性,培养浓厚的学习兴趣,就必须精心设计好每一个问题情景,并将之贯穿于整个课堂教学的始终。
  首先,由上次课所学内容与本次课内容的关联性,恰当地引出问题,以强调分析研究的必要性。比如,由微波晶体管放大器的增益和稳定性等前期所学内容入手,引出问题:为什么要分析放大器的噪声系数?让学生们简短地展开讨论,讨论过程中注意引导启发,然后进行总结:由于放大器应用的场合不同,考虑指标的侧重点也不同。比如:在雷达发射机末端的功率放大器,需要着重考虑增益和稳定性;但是对处于雷达接收机前端的高频放大器而言,由于它要将来自天线的微弱射频信号进行放大,光考虑增益和稳定性还不够,还需要有尽可能低的噪声系数,否则会降低接收机的灵敏度,使雷达作用距离下降,为此常采用低噪声放大器。
  其次,为使学生明了所学知识有何用处,精心设置一个问题情景,以强调所学知识的实用性。本次课将重点放在低噪声放大器的设计上,即抛出问题:给出一个微波场效应晶体管的四个S参数和三个噪声参量,如何设计一个噪声系数为2dB的低噪声放大器?通过这个工程应用中的常见问题,引导学生接着思考:噪声系数与三个噪声参量有什么样的关系?如何去选择信源阻抗,使得放大器满足2dB这个性能指标?所以由一个低噪声放大器的设计问题入手,容易联想到后面的一些教学步骤:先推导出噪声系数的公式,然后引出图解法得到相关的结论,最后再利用这些结论来指导该类放大器的设计。在随后的教学过程中,通过着重于解决问题的思路、简化繁琐的数学推导过程、重点分析结论的物理意义,充分体现出将有用结论如何应用于实际,以指导设计。
  最后,构设几个小问题将各个内容之间进行有机的衔接,使得起承转合更加自然,实际上也是加强了与学生的互动,因为恰当的设疑促进学生有了更为活跃的思维活动。如在推导有源二端口网络噪声系数的一般表达式之前,把前面介绍的微波双极晶体管和微波场效应晶体管的最小噪声系数公式写出来,给学生提问:“为什么不能用这两个公式来解决这个实际问题,它们有什么样的局限性?”使学生知道前面所学尚不能解决这堂课给出的问题。又比如:在推导出用反射系数表征的噪声系数公式后,让学生思考这个公式有什么用途,对指导我们设计放大器有怎样的帮助?要更加简便、直观地得到噪声系数与信源反射系数的关系,有没有更好的途径?等等。提出的问题要难易适度,这样学员在已有知识和经验的范畴之内,能够产生愿意思考的积极态度。通过与学生互动的环节,使他们加深了对课本知识的理解,了解了所学知识能用在什么地方,这样更加有兴趣有自信学好这门课程。
  以上是问题情景教学在某次“微波电子线路”课上的具体运用举例,通过与学生们的课后交流,以及从平时的课堂表现,考试成绩等各方面综合来看,这种教学方法能明显活跃课堂的气氛,促使学生主动思考,对重难点内容也能更为轻松牢固地掌握,达到了较好的教学效果。事实上,在学生意识中创设探究问题情境以启发其积极思维的教学方法,均称为问题情景教学,创设问题情景的方式是多种多样的,而且应该贯彻教学的始终。
  四、结语
  布鲁纳指出:“人在进行工作时作出选择的探索活动得以激起的主要条件,在于具有最适度的不确定性,好奇心是对不确定性或模棱两可情况的一种反应。”因此,教学中设置问题情景、悬念等是引起学生对理性思维尝试的一种良好方法。情景本身只是一种教学手段,而不是教学目的,它的设置取决于教师运用一定系统的方式、方法和手段,使学生处于智力探索的情境中,激发他们进行一定的智力操作,从而导致独立地掌握新的知识本质或活动的方式。在教学中是不是需要设置情景,以及设置怎样的情景,以什么样的形式出现等,都必须根据教材特点和教学目的的要求决定。[4]
  总之,问题情景教学是重要的启发教学的方法,学会发现问题、提出问题、分析问题和解决问题对于做好教学工作意义重大。而要培养学生的这些能力,就必须把问题带进课堂,在学生意识中创设探究问题的情景,以激发学生积极地思维。
  
  参考文献:
  [1]徐宝强.微波电子线路[M].北京:国防工业出版社,2006.
  [2]雷振亚.微波电子线路[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009.
  [3]李维.课堂教学技能[M].贵阳:贵州人民出版社,1988.
  [4]龙玉华,张洪.高等数学课堂问题情景式教学浅析[J].科技创新导报,2009,(29).
  [5]谢泽明.“射频电路与天线”课程研究性教学[J].电气电子教学学报,2009,(5).
  (责任编辑:刘辉)
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