“微波技術(shù)與天線”的教學效果調(diào)查分析

王　毅， 鄧宏偉， 陳未央， 張　璐

(南京航空航天大學 電子信息工程學院， 江蘇 南京 211100)

0　引言

“微波技術(shù)與天線”課程是電子、通信等專業(yè)類的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程。是本科階段研究電磁理論應(yīng)用的主要技術(shù)性必修課[1]。通過對該課程的學習，要求學生掌握基礎(chǔ)的、經(jīng)典的微波技術(shù)理論和天線理論，具備對典型傳輸線系統(tǒng)、微波網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、典型微波器件、天線基本參數(shù)、典型天線進行數(shù)學建模、定性分析、定量計算的能力，并初步具備進行微波、天線設(shè)計和仿真研究的技能。

作為一門兼顧理論與技術(shù)應(yīng)用的課程，“微波技術(shù)與天線”包含大量的理論性內(nèi)容，對學生在本科階段學習過的場、路和系統(tǒng)的綜合知識方面要求較高[2, 3]。目前已有很多高校教學工作者就該課程進行了教學研究[2-4]。在多年的“微波技術(shù)與天線”課程的教學過程中，學生普遍反映該課程難度較大、內(nèi)容過多且枯燥乏味。傳統(tǒng)的課堂講授、課下作業(yè)和考前復習答疑雖然能夠基本完成該課程內(nèi)容的講述，但采用這種教學，教師對學生的接受程度往往掌握不夠，使得教師無法更有針對性地對學生學習過程中的困難點進行重點把握和側(cè)重講解。

隨堂測試是指在進行課程的講述后，課上隨即對學生進行一兩個知識點的測試，從而隨時掌握學生對知識點的理解程度。雖然這種形式增加了教師的工作量和學生的上課難度，但是可以有效地提高課堂教學效果，值得開展針對性的研究[5，6]。而對于課堂教學效果的了解，最直接的手段莫過于采用調(diào)查的形式，特別是針對學生的不記名調(diào)查。當前高校的教學研究很多都采用類似的形式，取得了較好的效果[7，8]。

本文基于“微波技術(shù)與天線”課程的課堂教學，以我校當年度本科大三學生為對象，開展了隨堂測試設(shè)計并進行了知識點掌握程度的調(diào)查，分析討論了這些措施的優(yōu)缺點和后續(xù)改進辦法。

1　知識點分析和隨堂測試設(shè)計

1.1　知識點分析

“微波技術(shù)與天線”課程主要側(cè)重于介紹電磁場理論的工程應(yīng)用，包含微波技術(shù)理論和天線理論兩部分內(nèi)容。其核心內(nèi)容包括：

(1)傳輸線理論：是微波技術(shù)的核心內(nèi)容之一。主要介紹傳輸線基本理論、史密斯圓圖的基本概念和應(yīng)用，并對典型的傳輸線系統(tǒng)進行舉例說明，需要學生重點掌握。

(2)微波網(wǎng)絡(luò)理論：同樣也是微波技術(shù)的核心內(nèi)容之一，可以看作是傳輸線理論的延伸，也需要學生重點掌握。這部分主要介紹多端口網(wǎng)絡(luò)的等效分析技術(shù)，包括多端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣、導納矩陣、散射矩陣和傳輸矩陣的概念和基本應(yīng)用。

(3)典型的微波技術(shù)應(yīng)用和微波器件：主要是介紹前述理論的應(yīng)用案例。這部分內(nèi)容包括典型波導的基本概念和模型、典型匹配網(wǎng)絡(luò)的概念和設(shè)計思路、典型功分器和耦合器的基本概念和模型等。

(4)天線理論與基本概念：作為無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，天線理論和技術(shù)近年來突飛猛進，在部分高校天線技術(shù)已經(jīng)逐漸成為一門獨立的課程，可見其重要程度。該部分作為天線理論的基礎(chǔ)，涉及的內(nèi)容包括天線的基本概念、天線電參數(shù)等，需要學生重點掌握。

(5)典型天線：天線種類繁多，一般的課程均包括典型線天線、環(huán)天線等，其中線天線的基本概念、重要參數(shù)和分析方法是必須要介紹的。當前，本課程對典型天線的介紹僅包括偶極子天線。

(6)天線陣基礎(chǔ)知識：天線陣是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，內(nèi)容雖然不多但是對學生了解現(xiàn)代天線知識很重要，所以也作為一個單獨的知識點。本課程主要介紹天線陣的基本概念、典型線天線陣的模型和基本分析方法。

1.2　隨堂測試設(shè)計

基于以上的知識點和筆者多年的教學經(jīng)驗，在本學期該課程教學的隨堂測試中涉及了10個重要的知識點。在教學中，圍繞這些測試點又進行了重點講解、習題布置等。本次設(shè)計的知識點和以此為基礎(chǔ)的隨堂測試題目分布如下表1所示：

表1　重點考察知識點、其強化學習形式和知識點調(diào)查表

表中給出了重要知識點的課后作業(yè)布置情況和隨堂測試情況，其中，打√表示進行過課后作業(yè)練習或隨堂測試。在該表的設(shè)計過程上，充分兼顧了重點知識點的練習和難度的選擇。如針對集總參數(shù)匹配電路和單分支匹配器的設(shè)計，因為難度較大，且往年作業(yè)效果不佳，所以沒有留作業(yè)，而是采用了課堂當場練習的方式。

從表中可以看到，沒有天線陣的考核點，這主要是因為在進行調(diào)研時，天線陣部分內(nèi)容尚未涉及。所以，可以認為該表格的設(shè)計已經(jīng)盡量覆蓋了課程所有的考察點，具有科學性和合理性?？梢栽谳^大的程度上反映學生對這些內(nèi)容的掌握程度。

1.3　測試題目設(shè)計

在測試題目的設(shè)計上，需要充分考慮隨堂測試的特點，在設(shè)計題目時要考慮到：①測試時間不能占用太多的課堂時間；②測試題目不能與作業(yè)題目沖突；③測試內(nèi)容和知識點要簡單明確?；趯@幾點因素的考慮，這里給出一個典型的測試題目：

例1.已知無耗傳輸線系統(tǒng)的特征阻抗為50歐姆，終端負載為100+50j歐姆。設(shè)傳輸線長度為0.4倍的波長，請利用史密斯圓圖尋找或計算以下的參數(shù)：①電壓駐波比；②終端反射系數(shù)；③負載導納；④輸入端輸入阻抗。

該例題知識點非常明確，就是考察對史密斯圓圖的應(yīng)用。在這樣一個題目中，考察了包括史密斯圓圖的基本概念(負載阻抗、反射系數(shù)讀法)、基本用法(阻抗、導納轉(zhuǎn)換)和物理概念(電壓駐波比、輸入阻抗)。在此基礎(chǔ)上，還可以進一步添加內(nèi)容考察如波節(jié)點、波腹點的距離等物理概念。所以，這個題目在知識點的考察上，完全能夠檢驗學生的掌握程度。與此同時，學生如果掌握了史密斯圓圖的用法，在圖上直接尋找上述參數(shù)，可以在10分鐘以內(nèi)完成，這也符合隨堂測試的要求。

2　調(diào)查與分析

2.1　調(diào)查設(shè)計

基于表1所示的10個知識點調(diào)查表，在進行調(diào)查的過程中，主要基于以下的因素進行了調(diào)查設(shè)計：

(1)針對前述10個知識點，調(diào)查學生對各個知識點對應(yīng)的課后作業(yè)的印象。根據(jù)長期經(jīng)驗來看，課后作業(yè)是幫助學生深入理解、練習和掌握知識點的重要環(huán)節(jié)，而考慮到大學生做作業(yè)的特點，往往作業(yè)質(zhì)量不高，學生印象不深，所以，特地針對作業(yè)情況進行調(diào)查來了解學生對作業(yè)涉及知識點的調(diào)查；

(2)針對前述10個知識點，調(diào)查學生對各個知識點對應(yīng)的隨堂測試的印象。為了驗證隨堂測試的效果，并與課后作業(yè)效果進行比較，設(shè)計了對隨堂測試效果的調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容是通過隨堂測試印象來了解隨堂測試是否對學生掌握知識點有幫助，其效果是否比平時作業(yè)要好；

(3)對前述知識點的難度進行打分。該部分的調(diào)查主要是看學生對各個知識點的理解，幫助教師在未來的教學講解過程中做到難易結(jié)合，以避免隨著教學內(nèi)容的不斷增加，教師與學生對各部分難易度理解不統(tǒng)一的問題，從而指導和規(guī)劃教師未來教學的側(cè)重點。

基于上述的調(diào)查設(shè)計所依據(jù)的調(diào)查表如表1所示，表中內(nèi)容留空，由學生填寫。學生只需在自己有印象的空格里打?qū)μ柤纯桑陔y度調(diào)查里，設(shè)置1-10分分制，1分代表容易掌握，10分代表知識點難度較大。

該調(diào)查問卷選取了一個班級進行，采用不記名方式，保證了調(diào)研結(jié)果的客觀性。調(diào)查時間設(shè)置在接近期末的時間，即除了天線陣內(nèi)容外，所有內(nèi)容均已講述，但尚未復習。所以，通過該調(diào)查表調(diào)查的是學生尚未進行考試復習前的一次印象率，這樣更能直接反應(yīng)課堂效果。

2.2　調(diào)查結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)前述的三個調(diào)查問題，調(diào)查結(jié)果示于圖1-3。其中，圖1給出了學生對知識點是否進行過課后作業(yè)的一次性記憶正確率，圖2給出了學生對知識點是否進行過隨堂測試的一次性記憶正確率，圖3是通過一次性課堂學習，學生對各個知識點難度的一次性評估。

圖1反映了學生通過課后作業(yè)對知識點的掌握情況。從結(jié)果來看，學生普遍對課后作業(yè)的練習效果給予了肯定，除了第4、7、8個知識點以外，對所有做過的作業(yè)都有較為深刻的印象。這表明了學生在課后作業(yè)的過程中，對課堂講述內(nèi)容進行了充分的學習和理解。針對第4、7、8個知識點，這也是學生反映較難的三個知識點(見圖3)，由于難度較大，學生因不理解而無法準確掌握，所以印象模糊，不清楚是否進行過課后練習。

圖2給出了學生對各個知識點是否進行過隨堂測試的印象。與課后作業(yè)所不同的是，隨堂測試能直接反映學生對知識點的一次性掌握程度，也更能反映教師上課的課堂效果。從圖中可以看出，學生對知識點2、3、6的一次性掌握度較好。這些知識點包括傳輸線基本概念、史密斯圓圖基本應(yīng)用和散射矩陣基本應(yīng)用，也是本課程最核心、最基本的內(nèi)容，反映出教師在通過常年的教學經(jīng)驗積累，對這些內(nèi)容的重視度和課上的練習度。而與之相反的是，最新講述的9、10知識點都是關(guān)于天線基本知識的，可能是由于剛剛進行過學習和練習，學生尚未適應(yīng)知識點各種題目的變化情況，不清楚測試題目所對應(yīng)的知識點，所以掌握度較差。再來看正確率較低的1、5知識點，分別是傳輸線阻抗計算和阻抗矩陣定義。這兩個知識點也是課程的核心內(nèi)容，但是并未進行隨堂測試。學生答案正確率低的原因應(yīng)該是對知識點的細節(jié)記憶不清、將多個知識點混淆導致的。也就是說，學生記得學過、但不記得是哪一部分的內(nèi)容。這些問題提醒教師在進一步的授課過程中應(yīng)明確小知識點，并在課后進行針對性的練習和講解。

圖1　課后作業(yè)調(diào)查結(jié)果

圖2　隨堂測試調(diào)查結(jié)果

圖3　知識點難度調(diào)查結(jié)果

圖3給出了學生對各個知識點難度的評價。從圖中可以看出，學生認為較難的知識點是4、6、7、8，其中4、7、8也是學生反映作業(yè)較難、無法掌握的題目，而知識點6較難是因為雖然進行了課后練習和測試，但散射矩陣本身的計算難度較大。通過對知識點難度的調(diào)查，教師可以有效的掌握學生的學習狀態(tài)，從而有在以后的教學過程更加具有針對性。

將圖1和圖2進行比較，可以發(fā)現(xiàn)學生在知識點2、3、6上掌握較好，而其他知識點的掌握度并不是很一致。也就是說，按照往常的經(jīng)驗，僅僅將作業(yè)練習看成是學生對知識點的復習和掌握度是遠遠不夠的。如針對阻抗矩陣的計算(知識點5)，學生進行了課后習題練習，一般認為應(yīng)該已經(jīng)掌握了相關(guān)內(nèi)容。但是通過隨堂測試，發(fā)現(xiàn)這種掌握是遠遠不夠的，學生對該處知識點是否進行了測試并不清楚，這反映出學生對該類型題目背后的知識點掌握不夠深刻。而如集總參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(知識點7)，未進行過課后作業(yè)練習，但該知識點特征明顯，所以學生對是否進行過測試記憶較清楚，調(diào)查正確率較高，也就沒有未來進行作業(yè)布置的必要性。

2.3　調(diào)查結(jié)果指導

通過前述分析，可以結(jié)合調(diào)查結(jié)果所反映的知識點掌握程度來將各個知識點分為若干類，并給出相應(yīng)的教學指導建議：

(1)難度一般，知識點明確，包括知識點2、3。這兩個知識點都屬于核心知識點，其講授也處在學期初期，此階段學生對課程仍具有濃厚的興趣，且知識點重要明確，所以學生掌握度也較好。在進一步的教學優(yōu)化中，應(yīng)維持該部分的講授方式。

(2)難度一般，知識點略復雜，容易混淆，包括知識點1、5、9、10。其中微波技術(shù)部分的兩個知識點都屬于核心知識點延伸的重要內(nèi)容，學生往往在學習前述核心知識點的時候，會忽略對這兩個知識點的掌握。所以，進一步的教學應(yīng)注重在講述核心知識點的同時，給學生明確圍繞核心知識點的重要延伸內(nèi)容。對于天線部分的內(nèi)容，考慮到此時接近學期末，學生已處于學習的疲倦期，所以對新的內(nèi)容掌握不夠。在進一步的教學中，應(yīng)加大該部分的份量，且盡量從基本內(nèi)容出發(fā)，少講難度大的知識點(較難的部分放在學期前面)。

(3)難度較大，不易掌握，但知識點明確，包括知識點6。散射矩陣也屬于微波技術(shù)部分核心知識點之一，但是具有一定的計算難度。這部分建議增加練習，并結(jié)合實際工程概念，強化學生的重視度和練習度。

(4)難度較大，不易掌握，知識點構(gòu)成復雜，包括知識點4、7、8。這部分均屬于微波技術(shù)部分，也是學生常年反映較難的知識點。針對這類型的知識點，在進一步的教學過程中，教師應(yīng)充分結(jié)合講述、課后練習、隨堂測試等方式，讓學生反復練習，通過不斷的重復的學習來掌握。

前述的分類主要基于本次調(diào)查的10個知識點，而實際上“微波技術(shù)與天線”課程的知識點不限于這10個(前述6個教學內(nèi)容均包含多個知識點)，且這次的知識點歸類也僅限于本屆學生的調(diào)查結(jié)果。然而，該分類方式具有普適性，依照該分類方式進行以后的教學設(shè)計，可幫助教師更有針對性地處理教學內(nèi)容，從而提高課堂效果和學生學習效率。

3　結(jié)語

本次教學調(diào)查結(jié)果充分反映了學生在“微波技術(shù)與天線”這門課上的學習效果，作為最終考試成績的有效補充，可以為進一步的課程教學優(yōu)化提供有效的支撐。調(diào)查還顯示出，與課后作業(yè)相比較，隨堂測試更能反映出學生對各個知識點的掌握程度。需要說明的是，該類型的教學調(diào)查方法和知識點分類方法在具體針對的課程上是沒有限制的，可以作為一種有效的補充工具進行推廣，從而有效的提升課堂教學效果，提高學生學習效率。

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