毛煜茹 楊志良 孫鵬 姚金杰

［摘 要］ “微波技術(shù)與天線”課程是信息對(duì)抗技術(shù)類(lèi)大學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)、能力達(dá)成矩陣中的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的過(guò)程中具有重要的理論支撐作用。針對(duì)課程教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的難教難學(xué)問(wèn)題，探索教學(xué)方法的改革。采用多樣化的教學(xué)方式，在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)引入案例教學(xué)法以及課堂主題討論法；在原有驗(yàn)證性微波實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加電磁模擬仿真實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，建立微波仿真平臺(tái)、開(kāi)設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)等，將電磁仿真軟件如Ansys HFSS引入“微波技術(shù)與天線”課程的實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索的能力。通過(guò)一系列的教改措施，幫助學(xué)生靈活掌握專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，提升其分析、解決信息對(duì)抗技術(shù)領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

［關(guān)鍵詞］ 微波技術(shù)與天線；教學(xué)改革；案例教學(xué)；電磁仿真

［基金項(xiàng)目］ 2021年度中北大學(xué)高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“工程教育認(rèn)證背景下《微波技術(shù)與天線》教學(xué)改革與實(shí)踐”（2021132）；2021年度山西省教育廳高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“基于OBE理念的《微波技術(shù)與天線》課程教學(xué)設(shè)計(jì)”（J2021397）

［作者簡(jiǎn)介］ 毛煜茹（1984—），女，山西晉城人，博士，中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事微波技術(shù)、天線工程研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）16-0060-04［收稿日期］ 2022-05-10

引言

“微波技術(shù)與天線”課程是信息對(duì)抗技術(shù)類(lèi)大學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是一門(mén)理論性和工程性并重的基礎(chǔ)課程［1-2］，其主要教學(xué)內(nèi)容包括微波技術(shù)基礎(chǔ)及天線基本理論兩部分，其中微波技術(shù)基礎(chǔ)部分主要涉及的內(nèi)容有微波傳輸線、微波元件、微波網(wǎng)絡(luò)等，天線基本理論部分的主要內(nèi)容有天線的基本原理及特性分析。該課程的培養(yǎng)目標(biāo)主要如下：使學(xué)生掌握微波傳輸線、微波元件、微波網(wǎng)絡(luò)、天線的基本結(jié)構(gòu)及原理；應(yīng)用理論知識(shí)對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題中的多種方案進(jìn)行分析和選擇，并說(shuō)明其合理性；能夠根據(jù)用戶的特定需求確定方案，設(shè)計(jì)相關(guān)的微波電路、微波系統(tǒng)、天線系統(tǒng)，解決專(zhuān)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題。上述課程目標(biāo)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生具備分析、解決復(fù)雜電磁工程問(wèn)題的能力具有重要的作用，為學(xué)生從事微波電路設(shè)計(jì)、微波系統(tǒng)的研發(fā)制造等工作儲(chǔ)備工程知識(shí)。然而，“微波技術(shù)與天線”課程涉及的知識(shí)面比較廣，包括電磁場(chǎng)理論、電路基礎(chǔ)、微波技術(shù)基礎(chǔ)及天線基本理論［3-5］，要掌握這門(mén)課程，需要非常扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，如物理學(xué)、高等數(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法等相關(guān)知識(shí)，學(xué)生恰恰對(duì)這些學(xué)科的知識(shí)掌握不扎實(shí)，對(duì)所要學(xué)習(xí)的微波知識(shí)缺乏正確的認(rèn)識(shí)，無(wú)法理解其抽象的應(yīng)用場(chǎng)景，在學(xué)習(xí)該課程時(shí)會(huì)感到吃力，理解不透徹，無(wú)法有效掌握該課程的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)習(xí)積極性不高。

一、“微波技術(shù)與天線”課程教學(xué)存在的問(wèn)題

第一，學(xué)生在通識(shí)課程體系中已經(jīng)完成“高等數(shù)學(xué)”“電磁場(chǎng)與電磁波”和“大學(xué)物理”等先修課程的學(xué)習(xí)，為“微波技術(shù)與天線”課程的學(xué)習(xí)儲(chǔ)備了基礎(chǔ)知識(shí)，但由于學(xué)時(shí)和學(xué)分的影響，并沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置“數(shù)學(xué)物理方法”課程，而是將其知識(shí)點(diǎn)穿插在其他課程中講授，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法系統(tǒng)地學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)物理方法，影響其掌握“微波技術(shù)與天線”這一課程。另外，“微波技術(shù)與天線”的大部分理論內(nèi)容繼承自“電磁場(chǎng)理論”課程，所以“微波技術(shù)與天線”課程難度更大，學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)物理知識(shí)和電磁場(chǎng)理論去理解、掌握微波理論以及解決微波工程問(wèn)題不夠熟練。

第二，“微波技術(shù)與天線”課程公式繁雜，具有很強(qiáng)的抽象性和理論性。微波問(wèn)題必須用麥克斯韋方程和邊界條件加以解決，從而得到求解域的電磁場(chǎng)分布，這種方法為“場(chǎng)”方法。然而，作為偏微分方程組的麥克斯韋方程求解難度大，需要找出第二種研究方法解決微波問(wèn)題，即“路”的方法，將“場(chǎng)”方法等效為“路”方法，化“場(chǎng)”為“路”。使低頻電路里的電壓、電流和阻抗參數(shù)與微波電磁理論里的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波阻抗參數(shù)等效，這些概念上的等效給初學(xué)者帶來(lái)了較多的困惑。以傳輸線為例，傳輸線理論利用“路”方法分析了微波傳輸線的特性，得出了很多有用的結(jié)論，而導(dǎo)波系統(tǒng)則采用了“場(chǎng)”方法求解波導(dǎo)傳輸線的場(chǎng)分布，很多學(xué)生對(duì)傳輸線理論得出的結(jié)論是否適用于導(dǎo)波系統(tǒng)存在疑問(wèn)，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生無(wú)法清晰地建立物理概念，無(wú)法靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。

第三，“微波技術(shù)與天線”課程有很多結(jié)論、經(jīng)驗(yàn)公式是從實(shí)踐中得來(lái)的，具有很強(qiáng)的理論性和工程性。課程中的所有內(nèi)容都可以用來(lái)解決實(shí)際電磁工程問(wèn)題，課程所涉及的傳輸線如波導(dǎo)、同軸線、微帶線，常用微波元器件以及天線都是實(shí)際電磁系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)微波部件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，而教學(xué)中主要偏重理論教學(xué)，講授重要的概念及其原理，實(shí)踐教學(xué)的比重較低。“微波技術(shù)與天線”主要為實(shí)際的工程設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用服務(wù)，根據(jù)調(diào)研，學(xué)生對(duì)該課程的背景了解不足，更不清楚該課程的具體應(yīng)用方向以及能夠解決什么樣的工程問(wèn)題，只是在教師的要求下被動(dòng)學(xué)習(xí)，缺乏積極主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情。例如，微波技術(shù)中常用的矩形波導(dǎo)、環(huán)形器、定向耦合器和諧振器等微波元件，學(xué)生無(wú)法想象其具體的應(yīng)用場(chǎng)景，而且由于教學(xué)資源有限，只能展示三維圖片或者仿真模型，無(wú)法為學(xué)生提供具體的實(shí)物展示，實(shí)踐與理論脫離，學(xué)生缺少設(shè)計(jì)微波元器件的條件，很難將理論知識(shí)與實(shí)際的工程應(yīng)用靈活結(jié)合，缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性，影響整個(gè)課程的學(xué)習(xí)。

總之，學(xué)生在學(xué)習(xí)“微波技術(shù)與天線”課程時(shí)，缺乏積極性，學(xué)習(xí)質(zhì)量不高，重要知識(shí)點(diǎn)難以靈活掌握，迫切需要對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行改革。

二、課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

（一）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)方式多樣化

合理利用學(xué)生的課下時(shí)間，課前給學(xué)生布置任務(wù)，將課堂上會(huì)用到的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)以作業(yè)的形式在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)上布置，教師能夠及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。正式上課前，先布置預(yù)習(xí)思考題，課程結(jié)束后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)對(duì)布置的思考題進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。比如，在學(xué)習(xí)傳輸線理論中的電報(bào)方程時(shí)，提前在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)讓學(xué)生復(fù)習(xí)均勻平面波的波動(dòng)方程，課程完成后布置測(cè)試題目，對(duì)比均勻平面波的波動(dòng)方程與無(wú)耗微波傳輸線的傳輸方程的異同，將電磁場(chǎng)理論中學(xué)到的基礎(chǔ)知識(shí)靈活應(yīng)用于均勻傳輸線的特性分析，將前后知識(shí)統(tǒng)一起來(lái)，這樣不僅能夠幫助學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。為了讓學(xué)生掌握這門(mén)課程的重要知識(shí)點(diǎn)，教師通過(guò)移動(dòng)終端向?qū)W生推送簡(jiǎn)短的教學(xué)視頻和教學(xué)文檔，這些教學(xué)視頻的時(shí)常通常為5～8分鐘，每個(gè)視頻和文檔都包含一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生利用碎片化時(shí)間就可以將課堂上講過(guò)的重點(diǎn)和難點(diǎn)重新復(fù)習(xí)一遍，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與學(xué)生進(jìn)行交流，及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。

為提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，利用多媒體授課與板書(shū)相結(jié)合的方式進(jìn)行課堂教學(xué)。教材中關(guān)于均勻無(wú)耗傳輸線的幾種工作狀態(tài)、波導(dǎo)傳輸線中的電磁場(chǎng)、電流的動(dòng)態(tài)分布等內(nèi)容對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)比較抽象，難以想象和理解，可利用動(dòng)畫(huà)演示傳輸線上電壓、電流的變化，以及波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)、電流的變化，使復(fù)雜的理論變得直觀、易理解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在理論教學(xué)環(huán)節(jié)，如果教師單獨(dú)教授，學(xué)生容易產(chǎn)生疲勞感并降低學(xué)習(xí)的積極性，也不容易集中注意力。為了解決這種情況，可采用課堂主題討論法、教師講授、學(xué)生做報(bào)告等多種教學(xué)方式相結(jié)合的方式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。例如，為了活躍課堂氣氛，集中學(xué)生注意力，可以利用微助教、學(xué)習(xí)通或者云課堂等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，組織學(xué)生分組討論和回答問(wèn)題，提升每位學(xué)生的課堂參與度。同時(shí)，教師也要不斷更新多媒體課件，對(duì)抽象的理論知識(shí)點(diǎn)用更容易理解、更加生動(dòng)的PPT或動(dòng)畫(huà)進(jìn)行展示，這就要求教師要不斷提升業(yè)務(wù)能力，注重個(gè)人知識(shí)的積累。

（二）增加案例教學(xué)

在教學(xué)過(guò)程中提高案例教學(xué)法的比例，合理安排教學(xué)內(nèi)容，教師設(shè)計(jì)教學(xué)案例，通過(guò)案例展示重點(diǎn)和難點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)，通過(guò)講解微波技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。

在講微波傳輸線理論時(shí)，學(xué)生會(huì)提出疑問(wèn)：“這里的傳輸線和低頻電路里的銅導(dǎo)線有什么區(qū)別？為什么微波不能用銅導(dǎo)線進(jìn)行傳輸？”對(duì)此可以設(shè)計(jì)一個(gè)案例，微波傳輸最明顯的特征是微波傳輸線，在低頻電路中，電路幾乎均勻地分布在導(dǎo)線內(nèi)，當(dāng)頻率升高導(dǎo)致集膚效應(yīng)出現(xiàn)，導(dǎo)體中的電流、電荷和場(chǎng)都集中在導(dǎo)體表面。和直流信號(hào)2 mm的導(dǎo)線半徑相比，在相同的導(dǎo)線損耗情況下，微波信號(hào)頻率為10 GHz時(shí)導(dǎo)線半徑在3 m左右，而相同的線徑微波信號(hào)的損耗將增加1 500倍，所以微波信號(hào)必須有自己的傳輸線，即微波傳輸線，如雙導(dǎo)線、同軸線等，這就是微波不能用普通的電線進(jìn)行傳輸?shù)脑颉?/p>

在講到矩形波導(dǎo)TE10波內(nèi)壁電流分布和電磁場(chǎng)分布時(shí)，可以引入波導(dǎo)測(cè)量線和波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計(jì)案例，這兩種元件都是微波工程中常用的元器件，相同之處都是在波導(dǎo)壁上開(kāi)縫形成的，但是設(shè)計(jì)原理卻有本質(zhì)區(qū)別。波導(dǎo)測(cè)量線在波導(dǎo)壁上開(kāi)縫的原則是不切割電流，不破壞波導(dǎo)壁上電流的流動(dòng)路徑，而波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計(jì)原則是必須切割電流，阻斷電流的流動(dòng)路徑，才能向外輻射電磁波，在波導(dǎo)中凡是切斷電流都要引起輻射和損耗。通過(guò)這樣的案例設(shè)計(jì)和分析，使理論基礎(chǔ)與實(shí)踐設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還能將知識(shí)融入實(shí)際工程設(shè)計(jì)，為以后的微波設(shè)計(jì)工作打牢基礎(chǔ)。

在講到天線理論時(shí)，可以設(shè)置專(zhuān)題討論環(huán)節(jié)，對(duì)當(dāng)下的研究熱點(diǎn)5 G及6 G通信中MIMO天線技術(shù)進(jìn)行探討。教師結(jié)合自己的研究方向，向?qū)W生介紹目前天線技術(shù)的研究方向和熱點(diǎn)，例如基于人工電磁材料的天線技術(shù)，5 G及6 G通信中MIMO天線的技術(shù)探討，智能超表面技術(shù)在5 G通信中的應(yīng)用等，在課堂上展示科研成果，學(xué)生可以直觀感受什么是人工電磁材料，什么是天線，兩者如何組合在一起實(shí)現(xiàn)功能的增強(qiáng)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到學(xué)好這門(mén)課程的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（三）建立微波技術(shù)仿真平臺(tái)，開(kāi)設(shè)電磁仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)踐教學(xué)是使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的有效方式，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力以及分析、解決問(wèn)題的能力。本課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)大多屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)操作波導(dǎo)測(cè)量線，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而加深對(duì)理論知識(shí)的理解，掌握微波器件的工作原理。然而，學(xué)生缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法滿足工程化教學(xué)的要求。

通過(guò)構(gòu)建基于HFSS的微波技術(shù)仿真平臺(tái)，將HFSS仿真實(shí)例引入課程的實(shí)踐教學(xué)，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)的理解。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加基于電磁仿真軟件的微波元件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)利用HFSS對(duì)微波元件及微帶天線進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真，從理論設(shè)計(jì)到模型建立再到結(jié)果分析，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索的能力，培養(yǎng)了其實(shí)踐創(chuàng)新能力，為學(xué)生日后從事微波設(shè)計(jì)工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。要順利進(jìn)行基于HFSS的仿真實(shí)驗(yàn)，教師會(huì)利用2個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間進(jìn)行HFSS軟件的學(xué)習(xí)教學(xué)，讓學(xué)生掌握基本操作。這些仿真實(shí)驗(yàn)可以是教材中常用的微波元件的設(shè)計(jì)，如驗(yàn)證魔T元件的一般性質(zhì)的驗(yàn)證，學(xué)生可以在建模、仿真及結(jié)果分析等過(guò)程中掌握魔T的基本參數(shù)及其具體用途。天線的基本理論部分內(nèi)容比較抽象，數(shù)學(xué)公式很多，內(nèi)容枯燥乏味，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，對(duì)此可以引入一些簡(jiǎn)單天線的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，如電偶極子天線的設(shè)計(jì)和仿真，通過(guò)仿真軟件可以直觀感受天線的二維方向圖和三維方向圖，這樣更容易接受天線理論的學(xué)習(xí)，提高其學(xué)習(xí)興趣。另外，教師可根據(jù)自己的研究方向和科研項(xiàng)目設(shè)置一些子課題，組織和鼓勵(lì)學(xué)生參與項(xiàng)目研究，將理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，提高學(xué)生自主設(shè)計(jì)和調(diào)試的能力。

（四）考核方式的改革

“微波技術(shù)與天線”課程以往的考核方式為理論知識(shí)點(diǎn)的閉卷考試成績(jī)、課后作業(yè)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)的加權(quán)之和，這種考核方式無(wú)法合理反映學(xué)生對(duì)課程的掌握程度。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)僅為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，只體現(xiàn)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力以及對(duì)一些實(shí)際工程問(wèn)題中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)的處理能力，并不能體現(xiàn)對(duì)微波電路、微波系統(tǒng)、天線系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)能力以及學(xué)生自主探索的能力。因此，在原來(lái)考試和平時(shí)考核方法的基礎(chǔ)上，改為以畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求和模式進(jìn)行考核，即在學(xué)期初給出題目及設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，課程結(jié)束后進(jìn)行設(shè)計(jì)答辯，整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)貫穿整個(gè)學(xué)期，其中，考核的內(nèi)容主要為微波元件的設(shè)計(jì)及仿真、微帶天線的設(shè)計(jì)及仿真，為其畢業(yè)設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)和實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析“微波技術(shù)與天線”課程教學(xué)目前存在的問(wèn)題，提出了一些教學(xué)改革方案。采用多樣化的教學(xué)方式，引入案例教學(xué)法、課堂主題討論等方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的參與度。通過(guò)建立電磁軟件仿真平臺(tái)，引入仿真設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)微波元件和天線進(jìn)行設(shè)計(jì)和電磁仿真，促進(jìn)學(xué)生對(duì)微波理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生利用微波理論分析解決電磁工程問(wèn)題的能力。在今后的教學(xué)中要注重教學(xué)案例的設(shè)計(jì)，從具體應(yīng)用出發(fā)引入知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；在仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，更加注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索的能力，教師給出具體的性能指標(biāo)，學(xué)生自主完成模型設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化以及結(jié)果分析，讓學(xué)生打牢理論基礎(chǔ)，成為高質(zhì)量的微波工程技術(shù)人才。

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Abstract： The course microwave technology and antennas is a specialized basic course of the students majoring in information countermeasure technology， which is an important part of the professional knowledge structure and ability achievement matrix. The course plays an important theoretical support role in the process of cultivating students ability to solve complex engineering problems. Considering the difficulties of teaching and learning in this course， this paper analyzes the problems existing in the teaching of course microwave technology and antenna， and proposes several teaching reform programs. The case teaching method is introduced in theoretical teaching to motivate students to learn. Furthermore， in practice teaching， microwave simulation platform Ansys HFSS and simulation experiment are established to improve the ability to analyze and solve problems.

Key words： Microwave Technology and Antennas; teaching reform; case teaching; electromagnetic simulation