面向?qū)I(yè)認(rèn)證的“天線(xiàn)與電波傳播”課程教學(xué)改革

倪 春，吳全奇，況曉靜，張忠祥，孔 勐

(合肥師范學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

我國(guó)的高等教育事業(yè)在新世紀(jì)取得了較快的發(fā)展，辦學(xué)水平不斷提高，招生規(guī)模逐年增加。截至2020年，全國(guó)共有普通本專(zhuān)科高校2738所，具有本科層次辦學(xué)資質(zhì)的高校共1270所，普通本科在校生人數(shù)達(dá)到1825萬(wàn)人。普通本科高校中工科專(zhuān)業(yè)點(diǎn)數(shù)超過(guò)15000個(gè)，工科專(zhuān)業(yè)在校生規(guī)模超過(guò)500萬(wàn)人。高等教育事業(yè)的發(fā)展，為建設(shè)我國(guó)的現(xiàn)代化事業(yè)，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)培養(yǎng)了一大批專(zhuān)業(yè)人才。

目前，全球正迎來(lái)新一輪科技大爆發(fā)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，世界范圍內(nèi)科技創(chuàng)新正在加速前進(jìn)，以信息技術(shù)、材料科學(xué)、生物科學(xué)和能源技術(shù)等為代表的新科技正在重構(gòu)人們的社會(huì)生活，一個(gè)新的時(shí)代即將到來(lái)。科技的創(chuàng)新發(fā)展帶來(lái)了新機(jī)遇的同時(shí)，也加劇了主要經(jīng)濟(jì)體之間的科技競(jìng)爭(zhēng)。以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家以掌握先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為傲，通過(guò)其科技霸權(quán)長(zhǎng)期壓榨發(fā)展中國(guó)家的發(fā)展利益。美國(guó)更是為了確保其科技霸權(quán)不受影響，開(kāi)始全面打壓我國(guó)的高端科技產(chǎn)業(yè)，想以此達(dá)到抑制我國(guó)科技發(fā)展的目的。

面對(duì)科教事業(yè)新起點(diǎn)和國(guó)際關(guān)系新動(dòng)態(tài)，政府和民眾對(duì)于培育更多優(yōu)秀科技人才、攻堅(jiān)克難、解決關(guān)鍵核心技術(shù)的需求也越來(lái)越迫切。我國(guó)在2006年啟動(dòng)了工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證工作，并在2016年正式加入工程教育認(rèn)證的國(guó)際協(xié)議組織[1]。工程教育認(rèn)證以其先進(jìn)的教學(xué)理念獲得了國(guó)際社會(huì)的廣泛認(rèn)可。工程教育認(rèn)證對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)、人才培養(yǎng)目標(biāo)、課程建設(shè)和教學(xué)體系等都有明確的標(biāo)準(zhǔn)[2]。“天線(xiàn)與電波傳播”課程是本科高校電子信息工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)拓展課程。通過(guò)對(duì)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)，可以使電子信息工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生掌握無(wú)線(xiàn)電電波發(fā)射、空間傳播和接收的理論，電磁場(chǎng)仿真軟件，天線(xiàn)的設(shè)計(jì)，工程制作和測(cè)試技術(shù)，為踏進(jìn)無(wú)線(xiàn)電電子設(shè)計(jì)這一廣闊領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

1 工程教育認(rèn)證與人才培養(yǎng)定位

工程教育認(rèn)證是針對(duì)高等教育工科專(zhuān)業(yè)實(shí)施的一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)性的認(rèn)證，由工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)、專(zhuān)業(yè)學(xué)會(huì)和工程教育界聯(lián)合實(shí)施，是我國(guó)的一項(xiàng)工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量保障體系。工程教育認(rèn)證規(guī)定了學(xué)生培養(yǎng)的過(guò)程、培養(yǎng)目標(biāo)、專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)要求、教學(xué)質(zhì)量的改進(jìn)、課程體系和師資隊(duì)伍建設(shè)以及教學(xué)條件等[3]。實(shí)施工程教育認(rèn)證，可以幫助我國(guó)提升工程技術(shù)人才的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。目前，國(guó)內(nèi)高校正在全面開(kāi)展工程教育認(rèn)證工作的相關(guān)工作，國(guó)家重點(diǎn)高校和地方本科院校都在積極組織申報(bào)。截至2020年底，全國(guó)共有257所高等學(xué)校的1600個(gè)專(zhuān)業(yè)通過(guò)了工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，涉及電子信息、電氣、自動(dòng)化等22個(gè)工科專(zhuān)業(yè)類(lèi)別[4]。

普通本科高校尤其是地方應(yīng)用型本科院校，受限于師資隊(duì)伍和教學(xué)平臺(tái)建設(shè)等，在專(zhuān)業(yè)課程建設(shè)方面常以體系完整的基礎(chǔ)課程為主[5]。高校在人才培養(yǎng)方面存在側(cè)重專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)、創(chuàng)新教育不足、工程實(shí)踐訓(xùn)練課時(shí)偏少等現(xiàn)象，導(dǎo)致高校的辦學(xué)特色無(wú)法得到有力的彰顯，工程教育優(yōu)勢(shì)不顯著，人才培養(yǎng)與本地社會(huì)發(fā)展需求不夠緊密[6]。

合肥師范學(xué)院電子信息工程專(zhuān)業(yè)通過(guò)對(duì)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和人才培養(yǎng)定位的研究，在充分調(diào)研了本地區(qū)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀和社會(huì)發(fā)展需求的基礎(chǔ)上，確立了以微波通信工程技術(shù)為特色的人才培養(yǎng)方案，在人才培養(yǎng)中積極主動(dòng)對(duì)接省內(nèi)微波工程領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與人才需求[7]。在最新版電子信息工程專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，進(jìn)一步凝聚學(xué)科發(fā)展方向，突出辦學(xué)特色。在專(zhuān)業(yè)拓展課程建設(shè)中，形成了包括“天線(xiàn)與電波傳播”“常用電磁仿真軟件”“射頻電路和電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)”等在內(nèi)的一系列特色鮮明的專(zhuān)業(yè)課程，基本形成了以電磁場(chǎng)電磁波理論為基礎(chǔ)，以射頻電路、微波器件、天線(xiàn)等工程設(shè)計(jì)為特色的專(zhuān)業(yè)拓展課程群體系。

2 課程教學(xué)過(guò)程中面臨的問(wèn)題

“天線(xiàn)與電波傳播”作為電子信息工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)拓展課程，開(kāi)設(shè)已經(jīng)超過(guò)十年，一直受到學(xué)院的高度重視，在師資隊(duì)伍和教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方面也有很大的投入。但是，在教學(xué)實(shí)踐中也面臨了很多問(wèn)題，不解決這些問(wèn)題，就無(wú)法達(dá)到工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)和人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

首先，對(duì)專(zhuān)業(yè)拓展課程的理解存在很大的偏差。我國(guó)在工程教育領(lǐng)域?qū)?zhuān)業(yè)課程分為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)核心課，并對(duì)這兩類(lèi)課程修訂了統(tǒng)一的規(guī)范，在人才培養(yǎng)方案中通常將專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)核心課設(shè)置為必修課[8]。此外，對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)核心課的教學(xué)研究和課程建設(shè)也很常見(jiàn)。反觀專(zhuān)業(yè)拓展課程，一方面缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，一般是各個(gè)高校根據(jù)自己的辦學(xué)特色進(jìn)行專(zhuān)業(yè)拓展課程的設(shè)定；另一方面專(zhuān)業(yè)拓展課程在培養(yǎng)方案中通常是作為選修課進(jìn)行設(shè)定，而學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)于選修課的認(rèn)識(shí)存在明顯的偏差，通常將其定性為不重要或者次重要的課程。此外，由于專(zhuān)業(yè)拓展課程的開(kāi)設(shè)沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，關(guān)于專(zhuān)業(yè)拓展課程的教學(xué)研究和課程建設(shè)也相對(duì)較少。

其次，教學(xué)內(nèi)容存在重理論、輕實(shí)踐的情況。“天線(xiàn)與電波傳播”課程兼具理論和實(shí)踐，其理論強(qiáng)調(diào)電波傳播知識(shí)的學(xué)習(xí)，實(shí)踐則側(cè)重天線(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。然在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)常容易受到教科書(shū)的影響，受到課堂教學(xué)和PPT的局限。現(xiàn)有的教科書(shū)多是從電磁場(chǎng)的基本理論出發(fā)，進(jìn)而闡述電波傳播和天線(xiàn)的基本概念，并在此基礎(chǔ)上介紹一些基礎(chǔ)類(lèi)型的天線(xiàn)的工作原理、結(jié)構(gòu)和特性。如果課堂教學(xué)僅限于教科書(shū)的講解，則很容易出現(xiàn)學(xué)生僅完成了知識(shí)的學(xué)習(xí)，而沒(méi)有掌握真正的工業(yè)設(shè)計(jì)技能，既降低了課程學(xué)習(xí)的效果，也讓學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生誤解，影響了學(xué)習(xí)的積極性。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)拓展課程的教學(xué)需求。傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要是以課堂講授為主，學(xué)生參與教學(xué)過(guò)程的主動(dòng)性和積極性受到一定的影響。即便有一些課堂交流討論，也很難做到全體學(xué)生都能參與。此外，課堂教學(xué)過(guò)程中對(duì)動(dòng)手能力的培養(yǎng)基本缺失。對(duì)于應(yīng)用性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)拓展課程，動(dòng)手解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力不可或缺[9]。

3 正確認(rèn)識(shí)課程學(xué)習(xí)的必要性

“天線(xiàn)與電波傳播”作為電子信息工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)拓展課程，通常設(shè)置在專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)核心課程之后，且以選修課的方式在大學(xué)本科三年級(jí)下學(xué)期或者四年級(jí)上學(xué)期開(kāi)課。學(xué)生本身對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求、電子信息產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀、企業(yè)崗位設(shè)置和工作內(nèi)容的了解非常有限，導(dǎo)致他們?cè)趯W(xué)習(xí)的過(guò)程中常常感到迷茫。通過(guò)對(duì)學(xué)生的調(diào)查走訪(fǎng)發(fā)現(xiàn)，很大一部分學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)核心課和專(zhuān)業(yè)拓展課程的理解僅從必修和選修進(jìn)行判斷，很難把握其中的聯(lián)系和區(qū)別，對(duì)于為什么要學(xué)習(xí)“天線(xiàn)與電波傳播”課程心存疑慮。

要很好地解決為什么學(xué)的問(wèn)題，關(guān)鍵是要讓學(xué)生明白課程的教學(xué)目標(biāo)。“天線(xiàn)與電波傳播”課程是以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)電波傳播理論、天線(xiàn)基礎(chǔ)理論、現(xiàn)代天線(xiàn)技術(shù)和電磁仿真設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)，全面系統(tǒng)地掌握無(wú)線(xiàn)電工業(yè)設(shè)計(jì)、天線(xiàn)和信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。大三下學(xué)期和大四上學(xué)期正值學(xué)生面對(duì)畢業(yè)求職和考研升學(xué)的人生轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對(duì)于畢業(yè)求職的學(xué)生來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)“天線(xiàn)和電波傳播”課程的認(rèn)真學(xué)習(xí)，掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的電波傳播理論基礎(chǔ)和現(xiàn)代化天線(xiàn)設(shè)計(jì)能力，可以助其成功求職就業(yè)，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量；對(duì)于考研升學(xué)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，“天線(xiàn)與電波傳播”課程對(duì)創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作的鍛煉非常有利于考研升學(xué)，并為研究生階段的學(xué)習(xí)打下良好的科研基礎(chǔ)。

在學(xué)期開(kāi)課之初向?qū)W生展示往屆學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中取得的成果，包括參與導(dǎo)師的科研項(xiàng)目和企業(yè)專(zhuān)項(xiàng)課題、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的天線(xiàn)電路、獲批大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和發(fā)表的相關(guān)學(xué)術(shù)論文等。邀請(qǐng)往屆畢業(yè)生回校交流，講述課程學(xué)習(xí)心得體會(huì)、畢業(yè)求職與就業(yè)情況、考研升學(xué)和研究生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，更加全面地介紹“天線(xiàn)與電波傳播”課程培養(yǎng)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

4 課程教學(xué)改革實(shí)踐

4.1 完善教學(xué)內(nèi)容

對(duì)于專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程來(lái)說(shuō)，知識(shí)體系相對(duì)固定，難有較大變動(dòng)，因此以教科書(shū)為基礎(chǔ)加以簡(jiǎn)單的拓展即可達(dá)到較好的教學(xué)效果。然而，對(duì)于“天線(xiàn)與電波傳播”課程來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代天線(xiàn)技術(shù)日新月異，新的理論、新的方法、新的設(shè)計(jì)層出不窮。若以教科書(shū)為主，則很容易受到限制，很難實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的目標(biāo)。因此，必須不斷完善教學(xué)內(nèi)容，實(shí)行產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合。

在教學(xué)過(guò)程中，引入企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)案例，通過(guò)全真案例教學(xué)，幫助學(xué)生能夠掌握工業(yè)設(shè)計(jì)全流程；將教師科研項(xiàng)目規(guī)劃為多個(gè)子課題，設(shè)置在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)供學(xué)生選擇，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新研究。甄選網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，建立課堂以外的學(xué)習(xí)路徑，拓展學(xué)習(xí)范圍。

圖1 天線(xiàn)與電波傳播教學(xué)內(nèi)容圖

如圖1所示，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)離不開(kāi)各種輔助設(shè)計(jì)軟件，目前國(guó)內(nèi)主流的天線(xiàn)仿真軟件包括ANSYS、CST、FEKO和EastWave等軟件，此外，在天線(xiàn)仿真結(jié)束后需要利用Altium Designer或者Auto CAD完成對(duì)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的制作。因此，在“天線(xiàn)與電波傳播”課程的教學(xué)中開(kāi)展電磁仿真軟件和制版軟件的學(xué)習(xí)，每種軟件都有自己的特色和擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求選擇其中一種或者幾種進(jìn)行學(xué)習(xí)。天線(xiàn)設(shè)計(jì)的流程包括天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建模仿真、制板加工和性能測(cè)試。通過(guò)對(duì)真實(shí)的工業(yè)設(shè)計(jì)案例和優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的整合學(xué)習(xí)，學(xué)生才能真正掌握從天線(xiàn)設(shè)計(jì)、仿真到天線(xiàn)制作、測(cè)試的一整套知識(shí)體系。再通過(guò)科研課題任務(wù)和企業(yè)合作項(xiàng)目對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

4.2 改革教學(xué)方法

傳統(tǒng)的教學(xué)方法以課堂教學(xué)為主，以教師的講授為主，常引入演示教學(xué)和討論教學(xué)等手段。這種教學(xué)方法具有一定的局限性，對(duì)于理論性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課具有較好的效果。但是，“天線(xiàn)與電波傳播”作為實(shí)用性非常強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)拓展課程，僅依靠課堂教學(xué)顯然無(wú)法達(dá)到理想的教學(xué)效果。為了讓學(xué)生充分利用學(xué)習(xí)時(shí)間，既能夠掌握足夠多的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，又能夠切身感受工業(yè)設(shè)計(jì)全流程，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，制定了一加四教學(xué)模式，即一課堂四自主，如圖2。

圖2 創(chuàng)新教學(xué)方法圖

由圖2所示，對(duì)于天線(xiàn)與電波傳播基礎(chǔ)理論，采用課堂教學(xué)模式，確保學(xué)生能夠建立堅(jiān)實(shí)的理論知識(shí)基礎(chǔ)。針對(duì)工程設(shè)計(jì)仿真軟件，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行甄選，制定學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)。利用學(xué)院現(xiàn)有的專(zhuān)業(yè)平臺(tái)開(kāi)展天線(xiàn)加工和測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，制定天線(xiàn)加工測(cè)試任務(wù)，讓學(xué)生自主練習(xí)。指導(dǎo)教師提供科研子課題，開(kāi)展項(xiàng)目小組討論，提出研究目標(biāo)讓學(xué)生自主研究。通過(guò)校企合作平臺(tái)對(duì)接企業(yè)生產(chǎn)一線(xiàn)，開(kāi)展專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)見(jiàn)習(xí)，確定實(shí)習(xí)路徑，讓學(xué)生自主實(shí)踐。以任務(wù)驅(qū)動(dòng)加自主學(xué)習(xí)的教學(xué)方法改革，使得學(xué)習(xí)模式更加靈活、學(xué)習(xí)時(shí)間更加充足、學(xué)習(xí)目標(biāo)更加明確、學(xué)習(xí)過(guò)程更加自律、學(xué)習(xí)成果更加顯著。在課程的考核評(píng)價(jià)方面，突出過(guò)程考核、目標(biāo)考核和能力考核，課程學(xué)習(xí)過(guò)程中設(shè)置多個(gè)過(guò)程考核環(huán)節(jié)，考查學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論、電磁仿真軟件、天線(xiàn)加工測(cè)試工具等方面的學(xué)習(xí)情況。在考核形式方面引入“隨堂考察”“工程設(shè)計(jì)”“課程答辯”等多種形式。盡可能全面考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，客觀評(píng)價(jià)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工程問(wèn)題的能力。

4.3 優(yōu)化考核評(píng)價(jià)

5 結(jié)語(yǔ)

工程教育認(rèn)證作為工程教育領(lǐng)域一項(xiàng)國(guó)際化的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，正在全國(guó)范圍內(nèi)推廣實(shí)踐。通過(guò)對(duì)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的研究，以“天線(xiàn)與電波傳播”課程為例，介紹了本科高校電子信息工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)拓展課程改革思路。通過(guò)對(duì)兩個(gè)問(wèn)題的解決，即解決為什么學(xué)的問(wèn)題和如何學(xué)好的問(wèn)題，闡述了“天線(xiàn)與電波傳播”課程的教學(xué)改革實(shí)踐。實(shí)踐表明，對(duì)專(zhuān)業(yè)拓展課程重要性的認(rèn)識(shí)得到了顯著提高，人才培養(yǎng)質(zhì)量有明顯的改進(jìn)，學(xué)科發(fā)展特色更加突出。“天線(xiàn)與電波傳播”課程的改革實(shí)踐也為地方應(yīng)用型本科高校強(qiáng)化辦學(xué)特色，推動(dòng)專(zhuān)業(yè)拓展課程教學(xué)改革提供了一種發(fā)展思路。