基于OBE 理念的微波技術與天線課程教學設計*

楊志良 姚金杰 孫興麗 毛煜茹

中北大學信息與通信工程學院 太原 030051

0 引言

微波技術與天線課程是信息與通信工程學科的核心專業課程之一，是一門面向應用的課程。該課程能夠培養學生具備微波電路與天線理論的應用能力與對微波電路的處理和分析能力，學生在未來的就業或者繼續深造都將應用到本課程的很多基礎內容。對本課程進行教學設計以及教學效果的改革有助于培養學生解決實際微波工程問題的能力，具有較高的實踐價值。

目前，本課程的教學過程存在三個問題。

1）學生處于被動的學習狀態。長期以來，本課程的教學以教師“教”為中心，在教學內容、教學方式、考核方式等方面均以教師為主導。本課程的理論知識比較枯燥，以教師為中心的課堂教學并沒有調動起學生學習的積極性，學生整個學習狀態比較被動。

2）所學與所用之間矛盾突出。由于考核方式主要是期末閉卷考試，很大程度上考核的是學生對知識的掌握和記憶程度，不是掌握知識解決工程問題的能力。對學生來講，由于很多知識只是簡單的記憶，因此課程學習結束以后，很多內容將會被遺忘。而且習慣了做習題，思維方式比較固化，靈活應用知識的能力得不到鍛煉，具體到實際工程問題，無法提出有效的解決方案。

3）學生的個性被壓抑。不同的學生擁有不同的特質，對于個性突出、自學能力較強的學生，灌輸型的教學不適合此類學生的學習。傳統教學方式一定程度上壓抑了他們的學習熱情。

成果導向教育（OBE）的理念于1981 年提出，是很多發達國家教育改革的主流理念。該理念強調4 個問題[1-2]：

我們想讓學生取得的學習成果是什么？

為什么讓學生取得這樣的學習成果？

如何幫助學生取得這些學習成果？

如何知道學生已經取得了這些學習成果？

結合到課程教學，學習成果就是學生經過一個階段的課程學習獲得的該領域的最大能力。在OBE理念下，本課程的教學設計以學生的學習成果為導向，教學內容的選擇、教學方式的改變主要考慮學生將會學到什么；對于學生的學習方式和學習時間給予了一定的自由空間，通過不同教學資源的配合，充分滿足不同特質學生的個性需求；在考核方式方面，拋棄記憶型的試題，通過加強過程考核對學生的階段性學習予以檢驗。課程結束后，增加應用型內容考核方式，同時配合無標準答案的開放型題目對其解決問題的能力予以考核。

綜上，本課程的改革以長期存在的問題為出發點，基于OBE 理念，以學生的能力為導向對教學設計以及效果評價等內容進行變革，以期提升學生應用課程知識解決實際問題的能力。

1 基于OBE 理念的教學設計

將OBE 理念引入微波技術與天線課程的教學設計中，主要有四個步驟，如圖1 所示，即預期學習成果、實現學習成果、評估學習成果、使用學習成果。對學習成果的使用效果進行評估，找出不足反饋給教師，教師進行新一輪的學習成果設計，經過多輪迭代，達到一個最優的學習成果，教學策略及過程設計分別如圖2、圖3 所示。

圖1 基于OBE 理念的微波技術與天線教學過程

圖2 微波技術與天線課程教學策略設計

圖3 微波技術與天線課程教學過程設計

基于OBE 理念的微波技術與天線課程教學實施過程中，采用線上與線下混合模式通過三步開展教學工作。

1）課前預習。教師課前在線上或線下分析學生的能力需求，闡述課程目標，發布教學資料，了解共性問題；學生需明確個人需求，了解課程目標，提前學習教師發布的課程資料，完成教師布置的線上測試。

2）課中講授。上課過程中，教師把主要精力集中于重點知識的講授，難點知識的指導，教學內容的總結，實戰項目演練；學生通過課堂學習與課后練習，激發學習興趣，掌握重點難點知識，完成實踐環節練習，并與同學多交流，分享個人的觀點。

3）課后鞏固。教師布置理論與實踐環節作業，并實時跟蹤學生的學習情況，對共性問題進行總結，反思改進教學，對難點知識進行進一步指導；學生復習拓展知識，提出新的疑問，相互交流獲得鞏固提高，反思改進學習。

教師與學生在教學過程中始終相互交流，教師?對學生進行有效引導，學生及時將疑惑反饋給教師，通過不斷的迭代，達到知識的掌握與能力的提升[3]。

2 基于OBE 理念的教學實施過程

2.1 學習成果設計

根據中北大學信息與通信工程學科專業培養方案，微波技術與天線課程主要從國家社會及教育發展需要、電子信息類行業發展及職場需求、學校定位與發展目標、專業學生發展與家長期望四個方面制定了本課程的課程目標，如表1 所示。

表1 微波技術與天線課程學習成果

課程目標1、2、3 體現了作為電子信息類工科專業所必備的個人能力、團隊能力與社會意識的提升，在提升學生工程分析與設計能力的基礎上，兼顧了學生可持續學習，對環境、社會可持續發展等方面的影響。

2.2 實現學習成果設計

微波技術與天線課程是信息類與通信工程類專業的一門偏向工程應用的專業基礎課程，其教學策略設計應符合工程專業課的特征，課程采用的教學策略主要是項目式教學，如圖2 所示，教學過程中，教師針對教學內容先提出幾個可行的教學項目；學生在教學過程中始終以問題為目標導向，在解決問題的過程中學習課程的理論知識與實踐知識，在學習到一定程度后，進行項目方案制定、項目制作、項目共享、反思改進等環節；學生在完成項目的過程中鞏固理論知識的學習，總結微波設計方法的應用，提升微波參數的測試能力。

微波技術與天線課程主要由兩個環節構成：課堂理論教學和課內實驗。理論教學過程中，首先通過科研實踐以及畢業學生的調研，在本課程的理論框架下確定教學內容，以保障教學內容在科研和工作實踐中的實用性。通過線上的云課堂發布課前預習資料和課后學習資料（不同的學習資料將備注其適用范圍），前者保證課堂教學效果，后者能夠對學生擴展學習提供幫助。針對課程的特點和專業特點，本課程在教學過程中還采取了如下措施[4]。

1）在課堂上采用分組討論的方式增強對知識點的認知。增加微論文環節，要求學生分析不同頻段電磁波的特點，選擇一個具體的波段，查閱所選波段電磁波的具體應用，加深了學生對微波技術應用的理解。

2）課程內容與現實生活相聯系。微波課程理論知識抽象，公式推導枯燥繁雜，學生興趣不高。雖然課程理論抽象，但微波技術與天線在日常生活中的應用非常普遍。用于傳輸有線電視信號的同軸電纜與機頂盒接口處，若連接姿態不正確會產生“花屏”，這是行駐波在作祟；由于調幅電臺發射的是垂直極化波，在室外收聽調幅廣播，收音機天線要垂直放置；家用的衛星電視接收器需對準某個方向方能使電視信號清晰，是因為接收天線存在方向性參數。

穿插如此類的生動形象的例子，能夠引起學生的好奇心，激發學生學習的興趣，同時能夠培養學生自主觀察、自主思考的良好學習習慣。

實踐教學過程中，課堂講授理論的同時會選擇相應的軟件進行相關的實踐操作，學生可以帶電腦進課堂，跟隨老師學習。

例如，上課時使用MATLAB 進行傳輸線中電場的演示，這樣可以讓學生更直觀地看到傳輸線中電磁場的分布，通過在MATLAB 中修改傳輸線模型參數，達到理論聯系實際的目的，輔助學生對物理概念的把握。

此外，為了保證教學質量，每一部分的實操過程均錄制約10 分鐘的小視頻用于指導。小視頻均在微助教中上傳，學生可以自由下載學習，保證課內實驗的學習效果[5]。

另外，每一階段，對理論教學與實踐教學的教學效果通過線上問卷調查進行調研，發現問題及時作出調整。

2.3 評價學習成果

根據工程教育認證理念，本課程對于課程教學目標的達成情況的評價分為定量評價和定性評價兩個方面。定量評價中，對于不同的課程分目標設置了相對應的考核環節和評價方式，且非常注重形成性評價，最后利用各環節學生成績和科學的達成度計算方法對各分教學目標和總教學目標的達成度分別進行評價。定性評價指利用學生調查問卷對課程目標達成情況進行統計分析。

有效的考核方式既能促進學生的學習，又能檢驗學習效果，因此尋找有效的考核方式是本次教改的重要內容。設定微波綜合電路設計與期末考試是占比較大的考核方式（微波綜合電路設計課程目標達成的貢獻率為30%，期末考試為40%），再配合作業（20%）和課內實驗（10%）考核方式。由于微波綜合電路設計涉及問題分析、方案設計、方法選擇、結論分析，比較全面地涵蓋了涉及的知識點，答案不唯一，并且又能體現不同學生的學習狀況，杜絕了抄襲等不良現象，因此是一種比較有效的考核方式。

本課程包含3 個分課程目標，有4 種考核方式，各考核方式對課程目標達成評價的權重占比分配如表2 所示。

表2 各考核方式對課程目標達成評價的權重占比分配

采用表2 進行定量評價，對近3 年（截至2021年）微波技術與天線課程總的目標達成度進行了統計，統計結果如表3 所示，可以看到，由于微波技術與天線理論具有很大的抽象性，課程目標1 的達成度比其他兩個目標總體稍低，但都能達到0.75左右。由于強化了實踐環節，課程目標3 達成度較高。課程目標2 對微波工程的應用達成度也較好。

表3 近三年目標達成度統計

采用問卷調查法，圍繞課程目標設計，從微波基本理論、微波電路設計、微波工程應用、微波儀器使用、微波軟件使用等方面設計調查問卷，調查學生對課程目標達成情況以及對課程教學情況的感受或意見建議，近3 年調查統計數據如表4 所示。

表4 近三年目標達成度統計

從調查結果可以看出，學生對課程目標的達成度評價較高，且達成度評價比較穩定。

2.4 使用學習成果

通過基于OBE 理念對微波技術與天線課程進行改革，學生掌握與應用微波技術與微波理論解決微波工程的能力有了很大的提升，主要體現在以下幾個方面。

1）能夠運用微波技術與天線的傳輸線、阻抗匹配、縱向場分析方法、赫姆霍次方程、微波網絡、天線輻射場等基本理論，對微波雙導線、矩形波導、圓波導、同軸線、微帶線、阻抗匹配元件、定向耦合器、鐵氧體、天線等電路進行描述和分析，能夠對微波電路中的問題得出有效的結論。

2）能夠將微波與天線技術中微波雙導線、矩形波導、圓波導、同軸線、微帶線、阻抗匹配元件、定向耦合器、鐵氧體、天線等相關的基礎知識，用于解決雷達系統、通信系統等領域的工程問題。

3）能夠基于信息領域中微波電路設計要求，在保證人員和設備安全的前提下，采用微波傳輸線與微波元件進行電路實驗，能采用微波軟件對微波電路進行電路仿真，并通過對實驗電路設計和調試的過程，能夠對實驗結果進行分析。

3 結束語

通過分析微波技術與天線課程教學存在的問題，提出基于OBE 理念的微波技術與天線課程的教學設計方案，給出了OBE 教學設計的實施過程，提出了符合工程教育認證理念的教學成果與課程目標，設計了教學方法，針對近三年的教學情況，給出了執行OBE 教育理念后教學目標達成度情況。從使用學習效果來看，所采用的教學方式對激發學生的學習熱情，提升學生在教學過程中的參與度，提高學生的實踐能力，培養學生微波理論分析、解決微波工程問題能力方面，都有較大的幫助。