新工科背景下“微波工程基礎”課程的教學改革與探索

張 海，謝姣皎，湯 煒

（華僑大學信息科學與工程學院，福建 廈門 361021）

引言

“微波工程基礎”課程是電子與通信類專業本科生必修的一門專業課，其目的是使學生熟悉和掌握“微波工程”的基本原理、基本理論，以及解決簡單微波工程問題的分析方法，為今后深入學習與應用打下良好基礎。它是教育部電子信息類教學指導委員會及《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》中推薦的必修課之一，全國重點理工類院校均開設有本門課程。

華僑大學自20 世紀80 年代以來，就有開設本門課程，主要講授傳輸線理論、矩形波導與圓柱波導、帶狀線與微帶線、微波網絡及基本微波器件與電路等。課程設置在大學三年級第二學期，其先修課程包括高等數學、大學物理、電磁場與電磁波等。開設本課程的主要目的是培養學生分析與解決實際微波工程問題的能力，提高學生的實驗操作能力，為日后從事微波射頻電路設計、無線通信技術以及光頻通信設備等開發工作打下良好的基礎。然而，本課程涉及基礎電磁理論與微波網絡技術以及電磁輻射技術，內容抽象，理論性強，所涉及的物理學、高等數學等基礎知識比較多，要求學生具有良好的數學基礎，因此是電子信息類專業課程中較為難學的核心課程之一。隨著時代的發展與知識的更新，尤其是在“新工科”教育的背景下，很多教學內容和教學手段得以更新。因此，非常有必要對本門課程進行改革與創新。

1 傳統教學環節中的不足

目前，本課程在傳統教學環節中依然存在著一些問題，主要表現為以下三個方面。首先，教學方法較為單一。由于該課程中的物理和數學公式比較多，目前還有很多高校采用傳統的粉筆與板書的教學方式。雖然這種方式可以幫助學生深入理解數學公式的由來，然而講課效率卻無法有效提高。其次，基礎理論內容較多，前沿知識內容較少。在有限的學時中，僅僅能將基本概念與基本方法以及簡單工作原理教授給學生，而對本領域的發展現狀、發展前沿以及探索性、前瞻性的科學問題卻很少涉及。加之本課程的理論推導過程較多，缺乏直觀的實驗驗證，會使學生感到抽象乏味，導致學習興趣偏低。再次，微波與射頻器件主要是以電磁波的傳輸和變換實現設計者所需功能，由于學生對此類系統的接觸較少，僅通過課堂講授會使學生感到抽象。所以，教師應該根據課程的內在特點，充分使用現代化技術手段，探索新型教學思路與教學方法，激勵學生發揮學習的主動性與積極性。

2 課程改革的目標與具體思路

2.1 改革目標

結合傳統“微波工程”課程特點和本校實際情況，對課程體系的構建、教學內容的優化，實驗教學環節等方面進行改革，并結合當前工程應用中最為廣泛的射頻、通信、衛星、導航等實際需求，提出課程的建設與改革方案。通過教學改革，有助于促進“微波工程”課程的理論教學與實踐工程相結合，提升整個課程體系的教學質量，提高學生對該課程專業知識與技能的應用能力，從而促進我校電子與通信類專業特色的形成，并為其他高校在同類課程建設中的理論創新與實踐改革提供有效的參考。

首先，通過教學模式的改革，實現教學過程中學生的主體地位，增強學生的“向心力”和“自主性”，提高課堂教學效率，提升整體教學質量，促進學生綜合素質的發展。其次，通過教學方法的改革，增強教學效果。例如：任務驅動式教學法、引導討論式教學法、線上線下混合式教學法，取代傳統的填鴨式教學法，激發學生的學習興趣和創造性。再次，在“新工科”背景下開展教學改革，運用現代化教育理念，面向國家經濟社會的發展需求，介紹專業領域新進展、實踐發展新經驗，培養真正適合企業需求的優秀工程人才。

2.2 具體思路

“新工科”是主動應對新一輪科技革命和產業變革的戰略行動，是“卓越工程師教育培養計劃2.0”的核心內容和主要抓手，是新時代工程教育改革創新的最前沿和新方向，從“天大行動”“復旦共識”“北京指南”的新工科建設“三部曲”，到兩批國家級新工科研究與實踐項目，新工科建設在高等教育戰線形成了百花齊放、日新月異的新格局。

我國《“十四五”規劃綱要和2035 年遠景目標綱要》中明確指出，在下一個五年計劃中，我國重點研發領域包括：空天科技（深空探測）、深地深海、高速集成電路、5G/6G 高速通信等。這些領域均與“微波工程/微波技術”密切相關。例如：衛星上的有效載荷、遙測遙感、微波成像、探地雷達、航天器姿態控制、高速集成電路電磁兼容、5G/6G 毫米波通信、GPS/北斗導航，以及未來戰場上的高功率微波武器、定向能武器、電子戰，超寬帶天線等諸多領域，均需要從業者具有寬廣、深厚、扎實的“微波技術”理論功底。作為國家重點建設的綜合性大學，我校也有責任和擔當培養該領域的“合格人才”和“優秀工程師”，為祖國的建設和發展貢獻自己的力量。

因此，結合以上應用領域，努力探索“微波工程基礎”課程新的教學方法與教學手段，提高教學質量，培養教師梯隊，豐富網上教學資源，加強理論聯系實際，充實實驗內容。將新工科發展趨勢與國家產業需求相結合，將行業的新動態、專業的新成果融入教學過程中。改進教學方法，豐富教學手段，深度融入信息化、智能化技術，促進智慧課堂、翻轉課堂等教學方式的運用與推廣。在學生掌握理論知識的基礎上，注重學生的創造性思維和應用能力的培養。積極探索綜合性課堂、問題導向課堂、交叉學科研討課堂，提高課程的興趣度、學業的挑戰度。注意了解國內外同類課程最新發展趨勢，汲取國內外優秀教材的精華，使教學內容緊貼學科發展前沿，力爭將本課程打造成校內外同行認可的“精品課程”。同時，加強教師隊伍的梯隊化和國際化，構建合理的教學梯隊，逐步培養教學名師。相應改革措施包括：（1）完善教學大綱，調整教學內容；（2）精選教材，突出“化繁為簡”理念；（3）促進教學科研互動，培養創新能力；（4）改進實驗教學，提高實驗效果；（5）重視教學電子資源建設，拓寬課程信息來源；（6）改革考試方式，促進考核公平公正；（7）建設精品課程，提升教學水平；（8）融合課程思政，培養學生綜合素養與愛國情懷。

3 教學內容的改革與創新

3.1 課程內容、體系結構的改革

課程改革前的教學內容和體系結構強調微波技術的基礎理論和分析方法，對課程的應用背景和學生實踐能力的要求不高，且相關知識較為陳舊，與當前實際工程發展潮流不相匹配。學生在課程學習過程中對微波工程問題的理解及理論聯系實際的轉化能力相對較弱，不利于優秀工程師的培養與塑造。圖1 所示為改革后的課程內容與結構體系。

圖1 改革后的課程內容與結構體系

3.2 課程教學過程組織方式與培養目的

改革之前，傳統課堂是“老師講、學生聽”。在聽課過程中，師生互動少，教師很難掌握學生的“理解程度”，從而及時調節講課節奏。而現在，我們將采用如下幾種方式對課堂組織方式進行改革。首先，多媒體教學手段的應用。多媒體教學方法可以將“微波”這一抽象的物質，形象而生動地表達出來，幫助同學們在大腦中構建“微波電磁場”的直觀印象，從而獲得較好的教學效果。其次，電磁仿真軟件的輔助教學。在課堂教學中，教師可將HFSS 等微波仿真軟件教授給學生，在實驗環節中可利用軟硬件平臺相結合的方式開展，同時開設基于軟件平臺的虛擬仿真實驗內容。再次，引入BOPPPS 教學模式，增強參與式學習體驗。增強學生在學習過程中的主體地位，鼓勵學生充分參與課堂教學全過程，激發學生的主動性與興趣感，引導他們主動學習、主動探索、獨立思考，最終完成教學目標，學生獲得成就感與滿足感。最后，靈活應用“雨課堂”工具，充分提高師生互動。同時，保證教學科研工作相輔相成，培養學生科研興趣。

3.3 課程考試和考核方式的改革

在平時成績中增加文獻資料閱讀，實際微波工程問題調研報告，創新創業實踐項目，同時，期末考題中增加工程應用類題目以及上機操作。

4 課程改革的特色與效果

本課程改革的主要特色包含以下三個方面：首先，課程思政案例化：結合著名科學家對課程知識的貢獻，培養學生的科學精神。結合課程實驗和課堂展示，培養學生精益求精、團隊分工合作和追求卓越的工匠精神等。其次，課程資源信息化：把重點及難點錄制成小視頻，供同學們下載。建設了微波技術基礎課程網站，利用即時通信平臺，建立了討論社區。再次，課外研學學術化：組建學習小組，以項目形式鼓勵學生對課程知識進行深入研究。面向課程知識的實際應用，通過項目研究，提升學生研究性學習能力。

通過課程改革，使學生能夠積極主動地參與整個教學環節，學習興趣有效提高，課堂中師生互動更為活躍，學習成績與實踐動手能力顯著提高，課程考試“優秀率”至少提升10 個百分點以上，“不及格率”降低15%。同時，通過發展線上線下混合式教學，實現教學模式的革新與課堂效率的提升。教師因勢利導、融合創新，主動適應“新工科”和“工程教育認證”的要求，做到以學生為中心、以產出為導向，使學生可以獲得更多的知識，提高學生的自主學習能力及實踐動手能力。畢業生具有較強的工程實踐能力和創新能力，能從事現代微波與通信系統及設備的研究、設計、開發、制造、運營等工作，實現教育部《“新工科”建設復旦共識》提出的“能勝任行業發展需求的應用型和技術技能型人才”的培養目標。具體改革效果，如圖2 所示。

圖2 課程改革的預期效果

5 結語

“微波工程基礎”等課程既有嚴格的理論基礎，又涉及廣泛的專業知識。在教學工作中，教師須結合具體課程特點，采用啟發式教學。經過近年來的改革與實踐，雖然在講授課程知識，培養學生分析和實踐能力方面取得了明顯效果，但隨著互聯網和信息技術的發展，課程還需要進一步革新。例如：課程體系的再次優化，從“知識鏈”角度，進一步優化課程體系，實現與先修課和后續課程的無縫連接。另外，課程教學的國際化，結合雙一流建設中人才培養的國際化需求，建設全英文課程。最后，升級教學條件，建設課程實踐創新平臺，實現與創新創業教育的深度融合。