學生為中心的“微波技術”教學模式構建和教學質量分析

曹明華 王惠琴 彭清斌 鄭玉峰

摘 要：在大學本科生專業課程的教學過程中，傳統“傳授”式教學方式對學生的吸引力越來越低。而以學生為中心的教學模式從課堂組織方式、學習資料的準備和在線交流答疑等方面關注學生學習的效果和學生的職業發展，受到越來越多的青睞。因此，通過在通信工程專業本科生“微波技術”課程的教學中采用以學生為中心的教學方法來克服傳統教學和學習中遇到的問題和障礙，并對以該教學模式實施前后的課堂出勤率和最終成績進行了對比分析。證明該模式在增進師生關系、提高課堂趣味化、增加課堂關注度和提高學習效果等方面有較為明顯的效果。

關鍵詞：以學生為中心；微波技術；教學改革；課堂教學設計

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）19-0103-04

Abstract： Undergraduate students have increasingly lost interest in traditional lectures. As a consequence， their learning motivation have decreased. The widespread adoption of learner-centered teaching method focuses on the effectiveness of student learning and student career development in terms of teaching organization， learning materials preparation and online communication Q&A. Therefore， learner-centered teaching method is employed in the course of "Microwave Technology" for undergraduates majoring in communication engineering to overcome the problems and obstacles encountered in teaching and learning. Moreover， the class attendance and the final examination results before and after the implementation of the learner-centered teaching method are compared and analyzed. It is proved that this model has obvious effects in improving teacher-student relationship， improving learning interest， increasing the class attendance， and improving learning result.

Keywords： learner-centered； microwave technology； teaching reform； class instructional design

“微波技術”作為通信電子類專業的重要技術基礎課程，從電磁場的角度出發，完成理論到工程的過渡，使學生掌握傳輸線分析方法，了解常用的微波網絡和系統[1]。由于抽象性和實踐性強的特點，有效完成“微波技術”課程核心內容的教學一直是大學本科生教育中具有挑戰性的一項工作[2]。教學過程中存在課程內容多、教學學時緊張和教學班級規模大等諸多問題。從學生的角度而言，課程內容難度大、對未來職業發展的作用模糊等問題導致學習動力不足。同時，隨著近年來移動互聯技術的不斷發展，學生獲得知識的途徑越來越豐富，因此對教師和教學內容的期望值不斷提高，傳統板書加投影教學方式的教學效果出現了不斷惡化的趨勢。學生希望能通過網絡隨時隨地的獲得學習資料和教學指導，而且希望課程內容更加趣味化。

以學生為中心的教學方式可以從不同層面上為解決上述問題提供幫助，將教學的重點從“內容教學”轉移到“思維、技能教學”上，提高學生的課堂參與度、學習滿意度和學習成績，從而受到了廣泛的關注[3-5]。但是，現階段以學生為中心的教學方式在推行中存在一些障礙，如課時嚴重不足、需要占用大量的教學資源和課余時間，學生的主觀能動性差以及高成本等。針對上述教學和學習中的需求和困難，在不增加課時和只投入少量資金的條件下，于2017/2018學年的 “微波技術”課程教學過程中嘗試性地采用了以學生為中心的教學方式，希望以此來提高學生的學習興趣并加深他們對相關概念、理論和應用的掌握程度。

一、構建更加積極的師生互動機制

以學生為中心的教學方式要求改變教學活動中教師與學生之間的關系，不再是“灌輸”和被動接受的關系，而要逐步轉變為教師指導促進和學生主動學習的關系[6，7]。傳統的課堂教學過程中，往往會使用大量過于“正式”的語言表述方式來講授課程。這在科學研究上是比較合適的，但對于剛開始專業學習的本科生來說，這種方式顯得比較生硬。針對這一問題，在授課過程中盡量采用口語化和較為幽默的語言表述方式，并結合一些技術動態或者科技新聞進行相關背景介紹，使課堂在較為輕松的氛圍中進行。這種輕松的氛圍會使學生不再感覺課堂的壓抑，使教學過程變得更加友好，改變部分學生害怕犯錯或者表現的無知而不愿提問或者參與討論的問題。

另一方面，在教學過程中通過聽取學生的對授課方式和課程內容的建議，形成持續的反饋機制是教師發現學生學習中的問題和困惑的最有效手段。但許多學生因為害羞、擔心被批評或者在同學面前尷尬而不愿意說出自己的想法。針對這一問題，要求授課教師通過給學生提供自己的電子郵箱、QQ和微信號碼，學生可以通過在線和匿名的方式將自己的想法和要求提供給教師。實際情況表明，這種溝通方式很受學生的歡迎，教師的電子郵箱、QQ和微信中每周都會收到好幾封來自學生的郵件或者留言，詢問課程學習中遇到的問題、尋求教學課件或者提出自己的建議。例如，在微波技術的教學過程中包含著大量的定理解釋和數學推導，教師通常希望從數學的角度給學生提供一個嚴謹的分析思路，但很少討論相關的應用。而從學生的反饋來看，他們往往對定理的證明和數學推導不感興趣。因此，根據學生的要求和建議在授課內容中增加了更多實際應用的實例來滿足學生的要求。

另外，為了持續增加學生對課程內容的關注度和興趣。通過在線的方式提供了一些仿真程序和動畫供學生在課余時間學習，學生在學習過程中有任何疑問都可以和教師在線進行交流。如通過給學生提供史密斯圓圖的計算機仿真程序，學生可以在自己的計算機上運行并修改其中的參數，來觀察參數的影響。而通過觀看規則波導的三維動畫，學生反映對場結構的理解更加深入了。除此之外，還為學有余力和感興趣的學生提供基于MATLAB的虛擬實驗程序和開放實驗室場地，供其修改和調試程序，進行更為深入的學習。

二、教學組織方式的變化

普通本科院校中，很多學生并沒有養成良好的學習習慣，往往只是在期末考試前通過突擊學習來應付考試。為了激發學生在課堂上的學習積極性，首先將課程考試時間從通常的期末安排到結課后一周進行。此項變化的結果是學生的出勤率提高了，同時由于期末考試的負擔有所降低，因此受到了學生的歡迎。

其次，增加了計算機輔助教學（CAI）方式。例如，在講授波導中的場分布時，為了讓學生形象的理解電磁場在波導中的分布狀態這個教學難點，利用計算機輔助教學引入動畫的形式，使學生能夠形象地觀察波導中電磁場的分布和傳播情況。在此基礎上進行數學推導，利用分離變量法分別給出TE模式和TM模式的數學表達式，從而加深學生對該知識點的理解與掌握。

第三，教學中引入更多的實例和研討。已有研究證明，引入實例和研討機制的教學效果要好于傳統的“傳授”方式[8，9]。為此，在教學中引入了最新的微波工程實例，例如將位于貴州省的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）項目[10]引入課堂教學中，要求學生在課前進行相關信息的查閱和準備，課堂上采用研討的方式進行學習。這種方式不但加深了學生對相關概念和方法的掌握，還有效壓縮了相關內容的授課時間。在此基礎上，還可以進一步對課堂內容進行拓展，讓學生自己發現并介紹日常生活中微波技術的應用和相關系統，增加了學生對微波技術應用的認識，不再認為課程內容于未來的就業是無關的。

三、豐富教學方法和教學內容

為了提高學生的內在學習動力，在授課過程中引入了一些新的教學方法和內容。首先是引入啟發式教學。通過在教學過程中介紹某個有趣的、意想不到的或者學生只知道表面現象的概念，激發學生的好奇心和興趣，引導其完成相關背景的調查和概念的學習。例如，在教學中介紹了谷歌公司的“Project Soli”項目[11]，該項目運用微型雷達可以追蹤亞毫米精準度空中手勢動作的高速運動，然后將雷達信號進行處理，識別成一系列通用的交互手勢，方便控制各種可穿戴和微型設備。教師在完成項目的介紹后，學生會對項目中的技術原理產生好奇，這時教師可以進一步啟發學生進行思考，告訴學生“Project Soli”項目的雷達采用的調頻連續波（FMCW）調制技術，讓學生討論該技術可能的應用場景，最后學生會聯想到目前該技術已在汽車自動巡航中的應用，以及各類可實現對物體距離和速度感知的應用。

微波、射頻電路和天線技術的發展日新月異，理論性、實踐性和前沿性的統一有利于激發學生的學習興趣[12]。因此，在教學過程中引入了在物理和化學教學中廣泛采用的歸納式教學。授課時首先提出一種可觀察到的現象，然后給出對這一現象的理論解釋和規則的說明，最后歸納出最終結果。例如，在介紹標準微帶線的過程中，先從常見的微波集成電路中的印刷銅線入手，讓學生思考信號在集成電路微帶線中的傳播情況。將印制微帶線看成是帶有寄生電感和寄生電容的傳輸線，再討論高頻條件下會出現的趨膚效應和電介質損耗問題，最后分析上述因素對其特征阻抗的影響。

根據學生的興趣點引入了實物現場教學法。將微波系統中常用的器件實物帶到課堂上，讓學生能對相關的器件和設備進行直接觀察和感受。在觀察器件的同時講解相關的理論知識和具體應用。講解完這些常用器件的基本知識后，和學生一起討論其應用，從而引出幾種典型的雷達收發機結構及其原理，再進行必要的數學證明和分析。將實物、實際應用和理論分析相結合，解決傳統教學中理論分析和實際應用割裂的問題，使枯燥的理論學習過程變得更有趣味性。學生在課后的反饋中也提到在采用了實物現場教學的授課方式后，學習動力、學習興趣和對部分問題的理解增強了。而依據實物給出的理論推導過程可以提高學生的抽象思維能力和問題分析能力，增強他們的工程想象能力，消減學生對這一環節的消極對抗心理。

四、教學質量分析

本科生課堂的教學質量是高校教學質量保障的基礎[13]。為了分析上述以學生為中心教學方式的教學效果，將2017/2018學年和2016/2017學年的 “微波技術”課程授課效果從以下幾個方面進行了對比。

（一）學生課堂出勤率

雖然出勤率并不能決定最終的課程學習成績，但可以客觀的反映出教學過程對學生的吸引力。課程的考勤數據通過課堂點名和班長統計完成，如圖1所示。結果顯示，在采用了以學生為中心的教學方式后，課程對學生的吸引力相較之前有了一定的提高。尤其需要注意的是，從第4周開始，出勤率有了上升。這在以前是很少出現的，因為隨著課程內容的推進，部分學生會因為聽不懂或者不感興趣而缺勤，導致出勤率不斷下降。出勤率只有在最后一周結課前才會因為課程總結或者復習重點內容而出現明顯回升。

平均出勤率的提升證明在采用了新方法后學生的學習興趣和學習熱情有所增長，尤其是對部分“后進”學生的吸引力出現了比較明顯的提升。

（二）課程成績表現

作為評估新教學方法效果的核心指標，將2017/2018學年和2016/2017學年學生的最終成績進行了比較，其中2017/2018學年選課的學生人數為116人，2016/2017學年選課的學生人數為131人。最終成績由平時成績和期末考試成績兩部分組成，平時成績占最終成績的30%，期末考試成績占最終成績的70%。平時成績主要包括作業完成質量、課堂表現和小測驗等環節。期末考試試卷由簡答題、計算題和綜合分析題3種類型的題目組成，3種題型各占約1/3的分值。其中，在設計分析題時會涉及分布式參數分析、器件結構、參數和功率分析等多種概念，要求體現出學生在知識綜合應用和解決問題方面的能力。兩套試題的難度和題量基本保持一致。兩學年中，各分數段成績分布的直方圖如圖2所示。

從圖2所示的最終成績分布情況來看，2017/2018學年學生的及格率為92.24%，平均分為73.98，最高分為99分，最低分為31分。而2016/2017學年學生的及格率為88.55%，平均分為74.67，最高分為96分，最低分為3分。2017/2018學年的及格率上升了3.69%。最高分和最低分都出現了上升，尤其是最低分實現了大幅上漲，但平均成績下降了0.69分。從成績的分布區間來看，90分以上和80～90分區間所占的比例有所下降，而70～79分以及60～69分區間的占比出現了較大幅度的上升。這說明采用了以學生為中心的教學方法后，新的授課方式對原來成績較差或者對課程內容不太感興趣的同學的吸引力有所增加。但對適應了傳統“傳授”式教學方法的高分考生的成績產生了抑制作用。

需要說明的是，課外實踐、虛擬實驗仿真等環節的教學效果沒有包含到最終的成績統計分析中，因為在新授課方式中增加了微波器件和簡單系統的觀察分析環節，并為部分學有余力的學生提供了虛擬實驗程序，而沒有對這類內容制定成績考核環節。但是從教師教學過程的主觀感受來看，這一環節增加了師生之間的溝通，改善了教學氛圍。

五、結束語

以學生為中心的教學模式的實踐證明，通過改變課程組織方式、教學內容、教學手段和師生互動機制可以有效地改善課堂氛圍并增加課程的吸引力。出勤率的增加和及格率的上升體現了新的授課方式提高了那些原來對課程內容不太感興趣的同學的學習熱情。而且，“微波技術”課程中采用的以學生為中心的教學模式實踐中的很多手段，例如改變授課方式、豐富教學手段和保持良好的師生互動關系等都可以很容易的移植到其他專業課程的教學中，以增加課程的吸引力。

但需要注意的是在采用了以學生為中心的授課方式后，高分考生比例出現了下降，這一問題必須引起高度關注。考慮到總學時沒有增加，而采用新的授課方式和方法后占用了部分教學資源和課堂時間，因此一定程度上壓縮了理論推導、定理解釋、板書和習題訓練的時間。這一矛盾還需要在今后的教學中不斷探索，找到一個合適的平衡點。但從另一個角度來看，新的教學模式有助于培養學生腳踏實地的學習態度，對突擊應試的學習方式有一定的抑制作用，有助于形成優良學風。最后，以學生為中心的教學實踐執行時間還比較短，部分問題和不足剛剛暴露出來，還需要進行進一步設計和優化，以便更有效的提高課程的教學效果。

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[10]Project FAST，http：//radio973.bao.ac.cn/

[11]Project Soli，Google ATAP， https：//www.google.com/atap/project-soli/.

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