基于OBE 理念的微波技術(shù)與天線課程教學(xué)設(shè)計(jì)*

楊志良 姚金杰 孫興麗 毛煜茹

中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 太原 030051

0 引言

微波技術(shù)與天線課程是信息與通信工程學(xué)科的核心專業(yè)課程之一，是一門面向應(yīng)用的課程。該課程能夠培養(yǎng)學(xué)生具備微波電路與天線理論的應(yīng)用能力與對(duì)微波電路的處理和分析能力，學(xué)生在未來(lái)的就業(yè)或者繼續(xù)深造都將應(yīng)用到本課程的很多基礎(chǔ)內(nèi)容。對(duì)本課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)以及教學(xué)效果的改革有助于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際微波工程問(wèn)題的能力，具有較高的實(shí)踐價(jià)值。

目前，本課程的教學(xué)過(guò)程存在三個(gè)問(wèn)題。

1）學(xué)生處于被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)。長(zhǎng)期以來(lái)，本課程的教學(xué)以教師“教”為中心，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式等方面均以教師為主導(dǎo)。本課程的理論知識(shí)比較枯燥，以教師為中心的課堂教學(xué)并沒(méi)有調(diào)動(dòng)起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)狀態(tài)比較被動(dòng)。

2）所學(xué)與所用之間矛盾突出。由于考核方式主要是期末閉卷考試，很大程度上考核的是學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和記憶程度，不是掌握知識(shí)解決工程問(wèn)題的能力。對(duì)學(xué)生來(lái)講，由于很多知識(shí)只是簡(jiǎn)單的記憶，因此課程學(xué)習(xí)結(jié)束以后，很多內(nèi)容將會(huì)被遺忘。而且習(xí)慣了做習(xí)題，思維方式比較固化，靈活應(yīng)用知識(shí)的能力得不到鍛煉，具體到實(shí)際工程問(wèn)題，無(wú)法提出有效的解決方案。

3）學(xué)生的個(gè)性被壓抑。不同的學(xué)生擁有不同的特質(zhì)，對(duì)于個(gè)性突出、自學(xué)能力較強(qiáng)的學(xué)生，灌輸型的教學(xué)不適合此類學(xué)生的學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)教學(xué)方式一定程度上壓抑了他們的學(xué)習(xí)熱情。

成果導(dǎo)向教育（OBE）的理念于1981 年提出，是很多發(fā)達(dá)國(guó)家教育改革的主流理念。該理念強(qiáng)調(diào)4 個(gè)問(wèn)題[1-2]：

我們想讓學(xué)生取得的學(xué)習(xí)成果是什么？

為什么讓學(xué)生取得這樣的學(xué)習(xí)成果？

如何幫助學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果？

如何知道學(xué)生已經(jīng)取得了這些學(xué)習(xí)成果？

結(jié)合到課程教學(xué)，學(xué)習(xí)成果就是學(xué)生經(jīng)過(guò)一個(gè)階段的課程學(xué)習(xí)獲得的該領(lǐng)域的最大能力。在OBE理念下，本課程的教學(xué)設(shè)計(jì)以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)方式的改變主要考慮學(xué)生將會(huì)學(xué)到什么；對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)時(shí)間給予了一定的自由空間，通過(guò)不同教學(xué)資源的配合，充分滿足不同特質(zhì)學(xué)生的個(gè)性需求；在考核方式方面，拋棄記憶型的試題，通過(guò)加強(qiáng)過(guò)程考核對(duì)學(xué)生的階段性學(xué)習(xí)予以檢驗(yàn)。課程結(jié)束后，增加應(yīng)用型內(nèi)容考核方式，同時(shí)配合無(wú)標(biāo)準(zhǔn)答案的開放型題目對(duì)其解決問(wèn)題的能力予以考核。

綜上，本課程的改革以長(zhǎng)期存在的問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，基于OBE 理念，以學(xué)生的能力為導(dǎo)向?qū)虒W(xué)設(shè)計(jì)以及效果評(píng)價(jià)等內(nèi)容進(jìn)行變革，以期提升學(xué)生應(yīng)用課程知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1 基于OBE 理念的教學(xué)設(shè)計(jì)

將OBE 理念引入微波技術(shù)與天線課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中，主要有四個(gè)步驟，如圖1 所示，即預(yù)期學(xué)習(xí)成果、實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)成果、評(píng)估學(xué)習(xí)成果、使用學(xué)習(xí)成果。對(duì)學(xué)習(xí)成果的使用效果進(jìn)行評(píng)估，找出不足反饋給教師，教師進(jìn)行新一輪的學(xué)習(xí)成果設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多輪迭代，達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的學(xué)習(xí)成果，教學(xué)策略及過(guò)程設(shè)計(jì)分別如圖2、圖3 所示。

圖1 基于OBE 理念的微波技術(shù)與天線教學(xué)過(guò)程

圖2 微波技術(shù)與天線課程教學(xué)策略設(shè)計(jì)

圖3 微波技術(shù)與天線課程教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

基于OBE 理念的微波技術(shù)與天線課程教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，采用線上與線下混合模式通過(guò)三步開展教學(xué)工作。

1）課前預(yù)習(xí)。教師課前在線上或線下分析學(xué)生的能力需求，闡述課程目標(biāo)，發(fā)布教學(xué)資料，了解共性問(wèn)題；學(xué)生需明確個(gè)人需求，了解課程目標(biāo)，提前學(xué)習(xí)教師發(fā)布的課程資料，完成教師布置的線上測(cè)試。

2）課中講授。上課過(guò)程中，教師把主要精力集中于重點(diǎn)知識(shí)的講授，難點(diǎn)知識(shí)的指導(dǎo)，教學(xué)內(nèi)容的總結(jié)，實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目演練；學(xué)生通過(guò)課堂學(xué)習(xí)與課后練習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，掌握重點(diǎn)難點(diǎn)知識(shí)，完成實(shí)踐環(huán)節(jié)練習(xí)，并與同學(xué)多交流，分享個(gè)人的觀點(diǎn)。

3）課后鞏固。教師布置理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)作業(yè)，并實(shí)時(shí)跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對(duì)共性問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，反思改進(jìn)教學(xué)，對(duì)難點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行進(jìn)一步指導(dǎo)；學(xué)生復(fù)習(xí)拓展知識(shí)，提出新的疑問(wèn)，相互交流獲得鞏固提高，反思改進(jìn)學(xué)習(xí)。

教師與學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中始終相互交流，教師?對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效引導(dǎo)，學(xué)生及時(shí)將疑惑反饋給教師，通過(guò)不斷的迭代，達(dá)到知識(shí)的掌握與能力的提升[3]。

2 基于OBE 理念的教學(xué)實(shí)施過(guò)程

2.1 學(xué)習(xí)成果設(shè)計(jì)

根據(jù)中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)科專業(yè)培養(yǎng)方案，微波技術(shù)與天線課程主要從國(guó)家社會(huì)及教育發(fā)展需要、電子信息類行業(yè)發(fā)展及職場(chǎng)需求、學(xué)校定位與發(fā)展目標(biāo)、專業(yè)學(xué)生發(fā)展與家長(zhǎng)期望四個(gè)方面制定了本課程的課程目標(biāo)，如表1 所示。

表1 微波技術(shù)與天線課程學(xué)習(xí)成果

課程目標(biāo)1、2、3 體現(xiàn)了作為電子信息類工科專業(yè)所必備的個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力與社會(huì)意識(shí)的提升，在提升學(xué)生工程分析與設(shè)計(jì)能力的基礎(chǔ)上，兼顧了學(xué)生可持續(xù)學(xué)習(xí)，對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等方面的影響。

2.2 實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)成果設(shè)計(jì)

微波技術(shù)與天線課程是信息類與通信工程類專業(yè)的一門偏向工程應(yīng)用的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)策略設(shè)計(jì)應(yīng)符合工程專業(yè)課的特征，課程采用的教學(xué)策略主要是項(xiàng)目式教學(xué)，如圖2 所示，教學(xué)過(guò)程中，教師針對(duì)教學(xué)內(nèi)容先提出幾個(gè)可行的教學(xué)項(xiàng)目；學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中始終以問(wèn)題為目標(biāo)導(dǎo)向，在解決問(wèn)題的過(guò)程中學(xué)習(xí)課程的理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)，在學(xué)習(xí)到一定程度后，進(jìn)行項(xiàng)目方案制定、項(xiàng)目制作、項(xiàng)目共享、反思改進(jìn)等環(huán)節(jié)；學(xué)生在完成項(xiàng)目的過(guò)程中鞏固理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，總結(jié)微波設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，提升微波參數(shù)的測(cè)試能力。

微波技術(shù)與天線課程主要由兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：課堂理論教學(xué)和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。理論教學(xué)過(guò)程中，首先通過(guò)科研實(shí)踐以及畢業(yè)學(xué)生的調(diào)研，在本課程的理論框架下確定教學(xué)內(nèi)容，以保障教學(xué)內(nèi)容在科研和工作實(shí)踐中的實(shí)用性。通過(guò)線上的云課堂發(fā)布課前預(yù)習(xí)資料和課后學(xué)習(xí)資料（不同的學(xué)習(xí)資料將備注其適用范圍），前者保證課堂教學(xué)效果，后者能夠?qū)W(xué)生擴(kuò)展學(xué)習(xí)提供幫助。針對(duì)課程的特點(diǎn)和專業(yè)特點(diǎn)，本課程在教學(xué)過(guò)程中還采取了如下措施[4]。

1）在課堂上采用分組討論的方式增強(qiáng)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知。增加微論文環(huán)節(jié)，要求學(xué)生分析不同頻段電磁波的特點(diǎn)，選擇一個(gè)具體的波段，查閱所選波段電磁波的具體應(yīng)用，加深了學(xué)生對(duì)微波技術(shù)應(yīng)用的理解。

2）課程內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)生活相聯(lián)系。微波課程理論知識(shí)抽象，公式推導(dǎo)枯燥繁雜，學(xué)生興趣不高。雖然課程理論抽象，但微波技術(shù)與天線在日常生活中的應(yīng)用非常普遍。用于傳輸有線電視信號(hào)的同軸電纜與機(jī)頂盒接口處，若連接姿態(tài)不正確會(huì)產(chǎn)生“花屏”，這是行駐波在作祟；由于調(diào)幅電臺(tái)發(fā)射的是垂直極化波，在室外收聽調(diào)幅廣播，收音機(jī)天線要垂直放置；家用的衛(wèi)星電視接收器需對(duì)準(zhǔn)某個(gè)方向方能使電視信號(hào)清晰，是因?yàn)榻邮仗炀€存在方向性參數(shù)。

穿插如此類的生動(dòng)形象的例子，能夠引起學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生自主觀察、自主思考的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣。

實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，課堂講授理論的同時(shí)會(huì)選擇相應(yīng)的軟件進(jìn)行相關(guān)的實(shí)踐操作，學(xué)生可以帶電腦進(jìn)課堂，跟隨老師學(xué)習(xí)。

例如，上課時(shí)使用MATLAB 進(jìn)行傳輸線中電場(chǎng)的演示，這樣可以讓學(xué)生更直觀地看到傳輸線中電磁場(chǎng)的分布，通過(guò)在MATLAB 中修改傳輸線模型參數(shù)，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的，輔助學(xué)生對(duì)物理概念的把握。

此外，為了保證教學(xué)質(zhì)量，每一部分的實(shí)操過(guò)程均錄制約10 分鐘的小視頻用于指導(dǎo)。小視頻均在微助教中上傳，學(xué)生可以自由下載學(xué)習(xí)，保證課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果[5]。

另外，每一階段，對(duì)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)效果通過(guò)線上問(wèn)卷調(diào)查進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)作出調(diào)整。

2.3 評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)成果

根據(jù)工程教育認(rèn)證理念，本課程對(duì)于課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況的評(píng)價(jià)分為定量評(píng)價(jià)和定性評(píng)價(jià)兩個(gè)方面。定量評(píng)價(jià)中，對(duì)于不同的課程分目標(biāo)設(shè)置了相對(duì)應(yīng)的考核環(huán)節(jié)和評(píng)價(jià)方式，且非常注重形成性評(píng)價(jià)，最后利用各環(huán)節(jié)學(xué)生成績(jī)和科學(xué)的達(dá)成度計(jì)算方法對(duì)各分教學(xué)目標(biāo)和總教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。定性評(píng)價(jià)指利用學(xué)生調(diào)查問(wèn)卷對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

有效的考核方式既能促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，又能檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，因此尋找有效的考核方式是本次教改的重要內(nèi)容。設(shè)定微波綜合電路設(shè)計(jì)與期末考試是占比較大的考核方式（微波綜合電路設(shè)計(jì)課程目標(biāo)達(dá)成的貢獻(xiàn)率為30%，期末考試為40%），再配合作業(yè)（20%）和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)（10%）考核方式。由于微波綜合電路設(shè)計(jì)涉及問(wèn)題分析、方案設(shè)計(jì)、方法選擇、結(jié)論分析，比較全面地涵蓋了涉及的知識(shí)點(diǎn)，答案不唯一，并且又能體現(xiàn)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，杜絕了抄襲等不良現(xiàn)象，因此是一種比較有效的考核方式。

本課程包含3 個(gè)分課程目標(biāo)，有4 種考核方式，各考核方式對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成評(píng)價(jià)的權(quán)重占比分配如表2 所示。

表2 各考核方式對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成評(píng)價(jià)的權(quán)重占比分配

采用表2 進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，對(duì)近3 年（截至2021年）微波技術(shù)與天線課程總的目標(biāo)達(dá)成度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示，可以看到，由于微波技術(shù)與天線理論具有很大的抽象性，課程目標(biāo)1 的達(dá)成度比其他兩個(gè)目標(biāo)總體稍低，但都能達(dá)到0.75左右。由于強(qiáng)化了實(shí)踐環(huán)節(jié)，課程目標(biāo)3 達(dá)成度較高。課程目標(biāo)2 對(duì)微波工程的應(yīng)用達(dá)成度也較好。

表3 近三年目標(biāo)達(dá)成度統(tǒng)計(jì)

采用問(wèn)卷調(diào)查法，圍繞課程目標(biāo)設(shè)計(jì)，從微波基本理論、微波電路設(shè)計(jì)、微波工程應(yīng)用、微波儀器使用、微波軟件使用等方面設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷，調(diào)查學(xué)生對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成情況以及對(duì)課程教學(xué)情況的感受或意見建議，近3 年調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 近三年目標(biāo)達(dá)成度統(tǒng)計(jì)

從調(diào)查結(jié)果可以看出，學(xué)生對(duì)課程目標(biāo)的達(dá)成度評(píng)價(jià)較高，且達(dá)成度評(píng)價(jià)比較穩(wěn)定。

2.4 使用學(xué)習(xí)成果

通過(guò)基于OBE 理念對(duì)微波技術(shù)與天線課程進(jìn)行改革，學(xué)生掌握與應(yīng)用微波技術(shù)與微波理論解決微波工程的能力有了很大的提升，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）能夠運(yùn)用微波技術(shù)與天線的傳輸線、阻抗匹配、縱向場(chǎng)分析方法、赫姆霍次方程、微波網(wǎng)絡(luò)、天線輻射場(chǎng)等基本理論，對(duì)微波雙導(dǎo)線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、同軸線、微帶線、阻抗匹配元件、定向耦合器、鐵氧體、天線等電路進(jìn)行描述和分析，能夠?qū)ξ⒉娐分械膯?wèn)題得出有效的結(jié)論。

2）能夠?qū)⑽⒉ㄅc天線技術(shù)中微波雙導(dǎo)線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、同軸線、微帶線、阻抗匹配元件、定向耦合器、鐵氧體、天線等相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，用于解決雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域的工程問(wèn)題。

3）能夠基于信息領(lǐng)域中微波電路設(shè)計(jì)要求，在保證人員和設(shè)備安全的前提下，采用微波傳輸線與微波元件進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，能采用微波軟件對(duì)微波電路進(jìn)行電路仿真，并通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)和調(diào)試的過(guò)程，能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析微波技術(shù)與天線課程教學(xué)存在的問(wèn)題，提出基于OBE 理念的微波技術(shù)與天線課程的教學(xué)設(shè)計(jì)方案，給出了OBE 教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程，提出了符合工程教育認(rèn)證理念的教學(xué)成果與課程目標(biāo)，設(shè)計(jì)了教學(xué)方法，針對(duì)近三年的教學(xué)情況，給出了執(zhí)行OBE 教育理念后教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度情況。從使用學(xué)習(xí)效果來(lái)看，所采用的教學(xué)方式對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的參與度，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生微波理論分析、解決微波工程問(wèn)題能力方面，都有較大的幫助。