從認知學淺談《教學大綱》在《微波技術基礎》教學中的作用

駱無窮 唐璞 M. Wang M. Gerber

摘 要：文章在學生工程教育培養模式的基礎上，提出了《教學大綱》在《微波技術基礎》教學過程中的作用。從認知學的角度討論了《教學大綱》對促進學生在學習過程中的自我認知和評價的作用；對教師在教學過程中強化學生知識點的學習過程以及學生工程實踐能力培養方面的指導作用。

關鍵詞：教學大綱；微波技術基礎；認知學；工程實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）13-0092-03

Abstract： This thesis analyzes the function of the syllabus in the teaching of Microwave Technology on the basis of engineering education model. From the perspective of cognition， this paper discusses the syllabus' functions in promoting students' self-awareness and evaluation， and providing guidance for teachers in strengthening the key points and cultivating students' practical ability.

Keywords： syllabus； Microwave Technology； theory of cognition； engineering practice

近幾年來隨著我國對本科生教育特別是工程類本科生教育重視程度的加深，教育界對工程學教育的方針、方式和方法展開了大量的討論和研究工作[1]，發展并推廣了以“學生為中心”的教學模式[2，3]，提出了基于“學習產出”的工程教育模式（OBE： Outcomes based education）等不同理念，推行工程教育認證和“卓越工程師培養計劃”，應用日新月異的科技手段推行翻轉課堂和慕課等新型教學形式[4]。例如，從2005年引入的CDIO工程教育模式將教師為中心的教學模式進化到學生為中心的教學模式[1-3]，以及最近幾年推行的工程教育認證體系都對傳統的工程教育體系產生了較大的影響和沖擊[4]，這些工作對目前和未來的工程學教育都有著非同一般的意義。

在傳統的以教師為中心的傳統教學模式中，教師將知識進行細化、歸納之后，再以授課的方式傳授給學生。該模式下教師“撒播”知識，學生“接受”知識，教師雖然也會關注學生的學習成果，但是較少在學生如何有效地獲得知識的層面上進行考慮。與此相比，目前已經得到驗證的以學生為中心的教學模式將知識的傳授和獲取作為一個整體來考慮，將人類在獲取新知識過程中的認知科學應用到教學中，以學習成果為著眼點，要求教師從學生獲取知識的角度出發安排和組織教學活動。教學的目的是為了讓學生獲得知識并且能夠進行有效的應用，以學生為中心的教學模式顯然更貼近教學的終極目的。

一、《微波技術基礎》的電磁學理論和工程實踐要求

《微波技術基礎》是工科無線電、電子工程和通信工程類專業的一門重要技術基礎課，也是國內外大學普遍開設的電子類專業課程。電子科技大學的“電磁場與微波技術”學科所涵蓋的國家級特色專業“電磁場與無線技術”與國防特色專業“電波傳播與天線”均把該門課程作為專業核心課程。作為一門非常具有典型性的工程類專業課，在課程教學綱領設計上就需要全面考慮工程類專業課教育的特點及其與工科學生素質培養目標之前的關聯。

工程教育學是在教育學基礎上發展起來的、與工程學領域緊密相關的一門學科。它不僅需要在教育理念這個大概念上進行研究分析，同時具體涉及到某一個學科方向的教學方式方法研究，進而細化到每一門課程教學過程中有針對性的方式方法問題。根據工程教育培養方案的設定，學生在工程類學科的學習過程中要逐步形成工程師的思維模式，能夠在本學科領域的工程實踐中發現問題，研究問題并最終解決問題。

《微波技術基礎》是工科無線電、電子工程和通信工程類專業的一門重要技術基礎課，也是國內外大學普遍開設的電子類專業課程。電子科技大學的“電磁場與微波技術”學科所涵蓋的國家級特色專業“電磁場與無線技術”與國防特色專業“電波傳播與天線”均把該門課程作為專業核心課程?！段⒉夹g基礎》要求從電磁場理論的角度出發，結合電路理論的觀點對具體的微波導行、激勵系統進行深入的闡述和講解。該課程的學習和理解對相關專業學生的專業素養培養具有不可替代的作用，其學習效果的好壞直接影響學生的后續學習。以微波技術基礎教學為載體，聯系電路理論和電磁場理論最終形成以微波技術為基礎的微波工程學概念是本課程的宗旨。

從以上《微波技術基礎》在電磁場教學體系中的討論可以發現，本課程同時對學生的理論素養和工程實踐有要求。

二、從認知學角度對《教學大綱》的分析

認知學是一門研究大腦如何獲取、處理和儲存信息，并且在需要的時候回憶提取信息的科學[5，6]。認知學作為一門專業學科已經被廣泛應用于人工智能和醫學神經研究等方向，隨著教育學研究的不斷發展，認知學中關于人類學習知識的理論已經開始被逐漸應用于教學實踐中。學生從課堂教學、閱讀、實驗或討論等環節中獲取信息，從中提取重點的信息進行歸納總結為知識點儲存進大腦，并且在思考、實驗、實踐或者考試等環節中將相應的知識點提取出來進行回憶或者應用，這個過程和教學過程中學生的學習過程是一致的，其過程涵蓋了工程類學生學習過程中的知識獲取、知識提取和知識應用（實踐）的所有過程[7]。

教學的目的是為了讓學生能夠在相對短的時間內快速有效的掌握相關的知識點，并能將學到的知識應用到實際問題解決（Problem-solving）中去。從認知學的角度來講，無論是教師還是學生在上課之前都需要對教學培養目標有非常清晰的認識。教師只有在明晰的教學培養目標的指引下，才能有針對性的設計和安排教學環節，包括對課堂內容的時間安排，對不同教學內容的教學形式安排，以及相應的作業、課程設計，在課程進行過程中有效獲取學生學習反饋的設計，和結束后對學生學習效果的考核標準的制定等。

教學大綱明確規定本門課程在專業教學計劃中的地位和作用，確定本門課程教學的基本任務和要求，依據學科的知識系統與有關先行課、后繼課之間的聯系，確定各章、節的基本內容、重點和難點，并能反映出本學科的新成就和學科發展的方向；同時提出本門課程教學組織實施的原則和學時數，并分列講授課、習題課、實驗課及其他實踐性教學環節等的教學時數的分配。教學大綱不僅是講授大綱，還是指導學生自學和培養學生能力的綱要[8]。

對學生來說，明晰確定的教學培養目標有助于學生明了課程本身的要求，避免針對教學重點的猜測——這種猜測在考試復習階段表現的尤其明顯，很多學生試圖通過各種渠道明確某一門課程的教學重點（而這些眾多的渠道中，教學大綱反而是最容易被忽略的）。如果教學培養目標和教學重點是非常明確并且教師在上課過程中有效地強化了其課程指導的綱領作用，就可以避免學生把精力用在這種猜謎式的學習上，這種猜謎式的學習通常導致了學生學習效率的低下和知識點掌握的不確定性。

《微波技術基礎》的教學培養目標是培養學生掌握微波傳輸線、微波導波系統、微波無源元件以及微波諧振腔的基礎理論及其在實際工程中應用的能力；同時由于本課程在本專業教學培養計劃中“承上啟下”的作用，本課程的教學需要為學生學習后續專業課程奠定堅實的基礎，進一步培養學生建立“工程問題解決”模式和思考方法[9]。針對這一教學培養目標，學生在學習本課程過程中需要掌握的知識包括：

1. 微波的概念、特點及其工程應用；

2. 導波系統的場分析方法，導波分類、各類導波系統的特性，和導波狀態（傳輸態和截止態）；

3. 導波的傳輸功率、能量及衰減；

4. 規則波導（同軸線、矩形波導、圓形波導）正規模的特性以及波導的激勵方法；

5. 傳輸線方程、分布參數阻抗、無耗線的工作狀態及參量計算；

6. 利用史密斯圓圖進行傳輸線阻抗匹配；

7. 微波諧振器的基本特性與參數，包括串聯和并聯諧振電路、傳輸線諧振器、金屬波導諧振腔、介質諧振器和法布里-珀羅諧振器；諧振器的激勵與耦合以及微擾理論。

需要了解的知識點包括：

1. 1～4端口微波無源元件特性、典型器件及其應用；

2. 微波周期結構特性及其應用；

3. 微波鐵氧體的特性及其應用。

從上述《微波技術基礎》教學大綱的具體內容可以看出，大綱不僅對學生的學習內容有非常明確的說明，同時對不同的內容學生需要掌握的程度也有非常清晰的描述。根據Bloom思維認知學理論，學生經過一段時間的學習后體現出對知識的不同程度的掌握。在知識掌握的層次上可以分成以下五個層次：記憶、理解、應用、分析、綜合和評鑒[7]。

記憶指記憶知識，對學過的知識和有關材料能識別和再現；在這個層次上學生能夠將所學的知識進行確認、選擇和背誦等。

理解指對知識的掌握，能抓住事物的本質，把握材料中的意義和中心思想；在這個層次上學生能夠將所學的知識用自己的語言進行描述，判斷所學過的知識等。

應用指把所學的知識應用于新情境；在這個層次中學生能夠應用所學的知識進行計算、操作、設計等。

分析指能夠將知識進行分解，找出組成要素，并分析相互關系和組成原理；在這個層次上學生能夠對事物進行具體分析、敘述理由、進行一定程度的推理和邏輯區分。

綜合指把各個元素或部分組成新的整體，在這個層次上學生能夠對所學的知識進行聯系、合成、歸納和總結等。

評鑒指根據一定的標準對問題進行價值和可行性判斷，在這個層次上學生能夠比較分析、評價效果、判斷科學價值等。

《微波技術基礎》在具體的教材內容上的要求分別用了“掌握”和“了解”，這兩個說法，分別對應Bloom思維認知學理論中的“記憶”和“理解”層次，同時因為需要對具體的微波參數進行計算，所以實際對知識點的掌握層次是“應用”層次。同時，由于《教學大綱》中提出的微波技術知識構架和電子工程學思維模式培養問題，則涉及到了后面“分析”到“評鑒”的層次。同時，因為知識構架和思維模式不是單憑一門課或者一個學期就能培養起來的，所以后面幾個層次的培養實際上是貫穿到整個本科生學生素質培養體系中的。

課程的教學大綱是課程教學和學生最終成績評定的標準。教師通常會在課程剛開始的時候強調教學大綱和課程教學內容之間的關系，卻很少強調教學大綱和學生最終成績考核之間的關系：即最終考核內容完全由教學大綱確定。這樣的做法初衷是為了能夠讓學生因為不確定考核內容而多學一些和本課程相關的知識，結果學生的實際行動卻走向了另外一個方向：由于不確定考核內容，學生向高年級學長求教真正的考核（考試）內容，甚至向私人購買歷年考試真題，導致課程的題庫外泄，私人借盜版相關的學習資料牟利。

作者在多年的執教過程中發現，學生非但沒有因為不確定考核內容多學一點專業知識，反而由于積極尋求考試真題用于刷題而忽略了對理論知識的深入學習和應用探索。例如，許多重修的學生唯一采用的學習方法就是刷題，由于無法把所有題目都記下來，在遇到相似題目的時候就使用強背下的內容作答。

三、結束語

綜上所述，在教學過程中不斷強調教學大綱和本課程教學的關系，讓學生在學習過程中對本課程的學習產出有非常明確的認識，從而引導他們積極地向既定的培養目標前進，有助于鼓勵學生對學習的自我認知和肯定。同時，以認知學為理論基礎，明了學生學習過程中的客觀規律，有助于教師進一步合理有效地引導學生強化對課程內容的學習。

參考文獻：

[1]李志義.解析工程教育專業認證的學生中心理念[J].中國高等教育，2014（21）.

[2]丁笑炯.以學生為中心的教學：歷史回顧與最新進展[J].教育發展研究，2005（22）.

[3]王嘉毅，等.再論“以學生為中心”的教學意蘊與實踐樣態[J].中國教育學刊，2015（8）.

[4]林建.工程教育認證與工程教育改革和發展[J].高等工程教育研究，2015（2）.

[5]J.H.Frenster. Matrix cognition in medical artificial intelligence[J].Engineering in Medicine and Biology Society， Images of the Twenty-First Century. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in， 1989.

[6]Baxter Magolda. Knowing and reasoning in college： Gender-related patterns in students' intellectual development[M].San Frasisco： Jossey-Bass.

[7]H. Fry， S. Ketteridge， and S. Marshall， A hand book for teaching & learning in higher education[M].Kogan Page， UK.

[8]楊龍立，等.課程標準（教學計劃或教學大綱）組成要素的探討[J].教育學報，2010（6）.

[9]徐銳敏，唐璞.微波技術基礎[M].科學出版社.