基于BOPPPS+模式的天線與電波傳播課程教學(xué)設(shè)計(jì)探索與實(shí)踐

摘" 要" 教學(xué)設(shè)計(jì)是高校課程教學(xué)活動(dòng)的重要組成部分，也是教學(xué)實(shí)施的關(guān)鍵一環(huán)。以天線與電波傳播課程為例，對(duì)“BOPPPS+”模式教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行探索與實(shí)踐，將原教學(xué)設(shè)計(jì)修正為三個(gè)環(huán)節(jié)，將“參與式”教學(xué)組織實(shí)施修正為四個(gè)步驟。實(shí)踐表明：該方法對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、激發(fā)思維活力具有一定的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞" 天線與電波傳播；BOPPPS+；教學(xué)設(shè)計(jì)；教學(xué)組織；“參與式”教學(xué)

中圖分類號(hào)：E251.3" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）23-0-05

0" 引言

2021年4月19日，習(xí)近平總書(shū)記在清華大學(xué)考察時(shí)指出：“要培養(yǎng)一流人才方陣，建設(shè)一流大

學(xué)，關(guān)鍵是要不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。要想國(guó)家之所想、急國(guó)家之所急、應(yīng)國(guó)家之所需，抓住全面提高人才培養(yǎng)能力這個(gè)重點(diǎn)，堅(jiān)持把立德樹(shù)人作為根本任務(wù)，著力培養(yǎng)擔(dān)當(dāng)民族復(fù)興大任的時(shí)代新人?！盵1]高等學(xué)校培養(yǎng)人才最基本途徑是教學(xué)，教學(xué)是高等學(xué)校工作的中心環(huán)節(jié)，而教學(xué)效果則直接取決于教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)設(shè)計(jì)和對(duì)教學(xué)實(shí)施的合理組織[2-3]，因此，對(duì)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新已成為每一名高校教師所面臨的突出問(wèn)題。

天線與電波傳播是本科階段通信工程專業(yè)的核心課程之一，作為專業(yè)背景學(xué)科基礎(chǔ)模塊中的必修課程，該課程理論與實(shí)踐課時(shí)分配比例為4∶1，涉及內(nèi)容對(duì)學(xué)生掌握通信工程基礎(chǔ)知識(shí)，打牢專業(yè)基礎(chǔ)起到推動(dòng)作用。因此，本門(mén)課程要實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的教學(xué)目標(biāo)。首先，在知識(shí)與技能上，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)可分析出不同天線的性能，并比較典型天線的特性和應(yīng)用場(chǎng)景，能夠總結(jié)典型電波傳播方式的適用范圍，從而具備分析天線與電波傳播中遇到的實(shí)際問(wèn)題的專業(yè)技能。其次，在過(guò)程與方法上，通過(guò)理論學(xué)習(xí)、課堂討論、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練等一系列教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生能夠總結(jié)出天線結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系、天線性能與參數(shù)之間的聯(lián)系，可闡述天線與典型電波傳播的適用原則，能建立天線與電波傳播的知識(shí)體系，會(huì)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行天線的選擇和架設(shè)。最后，在情感態(tài)度與價(jià)值觀上，通過(guò)課堂展示與分享，學(xué)生具備求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科研精神，具有理性思維、創(chuàng)新意識(shí)和不怕困難勇于攀登科學(xué)高峰的學(xué)習(xí)態(tài)度。實(shí)際教學(xué)中，要達(dá)到這些教學(xué)目標(biāo)往往需要相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施予以支撐。

在現(xiàn)代教育理論中，比較有代表性的教學(xué)模式是BOPPPS。該教學(xué)模式源于加拿大的教師技能培訓(xùn)，它是一種以教育目標(biāo)為能力導(dǎo)向、以學(xué)為中心的新型教學(xué)模式[4]。BOPPPS教學(xué)模式將整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)劃分為六步：B（課程導(dǎo)入，Bridge-in）、O（學(xué)習(xí)目標(biāo)，Objective）、P（課前測(cè)試，Pre-assessment）、P（參與式學(xué)習(xí)，Participatory Learning）、P（課后檢測(cè)，Post-assessment）、S（歸納總結(jié)，Summary）[5]。“BOPPPS+”模式是在傳統(tǒng)的“BOPPPS”模式基礎(chǔ)上，按照“能力導(dǎo)向”和“學(xué)為中心”的總要求，將“參與式學(xué)習(xí)”貫穿教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的全過(guò)程，科學(xué)設(shè)計(jì)“課程導(dǎo)入”和“學(xué)習(xí)目標(biāo)”，抓細(xì)抓實(shí)“課前測(cè)試”和“課后檢測(cè)”，并在歸納總結(jié)中巧妙融入思政元素[6]。結(jié)合課程特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)的總要求，基于“BOPPPS+”模式的“參與式”教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施將非常適合天線與電波傳播課程的教學(xué)組織。

1" “參與式”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)思路

激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生思維活力，必須從“參與式”開(kāi)始，探究是過(guò)程，聯(lián)系實(shí)際是最終目標(biāo)[7]。“參與式”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)將原教學(xué)設(shè)計(jì)修正為三個(gè)環(huán)節(jié)，包括核心要點(diǎn)、學(xué)用相長(zhǎng)和融會(huì)貫通，設(shè)計(jì)中通過(guò)“滲透+啟發(fā)”“演示+辯論”“對(duì)話+案例”等環(huán)節(jié)階梯式地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，從而以創(chuàng)新思維重塑課堂。

天線與電波傳播課程理論性強(qiáng)、概念較抽象，同時(shí)，它還具有工程性強(qiáng)、聯(lián)系實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)高、內(nèi)容繁多、知識(shí)記憶難度大等特點(diǎn)。因此，確立本課程教學(xué)設(shè)計(jì)的總體思路為：首先，契合課程教學(xué)大綱和人才培養(yǎng)方案所確立的培養(yǎng)目標(biāo)，注重理論知識(shí)、工程實(shí)踐與應(yīng)用相結(jié)合，大力培養(yǎng)學(xué)生分析解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力；其次，通過(guò)“抽象呈現(xiàn)→形象展示→空間想象”的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要概念所包含的物理意義的深刻理解；最后，以“夯實(shí)基礎(chǔ)、循序漸進(jìn)、深入剖析”的基本思路組織教學(xué)設(shè)計(jì)。

天線與電波傳播課程的教學(xué)設(shè)計(jì)總體上分為“天線基礎(chǔ)知識(shí)”“典型天線特性及應(yīng)用”“電波傳播”三大模塊，如圖1所示。設(shè)計(jì)突出以“對(duì)稱振子天線”為中心，以“關(guān)鍵定理和原理”為重點(diǎn)，以“頻帶窄寬和頻段變化”為主線，整體上符合由淺入深、循序漸進(jìn)的認(rèn)知規(guī)律。

1.1" 天線基礎(chǔ)知識(shí)

如圖1所示，“天線基礎(chǔ)知識(shí)”模塊主要闡述基本振子的輻射模型、天線的電參數(shù)（發(fā)射、接收）、對(duì)稱振子的輻射、天線陣的相關(guān)理論以及地面對(duì)天線電性能的影響。此部分內(nèi)容相對(duì)抽象、難懂，鑒于此，教學(xué)過(guò)程中需適當(dāng)放寬對(duì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)的要求，重在強(qiáng)調(diào)對(duì)物理概念和實(shí)際意義的理解，力求做到重點(diǎn)突出、難點(diǎn)吃透，幫助學(xué)生快速建立起一個(gè)相對(duì)完整的天線理論體系。天線基礎(chǔ)知識(shí)模塊也是本門(mén)課程教學(xué)的核心，更是教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。因此，結(jié)合其所含知識(shí)內(nèi)容的特點(diǎn)，并把握“參與式”教學(xué)的三個(gè)環(huán)節(jié)，采用“滲透+啟發(fā)”的教學(xué)策略，其中知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系如圖2所示。

教學(xué)中需首先引導(dǎo)學(xué)生由“電”和“磁”的相互關(guān)系去探究電基本振子的輻射特性，進(jìn)而由電磁對(duì)偶原理，在電基本振子的輻射特性的基礎(chǔ)上總結(jié)出磁基本振子輻射特性，并進(jìn)一步分析得出衡量天線性能的電參數(shù)；其次，結(jié)合電基本振子的輻射特性和疊加原理，總結(jié)對(duì)稱振子天線的輻射特性；并針對(duì)對(duì)稱振子天線方向性弱這一問(wèn)題，圍繞如何提高方向性，探索出通過(guò)布放陣列天線的方法提高天線的方向性的結(jié)論；最后，將自由空間中天線的分析結(jié)論引入實(shí)際，分析地面對(duì)天線電性能的影響。

在融入思政元素的教學(xué)設(shè)計(jì)上，首先通過(guò)引入特斯拉線圈了解杰出發(fā)明家特斯拉，學(xué)習(xí)其人品、學(xué)風(fēng)和創(chuàng)新意識(shí)；其次，通過(guò)學(xué)習(xí)麥克斯韋方程組，了解法拉第、赫茲、馬可尼等杰出科學(xué)家銳意進(jìn)取的科研精神，感悟方程組的科學(xué)美。在“天線基礎(chǔ)知識(shí)”模塊設(shè)計(jì)中要體現(xiàn)“緊跟經(jīng)典科學(xué)發(fā)現(xiàn)的軌跡，講好基本理論”的思想。

1.2" 典型天線特性及應(yīng)用

“典型天線特性及應(yīng)用”模塊主要闡述簡(jiǎn)單線天線（雙極天線）、行波天線（行波單導(dǎo)線、菱形天線）、非頻變天線（平面等角螺旋天線、阿基米德螺旋天線、對(duì)數(shù)周期天線）、面天線（旋轉(zhuǎn)拋物面天線、卡塞格倫天線、喇叭天線）的工作原理、使用范圍、具體應(yīng)用等，此部分是對(duì)“天線基礎(chǔ)知識(shí)”模塊所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，即對(duì)具體天線的工作原理和主要電參數(shù)進(jìn)行分析。因此，采用“演示+辯論”的教學(xué)策略，以頻帶變化（頻帶寬度由窄到寬）為主線，以理論與實(shí)踐的辯證關(guān)系為根本遵循，引導(dǎo)學(xué)生探究實(shí)際天線的應(yīng)用問(wèn)題，力求主線清晰、理論聯(lián)系實(shí)際。

在融入思政元素的教學(xué)設(shè)計(jì)上，首先通過(guò)引入“中國(guó)天眼”向全世界開(kāi)放的大國(guó)壯舉，了解大國(guó)重器，體驗(yàn)國(guó)之驕傲；同時(shí)，學(xué)習(xí)人民科學(xué)家南仁東的光榮事跡。

1.3" 電波傳播

“電波傳播”模塊主要包括菲涅爾區(qū)概念、視距傳播、地波傳播、天波傳播等知識(shí)點(diǎn)，在內(nèi)容上遵循頻率由高到低的順序，將無(wú)線電波的各種傳播方式及特點(diǎn)前后連貫起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的電波傳播理論體系。由于此部分內(nèi)容的應(yīng)用性較強(qiáng)，理論聯(lián)系實(shí)際的要求標(biāo)準(zhǔn)高，故采用“對(duì)話+案例”的教學(xué)策略，綜合運(yùn)用利用慕課平臺(tái)、案例等資源，以各電波傳播方式適用的場(chǎng)景為牽引，通過(guò)提出“為什么收音機(jī)調(diào)頻波段的效果好？為什么晚上能夠收到更多的中波電臺(tái)？手機(jī)天線為什么可以做得這么小而衛(wèi)星接收天線則是一個(gè)大得多的‘鍋蓋’天線？”等問(wèn)題，提升學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)、主動(dòng)分析并解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

在融入思政元素的教學(xué)設(shè)計(jì)上，通過(guò)引入軍事典型案例，將積極的心態(tài)、正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀傳遞給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的產(chǎn)業(yè)自信、民族自豪感和職業(yè)責(zé)任感。即在“電波傳播”模塊中讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)到無(wú)線電波傳播對(duì)國(guó)防現(xiàn)代化的巨大作用。

2" “參與式”教學(xué)組織實(shí)施

緊緊圍繞天線與電波傳播課程教學(xué)設(shè)計(jì)的根本目標(biāo)，將“參與式”教學(xué)組織實(shí)施修正為四個(gè)步驟，包括“講、探、議、鳴”，主要解決“What、Why、How to、Resonance”四個(gè)基本問(wèn)題，用問(wèn)題啟發(fā)思考，用探究引出理論，用理論聯(lián)系實(shí)際。

2.1" 教師講

“教師講”主要解決“What——是什么”的問(wèn)題。教學(xué)過(guò)程中鼓勵(lì)學(xué)生就教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，課上教師則通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的講解，讓學(xué)生在掌握基本理論的同時(shí)理解理論的研究背景和適用場(chǎng)合。此步驟的具體展開(kāi)形式如圖3所示，此方式既夯實(shí)了學(xué)生的理論基礎(chǔ)，又為學(xué)生探究新問(wèn)題創(chuàng)造了條件。

2.2" 學(xué)生探

“學(xué)生探”主要解決“Why——為什么”的問(wèn)題。教學(xué)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生提出不同的理論觀點(diǎn)，強(qiáng)化問(wèn)題意識(shí)和批判意識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立搜集、整理與課程相關(guān)的研究成果，并運(yùn)用所學(xué)理論進(jìn)行邏輯分析，教師則對(duì)學(xué)生分析問(wèn)題的過(guò)程、解決思路進(jìn)行答疑解惑和全流程的動(dòng)態(tài)管理，將課堂從單純的知識(shí)傳授轉(zhuǎn)變成質(zhì)疑、解疑的過(guò)程，此步驟的具體展開(kāi)形式如表1所示。

2.3" 師生議

“師生議”主要解決“How to——怎么用”的問(wèn)題。理論聯(lián)系實(shí)際能力的培養(yǎng)是當(dāng)代素質(zhì)教育的關(guān)鍵，教學(xué)過(guò)程中通過(guò)“師生議”，鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)不同問(wèn)題提出不同觀點(diǎn)，即由問(wèn)題“滋養(yǎng)”新知識(shí)，進(jìn)而產(chǎn)生思維碰撞的火花。通過(guò)不斷探究和培養(yǎng)學(xué)生的“生疑、質(zhì)疑和釋疑”能力，促使學(xué)生養(yǎng)成不怕困難、勇于攀登科學(xué)高峰的科學(xué)精神，圖4所示為拓展天線帶寬的探究過(guò)程。

2.4" 師生鳴

“師生鳴”主要解決“Resonance——共鳴”的問(wèn)題。在引領(lǐng)學(xué)生系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和正確理解天線與電波傳播的基本概念、基本理論和基本方法的過(guò)程中，跟蹤學(xué)科前沿，追溯學(xué)科發(fā)展，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)研究的一般規(guī)律，進(jìn)而樹(shù)立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，實(shí)現(xiàn)天線與電波傳播課程的科學(xué)文化價(jià)值及科學(xué)方法價(jià)值，圖5為天線伴隨無(wú)線電發(fā)展進(jìn)程示意圖。

3" 結(jié)束語(yǔ)

在基于“BOPPPS+”模式的教學(xué)設(shè)計(jì)中，“參與式”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與教學(xué)組織實(shí)施是其中的重要環(huán)節(jié)。其中，教學(xué)內(nèi)容的選擇要注重知識(shí)的連貫性，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性；而教學(xué)實(shí)施的過(guò)程要注重體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，引發(fā)學(xué)生思考并進(jìn)行主動(dòng)探究。天線與電波傳播課程的實(shí)踐與探索表明：基于“BOPPPS+”模式的課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方法有助于學(xué)生夯實(shí)理論基礎(chǔ)和培養(yǎng)邏輯思維，其對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的提高具有很好的推動(dòng)作用。該設(shè)計(jì)方法的驗(yàn)證與改進(jìn)仍在繼續(xù)，隨著教學(xué)改革的不斷深化以及對(duì)實(shí)踐反饋的總結(jié)，其設(shè)計(jì)方法將得到優(yōu)化和完善。

4" 參考文獻(xiàn)

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