新工科視域下的電磁場與微波類課程改革探究

曹玉凡，蔡 洋，楊文革，吳 濤

（航天工程大學(xué) 電子與光學(xué)工程系，北京 101416）

引言

黨的十八大以來，我國高等教育取得長足進(jìn)步，但工程專業(yè)教育質(zhì)量與建設(shè)世界一流大學(xué)要求還存在差距，存在教育理念、人才結(jié)構(gòu)、知識體系、培養(yǎng)模式等方面的不適應(yīng)。建立起面向崗位的綜合化工程專業(yè)教育新理念，構(gòu)建適應(yīng)新興科技的專業(yè)新結(jié)構(gòu)，探索“學(xué)員中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的人才培養(yǎng)新途徑，才能實(shí)現(xiàn)立德樹人的要求。

電磁場與微波類課程是理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，所學(xué)基礎(chǔ)理論內(nèi)容與工程應(yīng)用密切相關(guān)，覆蓋通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙感、測控、電子對抗等重要領(lǐng)域。國內(nèi)外高校都把電磁場與微波類課程作為電子電氣類專業(yè)中的核心課程進(jìn)行建設(shè)。電磁場與微波類課程在本科學(xué)員的人才培養(yǎng)方案中是重要的知識樞紐，前序課程包括“大學(xué)物理”等課程，后續(xù)直接應(yīng)用到“雷達(dá)原理”等專業(yè)課程。學(xué)習(xí)掌握這門課程，有利于學(xué)生在專業(yè)研究方向上的發(fā)展，加深理解電磁的本質(zhì)和整個電磁理論體系，具備解釋并應(yīng)用電磁微波現(xiàn)象和解決常見微波問題的能力。但是電磁場與微波類課程學(xué)習(xí)難度較大，導(dǎo)致教員預(yù)期教學(xué)目標(biāo)難以完成；同時(shí)課程具有知識的前沿性和應(yīng)用性較強(qiáng)等特點(diǎn)，因此必須圍繞新工科的內(nèi)涵特征推動該類課程教學(xué)改革，提升學(xué)生基礎(chǔ)知識的掌握，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，努力扭轉(zhuǎn)當(dāng)前人才培養(yǎng)存在短板的局面，為培養(yǎng)高素質(zhì)新型人才打下重要的基礎(chǔ)。

電磁場與微波類課程當(dāng)前的培養(yǎng)目標(biāo)距離“基礎(chǔ)素質(zhì)硬、科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的工程科技人才”需求仍有不小的差距，主要表現(xiàn)在以下方面。首先課程內(nèi)容講授方式過于簡單、單一，無法有效形成對抽象知識的形象化、具體化展示，無法滿足當(dāng)前院校學(xué)習(xí)的高效化需求；其次缺乏對學(xué)員創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)、交叉知識結(jié)構(gòu)建立等方面的明確要求；最后實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系不完善、實(shí)驗(yàn)室效能亟待提升，不能有效培養(yǎng)學(xué)員形成解決復(fù)雜問題的能力。

本文深入挖掘新工科的內(nèi)涵特征，以培養(yǎng)新工科人才為目標(biāo)，圍繞上述問題對電磁場與微波類課程進(jìn)行探索研究。

一、國內(nèi)外主要經(jīng)驗(yàn)做法

電磁理論起源于西方國家，早在20世紀(jì)初，國外多所大學(xué)就開始研究基于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的電磁課程教學(xué)。近年來國外高校在電磁領(lǐng)域教學(xué)展示了一批先進(jìn)的教學(xué)手段和方法，美國科羅拉多州立大學(xué)Branislav M.Notaro?提出了計(jì)算機(jī)輔助學(xué)習(xí)電磁場的MATLAB編程電氣一體化的創(chuàng)新思路。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)近年來已成為一個世界性的研究課題，在工程教學(xué)中應(yīng)用是一個重要的研究方向。西班牙馬德里卡洛斯三世大學(xué)、英國赫瑞-瓦特大學(xué)等高校均開展了基于AR技術(shù)的電磁教學(xué)研究。

在國內(nèi)，電磁課程教學(xué)也面臨著同樣的教學(xué)難題。清華大學(xué)為了加深學(xué)生對“場”與“波”的概念的理解，采用動手操作和多媒體動畫演示相結(jié)合，從而便于學(xué)生建立對抽象理論知識的感性認(rèn)識。電子科技大學(xué)開展了以研討課題為核心的課堂教學(xué)，并融合了反轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式。西安電子科技大學(xué)在教學(xué)過程中積極擴(kuò)充課堂內(nèi)外的知識體系、增加教學(xué)與科研的廣泛融合、擴(kuò)展學(xué)科之間的交叉融合等課程改革措施。四川大學(xué)開展和應(yīng)用三位一體綜合性評價(jià)模式，其學(xué)生的整個學(xué)習(xí)過程納入考核內(nèi)容中，針對電磁場與微波技術(shù)考試措施進(jìn)行改革分析。國防科技大學(xué)研究了電磁場與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置，提出了教學(xué)實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃，并從實(shí)際出發(fā)討論了滿足教學(xué)需求前提下的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模和成本控制方法。空軍工程大學(xué)分析了該系列課程在教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)和教學(xué)方法上的特點(diǎn)，提出了系列課程形象化教學(xué)的基本概念。

二、改革探究的理論依據(jù)及初步構(gòu)想

PBL（Problem-Based Learning）教學(xué)法，最早起源于20世紀(jì)60年代的醫(yī)學(xué)教育，目前已成為國際上比較流行的一種教學(xué)方法，國內(nèi)也有學(xué)者將PBL理念應(yīng)用于相關(guān)課程的教學(xué)中，研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)教學(xué)法相比，PBL教學(xué)法可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)及提高學(xué)生創(chuàng)造性思維能力。CDIO是一種經(jīng)典工程教育模式，代表構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)現(xiàn)（implement）和運(yùn)作（operate），強(qiáng)調(diào)以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的全過程為載體，讓學(xué)生在這一過程中能夠以主動實(shí)踐的方式來學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及工程管理能力。自2005年汕頭大學(xué)率先實(shí)施CDIO工程教育改革以來，在教育部的指導(dǎo)和支持下，我國幾十所試點(diǎn)高校和許多非試點(diǎn)院校實(shí)施CDIO改革，形成了多個成功案例。CDIO教育理念是以學(xué)生為中心的工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的一種有效模式。CDIO教育模式不僅重視培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)理論、專業(yè)技能，在工程領(lǐng)域的情境中展開教學(xué)活動，還重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作意識以及溝通交流能力。因此總結(jié)得出PBL教學(xué)法與CDIO工程教育模式能夠有效滿足新工科的建設(shè)需求，基于PBL-CDIO聯(lián)合模式開展電磁場與微波類教學(xué)改革與探索，主要方法如下。

（一）設(shè)計(jì)“興趣培養(yǎng)-理論教學(xué)-課外實(shí)踐”多級交叉融合的電磁場與微波類課程一體化教學(xué)法

在理論教學(xué)過程中，注重運(yùn)用AR、MATLAB GUI、Blender等現(xiàn)代圖形工具開展現(xiàn)場交互式仿真教學(xué)，通過構(gòu)建立體化教材形成對經(jīng)典理論的有效補(bǔ)充和闡釋教材，將抽象的理論和數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)真正的可視化和具體化，有效降低學(xué)員的學(xué)習(xí)抵觸心理和增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。在此基礎(chǔ)上，通過階段性布置自主式、開放式交互仿真任務(wù)，讓學(xué)員能夠運(yùn)用他們熟悉和擅長的軟件工具展示對所學(xué)理論知識的理解，結(jié)合作品展示、小組協(xié)作以及成果評比等多樣化形式，構(gòu)建學(xué)員樂于學(xué)習(xí)、善于表達(dá)、勤于思考的良好氛圍，將課程本身存在的抽象、復(fù)雜、繁多等問題轉(zhuǎn)化成學(xué)員知識能力增長和培養(yǎng)的試金石和催化劑。

（二）構(gòu)建“課內(nèi)演示實(shí)驗(yàn)-課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)-課程綜合實(shí)驗(yàn)-創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”的多級遞推式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

實(shí)驗(yàn)體系如表1所示，以電磁場與微波實(shí)驗(yàn)室、天線仿真與測試實(shí)驗(yàn)室為依托，建設(shè)滿足多專業(yè)學(xué)員從理論到實(shí)踐多元化需求的多維實(shí)驗(yàn)室，梳理和整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，演示實(shí)驗(yàn)主要在課程理論教學(xué)環(huán)節(jié)開展，重點(diǎn)是運(yùn)用三維方式對課程中的抽象概念和描述進(jìn)行直觀的闡釋；基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)涵蓋專業(yè)重要知識點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐能力的有效轉(zhuǎn)化；專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)以測控工程、雷達(dá)工程等專業(yè)的實(shí)際崗位任職需要為牽引，通過綜合實(shí)驗(yàn)來深刻理解本課程中的基礎(chǔ)知識與整個系統(tǒng)之間的聯(lián)系，體現(xiàn)復(fù)雜工程、前沿科學(xué)問題并采用模塊化實(shí)驗(yàn)以擴(kuò)大學(xué)員的選擇自由度；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)面向動手能力強(qiáng)、創(chuàng)新思維豐富的學(xué)員，通過構(gòu)建開放式的實(shí)驗(yàn)平臺培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力，滿足學(xué)員參加競賽、奇思妙想的個性化需求，為學(xué)員將來從事相關(guān)任職崗位打下創(chuàng)新的基石。

表1 多級遞推式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

（三）形成“哲學(xué)要素-人文精神-家國情懷”多維思政要素有機(jī)融合的課程內(nèi)涵建設(shè)

課程思政和新工科建設(shè)是相輔相成的，課程思政是育人體系的航標(biāo)，在人才培養(yǎng)體系中起到價(jià)值引領(lǐng)的作用。課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)一方面需要為提升教學(xué)效果、化解重難點(diǎn)問題產(chǎn)生正向促進(jìn)作用，另一方面需要探索如何有機(jī)地融入思政元素，包括科學(xué)背后的人文精神、自然哲學(xué)理念、工程實(shí)例及國防應(yīng)用等。從而增強(qiáng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。具體課程思政要素可在授課過程中的不同環(huán)節(jié)、不同階段適時(shí)引入，詳見表2。

表2 課程思政引入總結(jié)

結(jié)語

本文深入挖掘新工科的內(nèi)涵特征，以培養(yǎng)新工科人才為目標(biāo)，圍繞基于PBL-CDIO聯(lián)合模式對電磁場與微波類課程進(jìn)行改革和探索，通過設(shè)計(jì)“興趣培養(yǎng)-理論教學(xué)-課外實(shí)踐”多級交叉融合的電磁場與微波類課程一體化教學(xué)法和構(gòu)建“課內(nèi)演示實(shí)驗(yàn)-課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)-課程綜合實(shí)驗(yàn)-創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”的多級遞推式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使學(xué)員高效理解抽象概念的同時(shí)能夠通過實(shí)際操作進(jìn)行檢驗(yàn)和實(shí)踐，能夠有效加強(qiáng)所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識與后續(xù)專業(yè)應(yīng)用之間的密切聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)層層遞進(jìn)、不斷提升，同時(shí)在教學(xué)體系中強(qiáng)化科研項(xiàng)目、競賽活動對實(shí)驗(yàn)的牽引作用，使學(xué)員能夠深入理解所學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的知識架構(gòu)。通過論證和分析，預(yù)期形成電磁場與微波類課程的創(chuàng)新教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)電磁場與微波類課程由“難教難懂”課程向“形象生動”課程轉(zhuǎn)變，通過形式的轉(zhuǎn)變能夠有效夯實(shí)學(xué)員的電磁理論基礎(chǔ)，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)以及創(chuàng)新的源泉，這一創(chuàng)新教學(xué)方法也可以有效推廣至相關(guān)的工程類課程中；同時(shí)要努力構(gòu)建面向航天應(yīng)用的電磁場與微波類課程的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系，通過多級遞進(jìn)的多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，能夠?qū)崿F(xiàn)從基礎(chǔ)到專業(yè)、從單元到系統(tǒng)的過渡，為學(xué)員構(gòu)建完整的知識體系和系統(tǒng)架構(gòu)打下良好的基礎(chǔ)，另外實(shí)驗(yàn)體系的建立能夠進(jìn)一步提升教員隊(duì)伍自身管理能力和科研能力，逐步形成跨課程、分階段、連續(xù)性的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框架；最后，形成電磁場與微波類課程的課程思政授課方法，以新工科人才為牽引，通過挖掘課程中的“哲學(xué)要素-人文精神-家國情懷”多維思政要素，能夠發(fā)揮課程思政在課程中的價(jià)值引領(lǐng)作用，體現(xiàn)立德樹人教育理念。