用知识网络图提升微波技术教学效率——以微波传输线为例_贺昌辉.pdf

教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 13 期用知识网络图提升微波技术教学效率以微波传输线为例贺昌辉，黄敏，陈强，张迪，洪亮（空军预警学院，武汉 430019）微波技术课程因概念抽象、理论性强、内容庞杂，历来被公认为是一门难教和难学的“天书”。尽管在教学过程中积极开展了诸如 HPM、CEI、探究式、案例式等多种教学方法1-2，采取了视频、动画、模拟仿真、图片等信息化教学手段，将抽象问题形象化、复杂问题简单化，提高学员学习情趣，便于学员理解和接受，但本课程需要掌握的知识点多，记忆量大，学员的学习难度很大，学习效率仍然很低，那么如何改变这种现象呢？心理学研究表明，要想长久地保持信息，最有效的策略就是对信息进行合理组织，根据知识的内在联系将分散的、孤立的知识建构成一个整体3。上新课时，学员所学的是分散的、孤立的知识点，不能很好地把握知识点之间的内在联系，更不能从整体上掌握本课程的知识架构，致使教学效果不理想。基于此，本文首次以微波技术中微波传输线一章为例，通过知识网络图将微波技术知识点及知识点之间的内在联系简洁直观地展现出来，实践证明，这是一种促进教学的有效工具。构建和运用知识网络图对教员提高教学能力与技巧、构建高效课堂3，对学员理解抽象的概念、理清知识点之间的复杂关系、建立合理的认知结构、提升对知识的同化和迁移能力，都具有十分重要的意义。一知识网络图概述知识网络图是指将所学知识进行整理分类并按照所属关系列在一个知识结构网络图中，是一种图文并茂的思维工具。其用节点表示知识点，用连线和必要的文字说明表示知识点之间的内在联系，又被称为知识结构图。知识网络图能形象直观、有层次地显示章节内的知识结构及知识之间的相互关系。知识网络图有 3 个主要特征。1）主题突出、内容集中。知识网络图不是对所学知识的缩写，不必面面俱到，而是将所学的需要理解和掌握的核心知识点用言简意赅的语言描述出来并绘制在一张图中，是对知识点的提炼和总结，因而知识网络图具有主题突出、内容集中的特征。2）脉络清楚、逻辑性强。知识网络图以零散的知识为依托，以知识间的逻辑关系为线索，是一个线路分明的知识运行图，各个知识点之间循序渐进、环环相扣，逻辑性强，帮助学员形成一个脉络清晰的知识体系。3）图文并茂、简洁明确。知识网络图是用概括的文字、简明的图表、凝练而直观的形式将所学的零碎知识摘要：针对微波技术的教学现状，以微波传输线一章为例，提出构建和运用知识网络图把微波技术知识点简洁直观地展现出来，这对提高教员的教学能力与技巧，对激发学员的学习兴趣、明确知识点间的相互联系、抓住知识的重难点、加深知识的理解和记忆、提升微波技术教学效率，都具有十分重要的意义。关键词：知识网络图；微波技术；教学效率；微波传输线；构建与运用中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：2096-000X（2023）13-0105-04Abstract:In view of the current teaching situation of Microwave Technology,taking the chapter of microwave transmission lineas an example,it is proposed to build and use the knowledge network diagram to show the knowledge points of microwave technologyconcisely and intuitively,which is of great significance to improve the teaching ability and skills of teachers,stimulate studentsinterest in learning,clarify the interrelationship between knowledge points,grasp the key and difficult points of knowledge,deepen theunderstanding and memory of knowledge,and improve the efficiency of Microwave Technology teaching.Keywords:knowledge network diagram;Microwave Technology;teaching efficiency;microwave transmission line;construction andapplication基金项目：国家自然科学基金项目“面向超表面隐身目标探测的 OAM 涡旋波散射特性研究”（62201614）第一作者简介：贺昌辉（1973-），女，汉族，湖北公安人，硕士，副教授。研究方向为电磁场与微波技术的教学和研究。DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2023.13.025105-2023 年 13 期教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education条理化和系统化，形成的是概念和命题，建立的是完整的知识结构，因而知识网络图具有简洁明确、图文并茂的特征。二构建知识网络图构建知识网络图是知识的重组与内化的创造性过程，一般要根据教学目标确定知识点，找出知识主线和过渡语，最后完善知识网络图。（一）罗列知识，构建知识背景根据教学目标，教材中微波传输线的主要内容包括长线与短线，电长度，长线的分布参数效应与分布参数；传输线的等效电路，传输线方程及解的物理意义，传输线的特性参量（特性阻抗、相波长、相移常数和相速度）；输入阻抗的概念、计算及物理意义，z=/2 和 z=/4 传输线输入阻抗的特性及应用，反射系数、驻波比及三者之间的关系；行波、驻波和行驻波状态三种工作状态的产生条件、传输特性及应用；阻抗匹配的概念，阻抗匹配的方法，包括/4 阻抗变换器、宽带/4 阻抗变换器、支节匹配器和渐变线匹配器。（二）厘清主线，构建知识框架厘清知识主线是绘制知识网络图的前提。只有厘清了主线，构建知识网络图才会有条理，知识点才不会被遗漏。微波传输线是用来传输微波能量和信息的，如何最有效地传输微波能量和信息应是本章的中心主题。围绕着这一主题，自然会联想到“微波传输线与低频部分的导线有何区别？该如何分析？”“微波传输线上的电压电流分布有何特点”“怎样才算最有效地传输？”“如何才能做到最有效地传输？”等问题，从而找到了“传输线是长线”“传输线等效电路”“建立传输线方程并求解”“传输线的工作参量”“传输线的工作状态”和“传输线的阻抗匹配”这 6 个部分来构建微波传输线的主线，如图 1 所示。主线为知识网络图搭建了框架，具有很强的逻辑性，为进一步细化知识网络图做准备。图1微波传输线主线（三）寻找过渡语，梳理知识框架过渡语是相邻知识点之间的过渡语言，能将 2 个看似孤立的知识点紧密地联系在一起4，在知识框架中起着承上启下的作用。巧妙地运用过渡语可使知识点之间自然相连、上下贯通、逻辑严谨、浑然一体，可以帮助学员正确理解知识点的内在联系。在微波技术中，要分析传输线上电压电流的传输特性，就需要应用已学过的电路分析中适用于短线的 KCL 和 KVL 定理，而微波传输线属于长线，不能直接运用 KCL 和 KVL 定理。于是，就应将长线化为短线（微分线元），建立长线和短线之间的桥梁传输线上微分线元的等效电路，用已知求解未知，所以在图 1 中知识点“传输线是长线”和“传输线等效电路”之间的过渡语是“长线化为短线，建立微分元上的集中参数电路”。（四）挖掘关系，完善知识网络图知识框架就像一棵大树的树干，所以仅仅构建知识框架是远远不够的，还需要在知识框架的基础上挖掘所有知识点之间的层次关系，以此来需要丰富、发展、完善整体的知识网络图，使其成为一个枝叶繁茂的大树。层次关系可按照横向与纵向结构对知识点进行划分5。1）按照横向结构划分，各知识点之间是一种“兄弟关系”，也就是同级或并列关系。2）按照纵向结构划分，各知识点之间是递进关系，或者是一种“父子关系”。利用知识点的层次关系完善的微波传输线知识网络图如图 2 所示。图中，按照横向结构划分的知识点有输入阻抗 Zin（z）、反射系数 （z）和驻波比；特性阻抗 Z0、相波长p和相速度 p；行波、驻波和行驻波状态等等。如图 1 所示的微波传输线主线则是按照纵向结构划分的知识点。微波传输线就像低频电路中的电线，之所以单独加以研究，主要是因为微波传输线是长线，而电线是短线，长线是分布参数电路，而短线是集中参数电路，微波传输线适合用“路”的方法来分析，即通过建立传输线等效电路，来推导传输线上电压电流的方程并求得其解，进而分析传输线上电压电流的传输特性。由传输线方程的解可知，传输线上电压、电流均以波的形式存在，且任意位置的电压和电流均为入射波和反射波的叠加。由此引入描述传输线上单向波的传输特性的 3 个特性参量和定量描述传输线上反射情况的 3 个工作参量。按照反射情况区分，传输线上存在 3 种工作状态，即行波、驻波和行驻波状态。3 种工作状态的工作特性各有特点，比如行波状态，电压、电流振幅值沿线不变，且电压和电流同向，输入阻抗值沿线不变，处处等于特性阻抗，且呈纯阻性，信号源输入的功率全部被负载吸收，即行波状态最有效地传输功率；驻波状态下，传输线不能传输功率；而行驻波状态传输的功率介于行波状态和驻波状态之间。为使信号源产生的功率全部被负载吸收而不会被反射回来，那么所有传输线都应尽可能工作于行波状态，而产生行波状态的条件是 ZL=Z0，所以如果要将驻波状态和行驻波状态（ZLZ0）调配为行波状态，均需要进行传 传输线是长线 传输线等效电路 建立传输线方程并求解 传输线的阻抗匹配 传输线的工作参量 传输线的工作状态 106-教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 13 期输线的阻抗变换，即将 ZL变为 Z0，这一变换过程称为传输线的阻抗匹配，阻抗匹配的装置很多，如单节和多节/4 阻抗变换器、支节匹配器、渐变线等。由上述分析可知，知识网络图就是一个线路分明的运行图，各个知识点之间循序渐进、环环相扣，帮助学员形成了一个脉络清晰的知识体系，既有助于学员牢固记忆知识，又有利于学员提高知识运用的能力，对提高教学质量，改善教学效果都有很大的帮助。图2微波传输线的知识网络图三知识网络图的作用及效果（一）构建和运用知识网络图，提高了教员教学能力与技巧、丰富了教学手段构建知识网络图，需要教员不断地扩大自己的知识面，对微波技术课程内容要有整体和全面的认识，要有深刻的理解和把握，以便良好地衔接各章节之间的知识，系统地归纳和总结章节内的知识及相互联系，真正构建优质的知识网络图来增加学员对所学知识的接受程度。运用知识网络图教学是一种简约且直观的教学手段，其使课堂上掌握的、纷繁杂乱的知识系统化、结构化、清晰化，能够帮助学员加深理解和记忆，是提升教学效果的有效途径。因此构建和运用知识网络图是提高教员教学能力与技巧、丰富了教学手段，是构建高效课堂的重要手段。（二）构建和运用知识网络图，激发了学员学习兴趣、提高了学员学习效率知识网络图的类型有很多，比如知识树、思维导图、层级图、括号图等，学员很喜欢这样图文并茂的、新颖的教学方式。一个知识点或一句过渡语都会使人豁然开朗；每一个知识点通过线段或图框联系，派生出与其相驻波状态：ZL0，1，。电压、电流振幅沿线周期变化，周期为/2，电压、电流节点值为 0，腹点值为行波振幅的 2 倍。z0 处是电压节点（电流腹点），z/4 处是电压腹点（电流节点）。Zin（z）jZ0tanz。其他驻波状态用延长线法分析行波状态：ZLZ0，0，1电压、电流振幅值沿线不变，输入阻抗值沿线不变 Zin（z）Z0。信号源输入功率全部被负载吸收阻抗匹配：/4 阻抗变换器，多节/4 阻抗变换器，补偿式宽频带/4 阻抗变换器，支节匹配器，渐变线匹配器行驻波状态：ZLZ0、0、jXL，电压、电流振幅值沿线非正弦周期函数，UmaxImaxZ0，UminIminZ0P（z）12UmaxImin1=12UminImax01Zin（z=/2）=ZLZin（z=/4）=Z20/ZLvp=crrZ0=L1/C1，仅与分布参数有关p=2/电长度:l?=l/长线:l?0.1L=ZL-Z0ZL+Z0=Lej0（z）=U-(z)U+(z)=Lej（0-2z）传输线是长线长线化为短线，建立微 分元上的集中参数电路传输线等效电路电路理论 KCL、KVL 等传输线方程高等数学二阶常系数微分方程的解传输线方程的解及其物理意义传输线上的电压电流均为入射波与反射波的叠加定量描述传输线上的反射情况传输线的工作参量电压、电流以波动的形式存在描述电磁波的传播特性3 个特性参量根据反射情况划分传输线的工作状态传输线的工作状态全反射无反射部分反射长线上电压波动明显，是分布参数电路=UmaxUmin=1+1-（1）=RL/Z0（RLZ0）Z0/RL（RLZ0）主传输线呈行波的方法107-2023 年 13 期教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education关联的其他知识，因此，知识点之间的因果关系就会清清楚楚、明明白白。一个图既可以集中教学目标中需要理解和掌握的知识，也可以发散到某个知识点，并能体现其相互关系。知识网络图不仅增强了学员对抽象理论的理解，还培养了学员的逻辑思维能力。一图在手，既重点突出，又全面覆盖，既增强了学员的自信心，又有效地改善了对微波技术课程学习体验6，激发了学员的学习兴趣，从一定意义上来讲，知识网络图就是学习兴趣的“催化剂”，会使学员的学习兴趣倍增，对学好微波技术知识的愿望更强烈。通过知识网络图可以让学员抓住重难点知识，并从整体上把握中心内容，明确各知识点之间的内在联系，加深理解和记忆，将知识融会贯通，从而很大程度上提高了学习效率，增强了教学效果。运用知识网络图，学员需要想清楚知识的来龙去脉，如果不清楚则需要自己去思考，因此知识网络图便于学员自查自纠、查缺补漏，了解自己的学习微波技术的情况，有针对性地解决自己的问题，提高学习效率。构建知识网络图的过程是学员再次理解、加工所学知识的过程。学员在原有知识的基础上，把知识点、概念和理论进行系统地归纳和总结，编织成网，形成准确、清晰的知识网络，做到点、线、面的有机结合，建立自己的认知结构，提升对知识的同化和迁移能力，从而提升教学效果。（三）构建和运用知识网络图的效果分析为了解学员在运用知识网络图授课前后的感受与学习效果，对 2019 级电子对抗指挥班的 32 名学员的学习兴趣、知识点易不易记忆、知识点易不易混乱及自己会不会构建知识网络图 4 个方面进行了问卷调查，分析调查数据如图 3 所示。结果表明，运用知识网络图之后，该班对微波技术感兴趣的学员人数大大增加，由原先的45%提升到了现在的 90%；认为知识容易记忆的学员由原来的 35%上升到了 80%；认为知识点不混乱的学员由原来的 50%上升到了 95%；并有 70%的学员自己会建构知识结构图。可见构建和运用知识网络图不仅激发了学员学习微波技术的兴趣，加深了对知识点的理解和记忆，还加强了构建知识网络图的意识。图3运用知识网络图前后对比四结束语形象直观的知识网络图以零散知识为依托，以知识间的逻辑关系为线索，有效地将有内在联系的、零散的知识点串联起来，形成中心明确、层次分明、前后连贯的系统化和结构化的知识体系。构建和运用知识网络图对提高教员教学能力与技巧，构建高效课堂，培养学员对微波技术的学习兴趣，帮助学员建立合理的认知结构，提升学员对知识的同化和迁移能力，理清知识点之间的逻辑关系，增强对知识点的记忆效果，提高学习成绩，提升教学效果，都发挥十分重要的作用。参考文献：1 姜霞，郑宏心，王莉，等.“新工科”背景下电磁场与微波类课程改革与实践J.机电技术，2021，1（1）：118-120.2 冷毅，贺昌辉，潘英锋，等.微波技术与天线课程多样化教学探讨J.空军预警学院学报，2015，29（3）：221-223.3 潘永志.高三政治复习发挥知识结构图的作用J.课程教育研究，2013，11（1）：61-62.4 刘德光.构建与活用知识结构图 提高教学效果以“城市与城市化”为例J.地理教学，2017，21（1）：27-31.5 屈德宁，杨鹏，孙爱慧，等.知识结构图在 医用生物数学 教学中的应用与实践J.家畜生态学报，2018，34（8）：93-96.6 张东晓.知识结构教学法在理论力学教学中的探索与实践J.洛阳理工学院学报（自然科学版），2017，27（4）：94-96.运用知识网络图前运用知识网络图后学习兴趣知识点容易记忆知识点不混乱自己建构知识网络图70%10%955080359045108-