新工科視域下的電磁場與微波類課程改革探究

曹玉凡，蔡 洋，楊文革，吳 濤

（航天工程大學 電子與光學工程系，北京 101416）

引言

黨的十八大以來，我國高等教育取得長足進步，但工程專業教育質量與建設世界一流大學要求還存在差距，存在教育理念、人才結構、知識體系、培養模式等方面的不適應。建立起面向崗位的綜合化工程專業教育新理念，構建適應新興科技的專業新結構，探索“學員中心、產出導向、持續改進”的人才培養新途徑，才能實現立德樹人的要求。

電磁場與微波類課程是理論性很強的專業基礎課，所學基礎理論內容與工程應用密切相關，覆蓋通信、導航、雷達、遙感、測控、電子對抗等重要領域。國內外高校都把電磁場與微波類課程作為電子電氣類專業中的核心課程進行建設。電磁場與微波類課程在本科學員的人才培養方案中是重要的知識樞紐，前序課程包括“大學物理”等課程，后續直接應用到“雷達原理”等專業課程。學習掌握這門課程，有利于學生在專業研究方向上的發展，加深理解電磁的本質和整個電磁理論體系，具備解釋并應用電磁微波現象和解決常見微波問題的能力。但是電磁場與微波類課程學習難度較大，導致教員預期教學目標難以完成；同時課程具有知識的前沿性和應用性較強等特點，因此必須圍繞新工科的內涵特征推動該類課程教學改革，提升學生基礎知識的掌握，激發學生學習的積極性，努力扭轉當前人才培養存在短板的局面，為培養高素質新型人才打下重要的基礎。

電磁場與微波類課程當前的培養目標距離“基礎素質硬、科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的工程科技人才”需求仍有不小的差距，主要表現在以下方面。首先課程內容講授方式過于簡單、單一，無法有效形成對抽象知識的形象化、具體化展示，無法滿足當前院校學習的高效化需求；其次缺乏對學員創新精神和工程實踐能力的培養、交叉知識結構建立等方面的明確要求；最后實驗教學體系不完善、實驗室效能亟待提升，不能有效培養學員形成解決復雜問題的能力。

本文深入挖掘新工科的內涵特征，以培養新工科人才為目標，圍繞上述問題對電磁場與微波類課程進行探索研究。

一、國內外主要經驗做法

電磁理論起源于西方國家，早在20世紀初，國外多所大學就開始研究基于計算機輔助技術的電磁課程教學。近年來國外高校在電磁領域教學展示了一批先進的教學手段和方法，美國科羅拉多州立大學Branislav M.Notaro?提出了計算機輔助學習電磁場的MATLAB編程電氣一體化的創新思路。增強現實（AR）技術近年來已成為一個世界性的研究課題，在工程教學中應用是一個重要的研究方向。西班牙馬德里卡洛斯三世大學、英國赫瑞-瓦特大學等高校均開展了基于AR技術的電磁教學研究。

在國內，電磁課程教學也面臨著同樣的教學難題。清華大學為了加深學生對“場”與“波”的概念的理解，采用動手操作和多媒體動畫演示相結合，從而便于學生建立對抽象理論知識的感性認識。電子科技大學開展了以研討課題為核心的課堂教學，并融合了反轉課堂的教學方式。西安電子科技大學在教學過程中積極擴充課堂內外的知識體系、增加教學與科研的廣泛融合、擴展學科之間的交叉融合等課程改革措施。四川大學開展和應用三位一體綜合性評價模式，其學生的整個學習過程納入考核內容中，針對電磁場與微波技術考試措施進行改革分析。國防科技大學研究了電磁場與微波技術實驗教學設置，提出了教學實驗室規劃，并從實際出發討論了滿足教學需求前提下的實驗室建設規模和成本控制方法。空軍工程大學分析了該系列課程在教學內容、實踐環節和教學方法上的特點，提出了系列課程形象化教學的基本概念。

二、改革探究的理論依據及初步構想

PBL（Problem-Based Learning）教學法，最早起源于20世紀60年代的醫學教育，目前已成為國際上比較流行的一種教學方法，國內也有學者將PBL理念應用于相關課程的教學中，研究發現與傳統教學法相比，PBL教學法可以有效地激發學生的學習興趣，促進學生綜合能力的培養及提高學生創造性思維能力。CDIO是一種經典工程教育模式，代表構思（conceive）、設計（design）、實現（implement）和運作（operate），強調以產品研發到產品運行的全過程為載體，讓學生在這一過程中能夠以主動實踐的方式來學習，從而培養學生的實際動手能力、團隊協作能力以及工程管理能力。自2005年汕頭大學率先實施CDIO工程教育改革以來，在教育部的指導和支持下，我國幾十所試點高校和許多非試點院校實施CDIO改革，形成了多個成功案例。CDIO教育理念是以學生為中心的工程應用能力培養的一種有效模式。CDIO教育模式不僅重視培養學生的基礎理論、專業技能，在工程領域的情境中展開教學活動，還重視培養學生的創新實踐能力、團隊合作意識以及溝通交流能力。因此總結得出PBL教學法與CDIO工程教育模式能夠有效滿足新工科的建設需求，基于PBL-CDIO聯合模式開展電磁場與微波類教學改革與探索，主要方法如下。

（一）設計“興趣培養-理論教學-課外實踐”多級交叉融合的電磁場與微波類課程一體化教學法

在理論教學過程中，注重運用AR、MATLAB GUI、Blender等現代圖形工具開展現場交互式仿真教學，通過構建立體化教材形成對經典理論的有效補充和闡釋教材，將抽象的理論和數學實現真正的可視化和具體化，有效降低學員的學習抵觸心理和增強學習興趣。在此基礎上，通過階段性布置自主式、開放式交互仿真任務，讓學員能夠運用他們熟悉和擅長的軟件工具展示對所學理論知識的理解，結合作品展示、小組協作以及成果評比等多樣化形式，構建學員樂于學習、善于表達、勤于思考的良好氛圍，將課程本身存在的抽象、復雜、繁多等問題轉化成學員知識能力增長和培養的試金石和催化劑。

（二）構建“課內演示實驗-課程基礎實驗-課程綜合實驗-創新實驗”的多級遞推式實驗教學體系

實驗體系如表1所示，以電磁場與微波實驗室、天線仿真與測試實驗室為依托，建設滿足多專業學員從理論到實踐多元化需求的多維實驗室，梳理和整合實驗內容，演示實驗主要在課程理論教學環節開展，重點是運用三維方式對課程中的抽象概念和描述進行直觀的闡釋；基礎實驗涵蓋專業重要知識點，實現從理論學習到實踐能力的有效轉化；專業綜合實驗以測控工程、雷達工程等專業的實際崗位任職需要為牽引，通過綜合實驗來深刻理解本課程中的基礎知識與整個系統之間的聯系，體現復雜工程、前沿科學問題并采用模塊化實驗以擴大學員的選擇自由度；創新實驗面向動手能力強、創新思維豐富的學員，通過構建開放式的實驗平臺培養學員的創新能力，滿足學員參加競賽、奇思妙想的個性化需求，為學員將來從事相關任職崗位打下創新的基石。

表1 多級遞推式實驗教學體系

（三）形成“哲學要素-人文精神-家國情懷”多維思政要素有機融合的課程內涵建設

課程思政和新工科建設是相輔相成的，課程思政是育人體系的航標，在人才培養體系中起到價值引領的作用。課程思政教學設計一方面需要為提升教學效果、化解重難點問題產生正向促進作用，另一方面需要探索如何有機地融入思政元素，包括科學背后的人文精神、自然哲學理念、工程實例及國防應用等。從而增強學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。具體課程思政要素可在授課過程中的不同環節、不同階段適時引入，詳見表2。

表2 課程思政引入總結

結語

本文深入挖掘新工科的內涵特征，以培養新工科人才為目標，圍繞基于PBL-CDIO聯合模式對電磁場與微波類課程進行改革和探索，通過設計“興趣培養-理論教學-課外實踐”多級交叉融合的電磁場與微波類課程一體化教學法和構建“課內演示實驗-課程基礎實驗-課程綜合實驗-創新實驗”的多級遞推式實驗教學體系，使學員高效理解抽象概念的同時能夠通過實際操作進行檢驗和實踐，能夠有效加強所學專業基礎知識與后續專業應用之間的密切聯系，實現層層遞進、不斷提升，同時在教學體系中強化科研項目、競賽活動對實驗的牽引作用，使學員能夠深入理解所學基礎實驗的知識架構。通過論證和分析，預期形成電磁場與微波類課程的創新教學方法，實現電磁場與微波類課程由“難教難懂”課程向“形象生動”課程轉變，通過形式的轉變能夠有效夯實學員的電磁理論基礎，為后續專業課的學習提供堅實的基礎以及創新的源泉，這一創新教學方法也可以有效推廣至相關的工程類課程中；同時要努力構建面向航天應用的電磁場與微波類課程的系統實驗體系，通過多級遞進的多層次實驗教學的開展，能夠實現從基礎到專業、從單元到系統的過渡，為學員構建完整的知識體系和系統架構打下良好的基礎，另外實驗體系的建立能夠進一步提升教員隊伍自身管理能力和科研能力，逐步形成跨課程、分階段、連續性的系統實驗框架；最后，形成電磁場與微波類課程的課程思政授課方法，以新工科人才為牽引，通過挖掘課程中的“哲學要素-人文精神-家國情懷”多維思政要素，能夠發揮課程思政在課程中的價值引領作用，體現立德樹人教育理念。