新工科背景下《電波傳輸與天線》的課程教學改革研究

王菲，關云靜

（西安交通工程學院 中興通信學院，陜西西安，710300）

0 引言

當前我國工業建設迫切的需要地方應用型本科高校培養具有創新、創業和跨學科能力的工程技術人才[1-3]。“新工科”當中的“新”字重點體現了新時代的特色，與傳統工科特點相比來說，新工科的培養機制更加注重對未來科學產業的發展需求，完美體現了不同的交叉學科之間的融合性[4][5]。《電波傳輸與天線》這門課程是通信工程專業與電子信息工程本科專業的專業核心課程，是通信工程和電子信息工程專業的本科學生中完整的知識體系中的重要組成部分，這門課程在理論教學和實踐教學當中的要求都非常高。傳統模式下的教學方式已經不能完全適應“新工科”背景模式下對于教學工作的需求，基于“新工科”背景下《電波傳輸與天線》這門課程的教學改革研究是一個很迫切的研究內容。本文通過了解“新工科”背景模式下的發展方向和目標，同時將《電波傳輸與天線》這門課程作為代表，探索傳統教學模式在教學方式和方法上存在的問題，從而提出了在“新工科”背景下《電波傳輸與天線》該門課程的改革思路和方法。

1 傳統的《電波傳輸與天線》在教學中存在的問題

通過對《電波傳輸與天線》該門課程的學習，使學生掌握電磁場的基本理論、定理和定律，傳輸線理論、波導理論、微波網絡理論、電磁輻射理論、天線原理等相關內容。《電波傳輸與天線》需要大量的大學物理和高等數學等相關知識，該門課程的數學推導相當復雜，物理概念也非常抽象，學生和教師都普遍認為《電波傳輸與天線》課程是通信工程與電子信息工程專業中學習難度非常大的一門專業課程之一。而對于大多數學生來說，其數學和物理的基礎較差，對于課堂上出現的大量公式推導顯得枯燥，促使學生學習積極性非常低，從而導致大部分學生的學習效果較差。

1.1 課程體系不適應工程化要求

《電波傳輸與天線》是通信工程和電子信息工程專業的專業基礎課，西安交通工程學院通信工程與電子信息工程本科專業的辦學定位是培養應用型人才，但是《電波傳輸與天線》該門課程的課程教學大綱是依照全國電子通信類重點院校的教學大綱來制定的。目前來說，《電波傳輸與天線》該門課程在教學過程中，內容理論性過強，數學推導過于復雜，物理概念非常抽象。學生在學習的過程中很難與電磁波實際的工程應用情況聯系起來，所以導致學生在課后是很難能夠達到學以致用的效果，這就促使學生完全脫離了當前專業領域中復雜的工程問題。綜上所述，目前該門課程體系的設置并不完全適應應用型人才教育培養的要求。

1.2 學生學習熱情不高

《電波傳輸與天線》這門課程的培養目標是理論聯系實際工程背景的能力，但是在實際教學工作中出現的問題是理論教學與實踐教學沒有進行深度的融合。該門課程十分抽象難懂，導致學習熱情大幅度下降，只有部分同學可以跟上教師講解的進度。教師在教學過程中完全參考教學大綱以及教材來講解這些抽象的知識點，而且在上課的過程中還有很多公式的推導，這種模式是很難調動學生的積極性。

1.3 教學模式較傳統

目前大多數的教學模式都是采用PPT+板書相結合的模式，按時這些并未從本質上體現“新工科”要求對應用型本科培養的要求。首先在教學上，教師局限于課本內容，基本的電磁場特征和現象，以及傳輸線理論、電磁輻射理論、天線原理等都停留在概念上，對相關實際工程應用所涉及的資料是非常缺乏的，這就導致教師在授課的時候是非常枯燥的；其次現在的課堂模式仍然是教師主講，學生被動聽的模式，在課堂上，學生比較被動，從而導致課堂沒有帶入性。最后是由于學校實驗設備限制的原因，導致實驗教學模式過于單一，學生只能按照實驗指導書完成指定的實驗。

2 “新工科”背景下《電波傳輸與天線》的教學改革

針對傳統教學模式下的弊端以及通信工程和電子信息工程專業的培養方案和培養目標，從以下幾個方面介紹了基于新工科背景下的《電波傳輸與天線》的課程教學改革方向。

2.1 精選合適教材

挑選合適的教材和資料是上好該門課程很重要的一個因素。教師應根據課程大綱的要求，針對不同專業來選擇不同的教材。比如，《電波傳輸與天線》這門課程的課程大綱內容涵蓋了電磁場與電磁波、微波技術與天線兩部分的教學內容，所以選擇教材應該是對這兩部分內容具有全面性的解釋。本門課程的課時只有48課時，同時根據該課程在專業建設的地位中決定少講或不講相關性不大的內容。最后在教學的過程中還要實時更新教學內容與方式，以此來激發學生對該課程的學習興趣。

2.2 建設雙師型教學團隊，教學中引入科研

教學工作和科學研究是息息相關的，科研和教學工作通過相互之間的促進作用，引入科研機構參與到整個教學環節當中，使得人才培養目標和行業需求緊緊結合在一起。針對學校的實際情況，學院的專業課教師針對自己的專業方向和研究方向，不定期的參加相關培訓，加強和鞏固雙師型師資的培養，使得專業課教師在講解課程時能夠把電磁場工程應用背景在課堂上展現，讓學生對知識的理解不再是枯燥的數學符號，而是實際的工程模型。任課教師還可以引導對課程感興趣的學生，讓其積極的參與到教師的相關研究課題當中，以此來鞏固對知識的理解和應用。

2.3 理論教學與實踐教學相結合

新工科背景下《電波傳輸與天線》的實踐教學是改革的重要組成部分之一，目前該門課程的教學大綱安排的實踐教學內容沒有更新，比較陳舊，學時很少，只有8個學時，影響了學生對課程知識點的深入理解，從而降低了學生的學習熱情。新工科背景下實踐教學改革的是以單獨的項目形式來完成實驗的選題和方案制定[6][7]，要求學生在規定的時間內完成實驗內容，最終的實驗成績也不是單一的，它是以項目組成員所做的實驗進行專題匯報和審閱報告相結合的方法來評定成績，以這樣項目化的實踐教學方式學生很容易產生成就感，也就很容易激發學生的學習激情，體現了實踐性與理論性的完美結合。

參照該門課程目前課程大綱中的實踐課時，以及針對各個章節重難點，設計出適合學生的項目。包括微波技術部分當中匹配電路的設計如圖1，涉及到的基礎知識主要包括微帶傳輸線、阻抗匹配、反射系數、駐波比、Smith 圓圖、單枝節匹配和雙枝節匹配等相關內容，這些內容主要對應的是微波傳輸線方面知識的實際應用。其次還包括天線部分的半波偶極子天線的設計：涉及到的知識主要有電偶極子的輻射與方向系數如圖2所示、天線的輸入阻抗、方向圖、效率、增益、工作帶寬等相關電參數，這些主要對應于電磁輻射與天線知識的實際應用。

圖1 阻抗圓圖

圖2 電偶極子的方向系數與輻射

2.4 課堂情景模式的改革

隨著“互聯網+”的逐步發展，目前很多新型的教學手段如“翻轉課堂”和“中國大學MOOC“等在高校中不斷的推廣和實施[9]，同時教師還可以使用騰訊會議、釘釘等相關軟件來進行授課，提高學生參與課堂的主動性。在近兩年疫情的影響下，線上課堂模式的重要性顯得尤為重要。結合西安交通工程學院線上教學模式實際情況，任課教師在學習通上建設《電波傳輸與天線》的課程資料，學生在課堂上沒有聽明白的內容可以在線上繼續學習，同時可以提問，并參與討論。傳統的板書+PPT教學模式要與學生實際相情況適應，增加情景搭建，讓課堂教學形象化，如在講授電磁場與電磁波部分內容時，可以將電磁場和電磁波在空間中傳播的完整動畫視頻作為上課材料進行展示[8]。

2.5 督促學生積極參加學科競賽

通過參加各類學科競賽，使得學生對課程知識點的理解，以及與其他課程的連接有進一步的理解。如指導學生參加“全國大學生挑戰杯”和“全國大學生電子設計競賽”等相關競賽，充分利用大賽這種賽制，以此來綜合檢驗學生的應用和創新能力。

2.6 開展校企合作

通過開展校企合作的方式，學校與相關企業合作開設專業課程，使得學生能夠了解實際應用場景并鍛煉了動手能力。

3 總結

新工科背景下《電波傳輸與天線》的教學改革相比較傳統教學過程，是面向新時代下經濟發展的方向和產業結構相對動態變化的概念[10][11]。本文從教材的選擇、教師團隊的建設、理論教學與實踐教學的相結合模式、課堂情景模式的改革以及學生參與到競賽和科研當中等方面出發，以培養應用型本科人才為目標，探索《電波傳輸與天線》課程教學的方法和手段。由此可知，要上好該課程，首先教師要有自己的人格魅力，其次，要充分發掘每個學生的潛在能力，要作為學生在學生上的向導，這樣的話，才能全面提高學生的綜合能力，達到應用型本科人才培養的目標。