多年級和課程一體化的網(wǎng)絡微波學堂教學模式

全紹輝

(北京航空航天大學 電子信息工程學院， 北京 100083)

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多年級和課程一體化的網(wǎng)絡微波學堂教學模式

全紹輝

(北京航空航天大學 電子信息工程學院， 北京 100083)

摘要：根據(jù)電磁與微波類課程教學的年級一體化、課程一體化要求，按照課內實驗、課外實踐、課程拓展、專業(yè)發(fā)展的思路，構建了微波學堂網(wǎng)絡論壇。該網(wǎng)站包含電磁與微波類課程群的教學和實踐、本科生的生產(chǎn)實習和畢業(yè)設計、研究生的碩博資訊、本研一體的就業(yè)招聘等欄目，開發(fā)了微博、在線考試等功能。微波學堂覆蓋了從本科到研究生發(fā)展過程中電磁與微波專業(yè)學習和實驗實踐發(fā)展的各階段，可以使不同年級和不同專業(yè)課學生同時在同一網(wǎng)絡學堂各取所需、交流促進、共同提高。

關鍵詞：微波學堂； 網(wǎng)絡論壇； 電磁與微波； 課程群； 本研一體； 生產(chǎn)實習； 畢業(yè)設計； 微博

一、引言

網(wǎng)絡教學可以促進創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，進行個性化知識推送，其優(yōu)越性被越來越多教育者所認同[1— 2]，計算機網(wǎng)絡已經(jīng)對大學生學習生活、答疑交流產(chǎn)生深刻的影響[3]。這種影響也持續(xù)表現(xiàn)在研究生階段。[4]課堂講授與網(wǎng)絡教學相結合的混合式教學模式已逐漸應用到各種課程的實際教學中。[5—7]

文章介紹的微波學堂網(wǎng)基于論壇模式構建，旨在為學生學習提供一個信息多元化、年級層次多元化、知識結構多元化的多課程綜合網(wǎng)絡教學環(huán)境。這種網(wǎng)絡學堂的教學模式可實現(xiàn)多年級教學融合、多課程教學融合，從而克服了傳統(tǒng)課堂在這方面存在的諸多限制。

二、傳統(tǒng)電磁與微波類專業(yè)課教學限制

電磁場與微波技術是一級學科電子科學與技術下的二級學科，也是電子信息工程類專業(yè)的一個重要研究方向，北京航空航天大學(以下簡稱“北航”)的電磁場與微波技術學科是國家級重點學科。近年來，隨著無線通信技術的發(fā)展，電磁與微波相關的研究方向越來越細化，各年級電磁與微波相關的課程也逐漸增多。傳統(tǒng)電磁與微波類專業(yè)課教學中存在一些限制，例如：

(1)年級限制：對于電子信息工程學院大部分專業(yè)的本科階段，尤其是本科的前三年中，電磁與微波類的課程偏少。這導致低年級學生很難通過課程學習了解高年級學生的學習和發(fā)展情況，高年級同學也不方便傳授經(jīng)驗給低年級同學。

(2)課程限制：電磁與微波技術是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，然而在電磁與微波類專業(yè)課的教學過程中，課程通常都被設計成從系統(tǒng)中切分出的一小部分，自成體系，課程之間溝通和聯(lián)系偏少。這種教學方式會導致學生只見樹木、不見森林，難以從系統(tǒng)層面將所學知識串聯(lián)起來。

(3)教師和學生時間限制：電磁和微波類課程繁多，一名教師一般只能講授其中一門課，而學生在某一段時間內也只能學習某一門課或幾門課，這種客觀條件造成不同課程的教和學不能及時融合貫通。

(4)學校、地區(qū)、國家限制：在傳統(tǒng)課堂教學模式下，不同學校、地區(qū)、國家很難共享傳統(tǒng)紙質教材以外的優(yōu)質教學資源。

為克服上述教學限制，筆者首先將無線通信系統(tǒng)中的電磁與微波技術進行分層，然后根據(jù)各分層所涉及的電磁和微波類理論課程及實驗實踐內容，構建了本研一體化的網(wǎng)上微波學堂。通過依托微波學堂網(wǎng)建設分層電磁與微波類課程群，可將多年級、多課程的教學和實驗實踐環(huán)節(jié)聯(lián)系起來，有效地提升了教學效果。

三、電磁與微波類課程分層

以無線通信系統(tǒng)為例，筆者將其中包含的電磁與微波技術結構和知識體系從內到外共分為五層:(1)電磁傳播層，指電磁波在開放空間無障礙傳輸?shù)牟糠郑?2)電磁散射層，指電磁波在空間傳播遇到山峰、樹木等障礙物后散射的部分；(3)天線層，指所有無線通信系統(tǒng)都必須包括的發(fā)射和接收天線部分；(4)射頻電路層，對無線通信系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機而言，指其中工作在射頻波段的電路部分；(5)系統(tǒng)級參數(shù)層，指反映無線通信系統(tǒng)綜合射頻指標的系統(tǒng)整體。[8]

上述各層所涉及的理論和實踐知識分布在高等院校的各門電磁與微波專業(yè)課中。以北航電子信息工程學院為例，給出所開設的本科和研究生的主要電磁與微波類課程，并說明各門課程所屬層別，如表1所示。

從表1可知，要深入掌握無線通信系統(tǒng)中的電磁與微波類知識，需要完成多門課程的學習。在本科階段，由于電磁和微波類課程偏少，課程學習難度高，學生僅通過課程學習了解電磁與微波類知識的途徑有限，也不容易認識到其在無線通信系統(tǒng)領域的重要性及應用的廣泛性。到研究生階段，課程雖然細化增多，但這些課程通常涉及較深入的專業(yè)知識，互相獨立，課程間聯(lián)系偏少，也不方便學生從系統(tǒng)層面全面學習掌握。

四、微波學堂網(wǎng)欄目建設

為了促進各年級同學之間、各門課程之間的聯(lián)系和交流，克服不同年級、不同課程學習的限制，以從本科到研究生各年級電磁與微波類理論課程學習和實驗實踐的發(fā)展階段為參考，并考慮到各門課程在無線通信系統(tǒng)的定位，設計構建了微波學堂網(wǎng)(wbxt.buaa.edu.cn)。該網(wǎng)站最初以“微波技術”課教學為目標建立[9]，目前已逐步擴展應用到“高等電磁場理論”“微波工程基礎”等其他課程。

網(wǎng)站建設整體思路可概括為課內實驗、課外實踐、課程拓展、專業(yè)發(fā)展。課內實驗是指根據(jù)無線分層電磁與微波原理，對各分層課程均設計分類實驗，依托微波學堂網(wǎng)站進行選題布置和成果考評，這些實驗設計已在微波技術、高等電磁場理論等課程中實現(xiàn)。課外實踐是指針對各門課程涉及的軟硬件實踐知識，通過開設專門欄目，讓學生在課外能夠接觸了解、學習提高，從而將網(wǎng)絡微波學堂作為傳統(tǒng)課堂在課外的延伸。課程拓展是指將面向單一年級學生的少數(shù)課程拓展為面向全部本科高年級和研究生階段學生的優(yōu)勢電磁與微波類課程群。專業(yè)發(fā)展是指在專業(yè)課學習基礎上，使網(wǎng)站欄目能覆蓋生產(chǎn)實習、畢業(yè)設計、碩博深造、求職就業(yè)等重要的專業(yè)實踐發(fā)展階段，讓學生在課程學習階段就能樹立目標、了解專業(yè)發(fā)展前景。

考慮到所有電磁與微波類課程學習都涉及基礎理論、仿真類實驗實踐、測量類實驗實踐三部分，將網(wǎng)站的前幾個重要版塊也對應設計為三類：基礎課程類、仿真實踐類、測量實踐類?；A課程類欄目主要包括電磁與微波類的各個細化方向的基礎理論課，其中課程建設成熟度較高，任課教師和教輔可以實時在線交流答疑的課程歸在“課程在線”區(qū)，不符合上述要求的課程暫時歸在“課程討論”區(qū)。仿真實踐類欄目以各種電磁、射頻、微波方面常用軟件的仿真方法學習和問題討論為主。測量實踐類欄目以各種電磁、射頻、微波相關測量測試方法的學習和問題討論為主。

在微波學堂網(wǎng)上，除基礎課程類、仿真實踐類、測量實踐類所對應的各版塊以外，還按年級發(fā)展順序給出了包含生產(chǎn)實習、畢業(yè)設計、碩博資訊、就業(yè)招聘等欄目的“實踐、深造、就業(yè)”版塊，選擇與學生學習、發(fā)展、興趣相關的幾個欄目合并列為“資源共享專區(qū)”版塊。為促進交流和方便考評，網(wǎng)站還拓展開發(fā)了微博、在線考試等功能。微波學堂網(wǎng)所屬的各版塊類別及其中一些主要版塊、細分版塊、細分欄目等的名稱和說明，如表2所示。

從表2可以看出，以電磁與微波為主題，微波學堂網(wǎng)涵蓋了本研各年級、各專業(yè)課程的學習和實驗實踐的各方面，從而提供了一個有利于各年級交流、各課程交流、師生交流的本研一體化的網(wǎng)絡學習環(huán)境。

五、依托微波學堂網(wǎng)的分層電磁與微波類課程群建設

微波學堂可作為分層電磁與微波類課程所依托的重要網(wǎng)絡平臺和載體。在該平臺上，可以按統(tǒng)一的模式進行分層電磁與微波類課程群建設。電磁與微波類課程建設和微波學堂網(wǎng)平臺的關系如圖1所示。

在圖1中，以“微波技術”課為例給出教學資源建設的說明，包括基礎理論、習題和答疑、常規(guī)實驗、分類拓展實驗、電子課件、大規(guī)模開放在線課程(Massive Open Online Course，MOOC)[10]課件和教材等。對微波技術課而言，這些教學資源已初步建設完成。在這些教學資源中，除紙質教材以外的大部分內容都可以依托微波學堂網(wǎng)發(fā)布或運行，并可由“微波技術”課推廣到分層電磁與微波類課程群。從圖1可知，為了更好地進行電磁與微波類課程群建設，北航在學校層面，將進一步探索將微波學堂平臺與航空科學技術虛擬仿真實驗中心、北航課程中心、北航MOOC平臺有效結合及優(yōu)勢互補的運行模式；在國家層面，將進一步探索微波學堂平臺與教育部、工業(yè)與信息化部、北京市以及其他單位和地區(qū)的相關項目的合作運行模式。

六、實際教學效果分析

微波學堂網(wǎng)站已經(jīng)在北航本科“微波技術”、研究生“高等電磁場理論”等課程教學中使用多輪次，取得良好教學效果。

從2011年開始，對大學三年級上學期開設的“微波技術”課，依托微波學堂網(wǎng)進行了分類開放式實驗任務布置[11]，三屆共超過800人參加。分類是指根據(jù)學生的個性特征和興趣愛好將實驗任務分為若干類，如信息收集類、軟件設計類、軟件仿真類、興趣拓展類等；開放是指所有上述實驗實踐任務都通過微波學堂網(wǎng)公布并進行自由選題，同時依托網(wǎng)站進行成果提交和成績考評。

從2011年開始，對研究生一年級上學期的“高等電磁場理論”課，以電磁與微波測量、電磁理論中的數(shù)學和數(shù)值方法等為主題布置了實驗實踐任務，以科研基金指南的形式發(fā)布，所有題目均以課上報告交流和微波學堂網(wǎng)在線討論兩種方式進行。教師和教輔可綜合題目內容原創(chuàng)和創(chuàng)新程度、課堂報告質量、發(fā)帖點擊情況、資料下載情況、網(wǎng)站用戶評分互動情況等因素對學生結果評分，并將這部分成績折合為期末總成績的一部分。

“高等電磁場理論”“微波技術”兩門課被安排在同一學期，研究生在完成自己實驗實踐任務的同時，還可以對低年級本科生給予一定指導，從而形成了本研學生良性互動交流的局面。

在實際教學中，筆者也意識到網(wǎng)站建設發(fā)展仍存在一些問題，例如：

(1)網(wǎng)站教學資源不足。由于網(wǎng)站課程群建設時間還比較短，其中一些課程建設成熟度不夠高，適合網(wǎng)絡教學的教輔資源還偏少，其欄目內容還需要在將來不斷擴充完善。

(2)網(wǎng)站使用率不夠高。學生對網(wǎng)站的使用一般只限于課程學習時間內。盡管網(wǎng)站欄目很多，但部分學生眼界還是只局限在課程直接相關的欄目和功能方面，而不能充分利用網(wǎng)站全部優(yōu)勢。

(3)網(wǎng)站考評方式有待改進。目前網(wǎng)站考評方式沿襲了論壇對注冊會員的考評模式，盡管考評功能非常豐富，但這些功能并不是專門針對課程學習者設計的，在應用于考評學生學習效果時還不是很方便。未來計劃在這方面進一步增加針對性。

七、結語

在將無線通信系統(tǒng)的電磁與微波技術劃分為電磁傳播層、電磁散射層、天線層、射頻電路層、系統(tǒng)級參數(shù)層的基礎上，針對這些分層專業(yè)課所涉及的學習及實驗實踐內容，設計構建了包括各年級、匯集各專業(yè)課的微波學堂網(wǎng)。該網(wǎng)絡學堂具有以下特點和功能：

(1)網(wǎng)站的“課程在線”“課程討論”版塊涵蓋了從本科到研究生各年級段的主要電磁與微波類課程群?！罢n程在線”版塊具有課程公告、資料下載、實驗實踐、交流答疑功能，“課程討論”版塊設計了經(jīng)典教材討論區(qū)。

(2)網(wǎng)站同時覆蓋了大學各年級、各課程的電磁與微波相關的仿真類實驗實踐、測量類實驗實踐，提供了按年級段劃分的生產(chǎn)實習、畢業(yè)設計、碩博資訊、就業(yè)招聘等欄目，以及按功能和興趣定位劃分的電子書籍、期刊會議、微波百科等欄目，開發(fā)了微博和在線考試功能，從而構建了一個完整完備的專業(yè)網(wǎng)絡學堂。

(3)已經(jīng)實行的本科“微波技術”課和研究生“高等電磁場理論”課的教學效果表明，這種網(wǎng)絡學堂教學模式可以有效激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的學習積極性，并有益于多年級學生和課程的互動交流和融合。

文章以微波學堂網(wǎng)為例說明針對電磁與微波技術課程群教學的網(wǎng)絡學堂的構建思路和方法，這種教學模式也可以供其他專業(yè)在進行網(wǎng)絡教學設計時參考。

參考文獻：

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[11] 全紹輝. 微波技術分類開放式實驗的實施[J]. 電氣電子教學學報，2012，34(6)： 52—53.

Online Microwave School Teaching Method to Integrate Different Grades and Specialized Courses

QUANShaohui

(School of Electronics and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)

Abstract：According to the integrated teaching requirement for different grades and courses, and based on the thoughts that the course experiments are assigned in the class, the extracurricular practices are done after class, the individual courses are extended to the course group, and the important professional development stages are covered to all grades, microwave school online forum has been constructed. The columns are classified as the unit for the teaching of the main course group, production practice and graduation project units for undergraduate students, graduate information unit for graduate students, and undergraduate and graduate integrated employment and recruitment unit. Micro-blog and on-line examination system are developed. The learning and practice stages of the electromagnetic and microwave technology subject for all students in the university are covered. Based on only one online school, the students for different grades and courses can take what they need, promote communication and achieve common progress.

Key words：microwave school; online forum; electromagnetic and microwave; course group; undergraduate and graduate integrated; production practice; graduation project; micro-blog

欄目名稱表2微波學堂網(wǎng)版塊類別及主要版塊、細分版塊、細分和說明類別版塊名稱細分版塊名稱細分欄目說明基礎課程類課程在線微波技術高等電磁場電磁理論中的數(shù)學方法微波工程基礎通信天線與饋電系統(tǒng)微波器件與電路分為通知公告、課件資料、作業(yè)實驗、交流答疑四個欄目課程討論電磁場與電磁波天線理論與工程電磁散射理論與應用其他基礎課和專業(yè)課開設有經(jīng)典教材討論區(qū)欄目仿真實踐類電磁、射頻、微波仿真HFSS專區(qū)CST專區(qū)FEKO專區(qū)分為傳輸線和元件、天線、RCS等欄目ADS專區(qū)分為有源、無源等欄目其他仿真軟件包括一些其他重要仿真軟件測量實踐類電磁、射頻、微波測量反射和傳輸分為駐波比、反射系數(shù)、傳輸系數(shù)等欄目輻射散射分為天線、RCS、SAR等欄目信道和系統(tǒng)參數(shù)分為路徑增益、EIRP、靈敏度等欄目其他測量技術分為靜電、靜磁、工頻等欄目其他實踐、深造、就業(yè)生產(chǎn)實習畢業(yè)設計分為選題與公告、資料下載、交流答疑、報告提交四個欄目碩博資訊分為通知公告、新聞動態(tài)等欄目就業(yè)招聘分為名企推介、信息發(fā)布等欄目資源共享專區(qū)電子書籍分為電磁與微波、天線與散射等欄目期刊會議分為SCI(E)源刊、EI源刊等欄目微波百科分為概念釋義、新聞前沿等欄目談天說地分為原創(chuàng)分享、興趣聚焦等欄目拓展功能頂部鏈接微博、在線考試等微博設置成與新浪微博賬號關聯(lián)

中圖分類號：G642.0

文獻標志碼：A

文章編號：1008-2204(2016)02-0116-05

作者簡介：全紹輝(1971—)，男，內蒙古赤峰人，副教授，博士，研究方向電磁輻射散射測量與仿真、天線、電磁傳播與散射.

基金項目：北京航空航天大學校級重點教改項目(重點201409)

收稿日期：2014-06-16

DOI:10.13766/j.bhsk.1008-2204.2014.0289