新工科背景下《電波傳輸與天線》的課程教學(xué)改革研究

王菲，關(guān)云靜

（西安交通工程學(xué)院 中興通信學(xué)院，陜西西安，710300）

0 引言

當(dāng)前我國工業(yè)建設(shè)迫切的需要地方應(yīng)用型本科高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)和跨學(xué)科能力的工程技術(shù)人才[1-3]?！靶鹿た啤碑?dāng)中的“新”字重點(diǎn)體現(xiàn)了新時代的特色，與傳統(tǒng)工科特點(diǎn)相比來說，新工科的培養(yǎng)機(jī)制更加注重對未來科學(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，完美體現(xiàn)了不同的交叉學(xué)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(yè)與電子信息工程本科專業(yè)的專業(yè)核心課程，是通信工程和電子信息工程專業(yè)的本科學(xué)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(xué)和實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中的要求都非常高。傳統(tǒng)模式下的教學(xué)方式已經(jīng)不能完全適應(yīng)“新工科”背景模式下對于教學(xué)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(xué)改革研究是一個很迫切的研究內(nèi)容。本文通過了解“新工科”背景模式下的發(fā)展方向和目標(biāo)，同時將《電波傳輸與天線》這門課程作為代表，探索傳統(tǒng)教學(xué)模式在教學(xué)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(tǒng)的《電波傳輸與天線》在教學(xué)中存在的問題

通過對《電波傳輸與天線》該門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握電磁場的基本理論、定理和定律，傳輸線理論、波導(dǎo)理論、微波網(wǎng)絡(luò)理論、電磁輻射理論、天線原理等相關(guān)內(nèi)容?！峨姴▊鬏斉c天線》需要大量的大學(xué)物理和高等數(shù)學(xué)等相關(guān)知識，該門課程的數(shù)學(xué)推導(dǎo)相當(dāng)復(fù)雜，物理概念也非常抽象，學(xué)生和教師都普遍認(rèn)為《電波傳輸與天線》課程是通信工程與電子信息工程專業(yè)中學(xué)習(xí)難度非常大的一門專業(yè)課程之一。而對于大多數(shù)學(xué)生來說，其數(shù)學(xué)和物理的基礎(chǔ)較差，對于課堂上出現(xiàn)的大量公式推導(dǎo)顯得枯燥，促使學(xué)生學(xué)習(xí)積極性非常低，從而導(dǎo)致大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)效果較差。

1.1 課程體系不適應(yīng)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(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，西安交通工程學(xué)院通信工程與電子信息工程本科專業(yè)的辦學(xué)定位是培養(yǎng)應(yīng)用型人才，但是《電波傳輸與天線》該門課程的課程教學(xué)大綱是依照全國電子通信類重點(diǎn)院校的教學(xué)大綱來制定的。目前來說，《電波傳輸與天線》該門課程在教學(xué)過程中，內(nèi)容理論性過強(qiáng)，數(shù)學(xué)推導(dǎo)過于復(fù)雜，物理概念非常抽象。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中很難與電磁波實(shí)際的工程應(yīng)用情況聯(lián)系起來，所以導(dǎo)致學(xué)生在課后是很難能夠達(dá)到學(xué)以致用的效果，這就促使學(xué)生完全脫離了當(dāng)前專業(yè)領(lǐng)域中復(fù)雜的工程問題。綜上所述，目前該門課程體系的設(shè)置并不完全適應(yīng)應(yīng)用型人才教育培養(yǎng)的要求。

1.2 學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高

《電波傳輸與天線》這門課程的培養(yǎng)目標(biāo)是理論聯(lián)系實(shí)際工程背景的能力，但是在實(shí)際教學(xué)工作中出現(xiàn)的問題是理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)沒有進(jìn)行深度的融合。該門課程十分抽象難懂，導(dǎo)致學(xué)習(xí)熱情大幅度下降，只有部分同學(xué)可以跟上教師講解的進(jìn)度。教師在教學(xué)過程中完全參考教學(xué)大綱以及教材來講解這些抽象的知識點(diǎn)，而且在上課的過程中還有很多公式的推導(dǎo)，這種模式是很難調(diào)動學(xué)生的積極性。

1.3 教學(xué)模式較傳統(tǒng)

目前大多數(shù)的教學(xué)模式都是采用PPT+板書相結(jié)合的模式，按時這些并未從本質(zhì)上體現(xiàn)“新工科”要求對應(yīng)用型本科培養(yǎng)的要求。首先在教學(xué)上，教師局限于課本內(nèi)容，基本的電磁場特征和現(xiàn)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(guān)實(shí)際工程應(yīng)用所涉及的資料是非常缺乏的，這就導(dǎo)致教師在授課的時候是非常枯燥的；其次現(xiàn)在的課堂模式仍然是教師主講，學(xué)生被動聽的模式，在課堂上，學(xué)生比較被動，從而導(dǎo)致課堂沒有帶入性。最后是由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制的原因，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式過于單一，學(xué)生只能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成指定的實(shí)驗(yàn)。

2 “新工科”背景下《電波傳輸與天線》的教學(xué)改革

針對傳統(tǒng)教學(xué)模式下的弊端以及通信工程和電子信息工程專業(yè)的培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目標(biāo)，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(xué)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(yīng)根據(jù)課程大綱的要求，針對不同專業(yè)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(nèi)容涵蓋了電磁場與電磁波、微波技術(shù)與天線兩部分的教學(xué)內(nèi)容，所以選擇教材應(yīng)該是對這兩部分內(nèi)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(jù)該課程在專業(yè)建設(shè)的地位中決定少講或不講相關(guān)性不大的內(nèi)容。最后在教學(xué)的過程中還要實(shí)時更新教學(xué)內(nèi)容與方式，以此來激發(fā)學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 建設(shè)雙師型教學(xué)團(tuán)隊(duì)，教學(xué)中引入科研

教學(xué)工作和科學(xué)研究是息息相關(guān)的，科研和教學(xué)工作通過相互之間的促進(jìn)作用，引入科研機(jī)構(gòu)參與到整個教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中，使得人才培養(yǎng)目標(biāo)和行業(yè)需求緊緊結(jié)合在一起。針對學(xué)校的實(shí)際情況，學(xué)院的專業(yè)課教師針對自己的專業(yè)方向和研究方向，不定期的參加相關(guān)培訓(xùn)，加強(qiáng)和鞏固雙師型師資的培養(yǎng)，使得專業(yè)課教師在講解課程時能夠把電磁場工程應(yīng)用背景在課堂上展現(xiàn)，讓學(xué)生對知識的理解不再是枯燥的數(shù)學(xué)符號，而是實(shí)際的工程模型。任課教師還可以引導(dǎo)對課程感興趣的學(xué)生，讓其積極的參與到教師的相關(guān)研究課題當(dāng)中，以此來鞏固對知識的理解和應(yīng)用。

2.3 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合

新工科背景下《電波傳輸與天線》的實(shí)踐教學(xué)是改革的重要組成部分之一，目前該門課程的教學(xué)大綱安排的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容沒有更新，比較陳舊，學(xué)時很少，只有8個學(xué)時，影響了學(xué)生對課程知識點(diǎn)的深入理解，從而降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。新工科背景下實(shí)踐教學(xué)改革的是以單獨(dú)的項(xiàng)目形式來完成實(shí)驗(yàn)的選題和方案制定[6][7]，要求學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最終的實(shí)驗(yàn)成績也不是單一的，它是以項(xiàng)目組成員所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行專題匯報和審閱報告相結(jié)合的方法來評定成績，以這樣項(xiàng)目化的實(shí)踐教學(xué)方式學(xué)生很容易產(chǎn)生成就感，也就很容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，體現(xiàn)了實(shí)踐性與理論性的完美結(jié)合。

參照該門課程目前課程大綱中的實(shí)踐課時，以及針對各個章節(jié)重難點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適合學(xué)生的項(xiàng)目。包括微波技術(shù)部分當(dāng)中匹配電路的設(shè)計(jì)如圖1，涉及到的基礎(chǔ)知識主要包括微帶傳輸線、阻抗匹配、反射系數(shù)、駐波比、Smith 圓圖、單枝節(jié)匹配和雙枝節(jié)匹配等相關(guān)內(nèi)容，這些內(nèi)容主要對應(yīng)的是微波傳輸線方面知識的實(shí)際應(yīng)用。其次還包括天線部分的半波偶極子天線的設(shè)計(jì)：涉及到的知識主要有電偶極子的輻射與方向系數(shù)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(guān)電參數(shù)，這些主要對應(yīng)于電磁輻射與天線知識的實(shí)際應(yīng)用。

圖1 阻抗圓圖

圖2 電偶極子的方向系數(shù)與輻射

2.4 課堂情景模式的改革

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的逐步發(fā)展，目前很多新型的教學(xué)手段如“翻轉(zhuǎn)課堂”和“中國大學(xué)MOOC“等在高校中不斷的推廣和實(shí)施[9]，同時教師還可以使用騰訊會議、釘釘?shù)认嚓P(guān)軟件來進(jìn)行授課，提高學(xué)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(jié)合西安交通工程學(xué)院線上教學(xué)模式實(shí)際情況，任課教師在學(xué)習(xí)通上建設(shè)《電波傳輸與天線》的課程資料，學(xué)生在課堂上沒有聽明白的內(nèi)容可以在線上繼續(xù)學(xué)習(xí)，同時可以提問，并參與討論。傳統(tǒng)的板書+PPT教學(xué)模式要與學(xué)生實(shí)際相情況適應(yīng)，增加情景搭建，讓課堂教學(xué)形象化，如在講授電磁場與電磁波部分內(nèi)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(jìn)行展示[8]。

2.5 督促學(xué)生積極參加學(xué)科競賽

通過參加各類學(xué)科競賽，使得學(xué)生對課程知識點(diǎn)的理解，以及與其他課程的連接有進(jìn)一步的理解。如指導(dǎo)學(xué)生參加“全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯”和“全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽”等相關(guān)競賽，充分利用大賽這種賽制，以此來綜合檢驗(yàn)學(xué)生的應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

2.6 開展校企合作

通過開展校企合作的方式，學(xué)校與相關(guān)企業(yè)合作開設(shè)專業(yè)課程，使得學(xué)生能夠了解實(shí)際應(yīng)用場景并鍛煉了動手能力。

3 總結(jié)

新工科背景下《電波傳輸與天線》的教學(xué)改革相比較傳統(tǒng)教學(xué)過程，是面向新時代下經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對動態(tài)變化的概念[10][11]。本文從教材的選擇、教師團(tuán)隊(duì)的建設(shè)、理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的相結(jié)合模式、課堂情景模式的改革以及學(xué)生參與到競賽和科研當(dāng)中等方面出發(fā)，以培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才為目標(biāo)，探索《電波傳輸與天線》課程教學(xué)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(fā)掘每個學(xué)生的潛在能力，要作為學(xué)生在學(xué)生上的向?qū)?，這樣的話，才能全面提高學(xué)生的綜合能力，達(dá)到應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的目標(biāo)。