基于工程類專業(yè)基礎(chǔ)課的挑戰(zhàn)性課程教學(xué)方法討論

楊偉 唐璞 駱無窮 詹銘周

（電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）

摘? 要：挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程作為一種新的教育理念正在國內(nèi)一流高校逐漸興起，針對目前工程類專業(yè)基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)，電子科技大學(xué)《微波技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)組結(jié)合挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)理論，探討了這類課程的挑戰(zhàn)性實(shí)現(xiàn)過程。重點(diǎn)從理論學(xué)習(xí)深度、授課方式、考核方式、相關(guān)課程設(shè)計(jì)等方面提出了相應(yīng)的教學(xué)改革措施。實(shí)踐證明，該措施解決了學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性問題，較大幅度提高了學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力，在期末考試成績方面也有明顯的提升?？傮w來說，該類課程建設(shè)取得一定成果。

關(guān)鍵詞：挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí);跨學(xué)科問題;教學(xué)方式方法;《微波技術(shù)基礎(chǔ)》

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）21-0086-04

Abstract： As a novel teaching philosophy， the challenging learning methods are emerging in the Chinese first-class colleges and universities. Based on the characterizes of foundation courses in the major of engineering technology， the teaching team of foundation on microwave technology in university of electronic science and technology of China （UESTC） explored the implementation of this kind of courses in term of the challenging teaching philosophy， and discussed the steps in transformation of education from the aspects of learning depth， teaching-learning mode， examination mode， and course design， and so on. It is proved that these steps can fix the problem of the learning activities of students， and improve greatly the practical ability， and finally， the exam scores became better significantly. Generally， this discussion on the transformation of education is effective.

Keywords： challenging learning methods; interdisciplinary subject; teaching-learning mode; foundation on microwave technology

一、概述

課程挑戰(zhàn)度不足，是我國世界一流本科教育事業(yè)的瓶頸問題之一。國外高校非常重視學(xué)生的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)課程的動(dòng)手能力的培養(yǎng)。20世紀(jì)60年代，芝加哥大學(xué)施瓦布教授提出了“探究式”教學(xué)法，通過探究與討論過程，使學(xué)習(xí)者掌握科學(xué)的概念，了解科學(xué)研究的方法。幾乎同時(shí)，加拿大學(xué)者提出了基于問題的學(xué)習(xí)與教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)置在復(fù)雜、有意義的“問題情境”中，通過讓多位學(xué)習(xí)者合作解決真實(shí)問題，來學(xué)習(xí)“隱含于問題背后的科學(xué)知識”，并形成自主學(xué)習(xí)的能力。20世紀(jì)90年代末，美國麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等四所知名大學(xué)聯(lián)合建立跨國合作研究組織，提出了現(xiàn)代工程教育的CDIO模式，即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）。該模式讓學(xué)生以課程之間存在的有機(jī)聯(lián)系來學(xué)習(xí)工程技術(shù)。這些教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法都是現(xiàn)今比較先進(jìn)的教學(xué)理論和學(xué)習(xí)理論[1]。

所謂挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)是指通過增大課程挑戰(zhàn)度，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，從而達(dá)到激發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)志趣，建立學(xué)術(shù)自信，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的目的。目前，國內(nèi)許多大學(xué)也提出并實(shí)踐了“翻轉(zhuǎn)課堂”、“小班教學(xué)”和“挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程”等教學(xué)改革，積極研究-試驗(yàn)-推廣新的課堂教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果[2，3]。2012年，清華大學(xué)教務(wù)部門正式支持教師開出首門“校級挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)示范課”。電子科技大學(xué)在2017年也提出了挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程建設(shè)項(xiàng)目。通過此類課程，力爭使每個(gè)學(xué)生在校期間經(jīng)歷一次挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程體驗(yàn)，經(jīng)受素質(zhì)、能力、求學(xué)三方面磨煉和提升。

電子科技大學(xué)積極推進(jìn)混合式教學(xué)模式教學(xué)改革，強(qiáng)調(diào)學(xué)生為學(xué)習(xí)主體和中心[4]。本文的主旨是基于學(xué)校在專業(yè)基礎(chǔ)課中推進(jìn)“挑戰(zhàn)性課程”的探索計(jì)劃，以《微波技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)改革為分析依據(jù)，討論面向這類課程的挑戰(zhàn)性實(shí)現(xiàn)過程。

二、問題剖析

根據(jù)我國2008年推進(jìn)的“卓越工程師培養(yǎng)”計(jì)劃，要求培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才。作為電磁場與微波工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，《微波技術(shù)基礎(chǔ)》需要在一定程度上和工程實(shí)踐相對接[5]。基于以上目標(biāo)，課程的內(nèi)容安排和課堂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上必須有相應(yīng)的微波理論在微波工程實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)踐練習(xí)。

《微波技術(shù)基礎(chǔ)》是一門承上啟下的課程，相關(guān)的前修課程有《高等數(shù)學(xué)》、《電磁場與波》、《電路分析》和《電子工程數(shù)學(xué)方法》等數(shù)學(xué)要求高、理論性較強(qiáng)的課程，后修課程有《微波固態(tài)電路》、《微波集成電路》、《微波網(wǎng)絡(luò)》和《天線原理》等工程實(shí)用性非常強(qiáng)的學(xué)科，因此該課程兼顧理論教學(xué)和工程實(shí)用的兩大教學(xué)特點(diǎn)[6，7]。但學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中存在相對大的困難，主要表現(xiàn)在：

第一，在教學(xué)的過程中多是進(jìn)行理論知識的講解，未能讓學(xué)生直觀的接觸相關(guān)知識，使得學(xué)生整體的積極性不高。

第二，課程所涉及的內(nèi)容很多、但都較為淺顯，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對微波工程中的常用器件理解并不深入到位。

第三，學(xué)生所取得的成績無法真實(shí)的代表學(xué)生所具有的實(shí)踐能力。

三、教學(xué)改革方式

怎樣進(jìn)一步的改進(jìn)該課程的教學(xué)方法以及教授模式，以培養(yǎng)出能夠更好滿足現(xiàn)階段市場所需的人才，是目前學(xué)校建設(shè)雙一流大學(xué)過程中須解決的關(guān)鍵問題之一。再進(jìn)一步對《微波技術(shù)基礎(chǔ)》課程進(jìn)行教學(xué)改革，以確保該課程的教學(xué)工作能夠擁有更好的效果，讓學(xué)生可以更加全面、牢固的掌握《微波技術(shù)基礎(chǔ)》課程相關(guān)知識。

（一）啟發(fā)式教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)中以教師為中心，教師在課堂上“撒播”知識，學(xué)生被動(dòng)接受知識。在以學(xué)生為中心的教學(xué)模式下，教師不再成為知識獲取的主體，反過來學(xué)生主動(dòng)獲取知識。對大部分學(xué)生而言，獲取知識是一個(gè)相對被動(dòng)的過程[1]。因此，針對學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和知識點(diǎn)的特色進(jìn)行不同的教學(xué)形式設(shè)計(jì)，建立合理的課程體系，通過啟發(fā)式教學(xué)模式實(shí)行教學(xué)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更具主動(dòng)性。

工程類專業(yè)基礎(chǔ)課往往具有抽象、難懂的知識點(diǎn)。在《微波技術(shù)基礎(chǔ)》課程中，學(xué)生在看到復(fù)雜的微波理論、電磁場方程煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，還沒有學(xué)習(xí)就想著要放棄了。如圖1所示，在挑戰(zhàn)性課程授課過程中，教師可從基本微波知識和相關(guān)實(shí)物出發(fā)，提出相關(guān)知識點(diǎn)，設(shè)計(jì)出課題教學(xué)中的相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生的思考意識，讓學(xué)生參與相關(guān)知識的討論，學(xué)生可根據(jù)知識點(diǎn)提出自己的看法，甚至教師提出的開放性問題可以讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)等方式來實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)的討論與掌握。在此過程中，教師和學(xué)生形成良好的互動(dòng)方式，有利于啟發(fā)同學(xué)們的思維。

（二）靈活的教學(xué)討論模式

討論是學(xué)生在不斷強(qiáng)化、應(yīng)用和關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)的過程中進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程。從認(rèn)知學(xué)的角度來講，課堂討論是非常有必要的。學(xué)生將新知識“摞”到自己已有的知識體系上的時(shí)候，這種結(jié)構(gòu)是很松散不牢固的。一些有工程應(yīng)用問題的討論還能讓這個(gè)新知識點(diǎn)從“應(yīng)用”的角度進(jìn)一步固化到學(xué)生的世界觀中去。為了充分發(fā)揮課堂討論的優(yōu)勢，提高學(xué)生討論的效率，課堂討論的前期設(shè)計(jì)是非常必要的。通過對不同小組設(shè)定不同的知識點(diǎn)和對應(yīng)問題，在課堂上根據(jù)講授內(nèi)容和節(jié)點(diǎn)，讓不同小組參與相關(guān)知識討論，甚至是通過“翻轉(zhuǎn)課堂”形式，以每組學(xué)生參與講解，從而串起所有知識點(diǎn)。

在整個(gè)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，需要注意以下兩點(diǎn)：1. 討論的內(nèi)容應(yīng)該是開放性的，不是“死板的”知識點(diǎn)。以《微波技術(shù)基礎(chǔ)》課程為例，該課程同時(shí)連接著理論和工程，針對物理現(xiàn)象的理論推導(dǎo)可以進(jìn)行的課堂討論題目有對物理現(xiàn)象的預(yù)測性討論，比如：在介紹用場解法討論導(dǎo)波系統(tǒng)時(shí)，用縱向場解法求解的前提是什么？該問題在課本中是沒有單獨(dú)提及，但是同學(xué)們在思考以后，可以自己歸納總結(jié)得出。2. 討論的形式應(yīng)該是靈活的，而不是固定不變的?！段⒉夹g(shù)基礎(chǔ)》課堂學(xué)生人數(shù)在30人左右，通常以4至5個(gè)人為一個(gè)討論小組，這樣能保證組內(nèi)成員間的各個(gè)學(xué)生積極參與。同時(shí)，討論也不僅僅局限于組內(nèi)，組與組之間、個(gè)人與個(gè)人之間，都可以形成有效的討論。特別是對于一些較大課程知識點(diǎn)，可以通過設(shè)置不同小組分析討論同一問題的模式，加深同學(xué)們對知識點(diǎn)的理解。

（三）合理的挑戰(zhàn)性課程設(shè)計(jì)

通過建設(shè)挑戰(zhàn)式課程，幫助學(xué)生取得期望的學(xué)習(xí)成效，以經(jīng)典科學(xué)問題、前沿科學(xué)問題和重大工程技術(shù)問題為牽引，將本科學(xué)科基礎(chǔ)類課程的教學(xué)內(nèi)容按照“從問題中來-到問題中去”的走向，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生間的合作式學(xué)習(xí)，師生之間的協(xié)同式學(xué)習(xí)，掌握本學(xué)科知識點(diǎn)，了解跨學(xué)科研究方向，使學(xué)生在完成挑戰(zhàn)性任務(wù)的過程中獲得成就感，進(jìn)而增強(qiáng)作為拔尖學(xué)生的勇氣、信心和能力。經(jīng)歷一次挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程體驗(yàn)，經(jīng)受素質(zhì)、能力、求學(xué)三方面磨煉和提升。通過合作解決挑戰(zhàn)性難題，使學(xué)生快速獲取新知識并綜合運(yùn)用相關(guān)知識，培養(yǎng)學(xué)生溝通、合作和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生敢于善于挑戰(zhàn)自我、主動(dòng)學(xué)習(xí)。

作為《微波技術(shù)基礎(chǔ)》課程改革的重頭戲，本課程的課程組在這方面做了大量的工作。由于本課程的知識點(diǎn)較多，相互之間又緊密關(guān)聯(lián)，因此課程組做了一個(gè)大膽的嘗試：設(shè)置課程設(shè)計(jì)菜單。在本課程中學(xué)生需要完成多個(gè)課程設(shè)計(jì)。針對不同的知識點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性和實(shí)際工程應(yīng)用中的一些情況，課程組提出了以下四個(gè)課程設(shè)計(jì)題目，包括：1. 導(dǎo)波理論及分析方法，場解、表面電流等計(jì)算及可視化處理;2. 傳輸線過渡、模式激勵(lì)原理及方法;3. 同軸線設(shè)計(jì)與阻抗匹配;4. 波導(dǎo)耦合與激勵(lì)，波導(dǎo)元件，微帶功分器、多端口元件特性等綜合問題。

可以看出，上述設(shè)計(jì)既體現(xiàn)出了基本原理概念，又體現(xiàn)出了開放性的討論空間。既要求學(xué)生掌握書本基礎(chǔ)知識，又要求其掌握課程外的典型微波器件設(shè)計(jì)方案和技術(shù)途徑。引入開放性的討論課題，避免“教條式”的學(xué)習(xí)和答案，充分發(fā)揮學(xué)生的主管思維，具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性，體現(xiàn)出挑戰(zhàn)性課程的難度。

（四）合理的考評方式

課程考核體系（學(xué)生在本課程中的學(xué)習(xí)成果）由本課程的教學(xué)目標(biāo)決定，其形式并不僅僅局限于卷面考試和實(shí)驗(yàn)。在課程考核規(guī)劃中進(jìn)行了嘗試，在4個(gè)教學(xué)班中，根據(jù)班上不同的學(xué)生人數(shù)，分為2個(gè)大班（多于50人/班），2個(gè)小班（小于30人/班）。同時(shí)，采取不同比例的考核分?jǐn)?shù)分配比，如表1所示。這里主要有四個(gè)特點(diǎn)：

1. 為了避免以往學(xué)期所出現(xiàn)的學(xué)生“期末臨時(shí)突擊”、“考后迅速忘記”的問題，所有教學(xué)班的平時(shí)成績都超過（或等于）50%，突出平時(shí)成績的重要性。即使期末考試成績再好，也無法通過該課程。

2. 將考試這種形式分散到課程學(xué)習(xí)的不同階段中。在《微波技術(shù)基礎(chǔ)》總56學(xué)時(shí)數(shù)中，根據(jù)上課的內(nèi)容和階段安排，安排不少于4次單元測試。

3. 加大課程設(shè)計(jì)在最終成績中的權(quán)重值（分別為25%和40%），保證在這個(gè)學(xué)習(xí)過程中具有相當(dāng)?shù)碾y度。以挑戰(zhàn)性課程設(shè)計(jì)為牽引，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)。

4. 對大班、小班采取不同的考核標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化因材施教方式。在小班教學(xué)中，更加注重每個(gè)學(xué)習(xí)組的具體情況（如表1）。

其中，對每次課程設(shè)計(jì)的個(gè)人評價(jià)，將采取分別小組總評和個(gè)人評價(jià)兩種方式同時(shí)進(jìn)行。具體地：（1）小組總評=老師評價(jià)×40%+其他組互評×60%;（2）個(gè)人評價(jià)=小組總評×個(gè)人比例。

這里還必須注意三點(diǎn)：（1）平時(shí)成績評分要求公平、公正、嚴(yán)格、客觀，盡量避免人為因素。（2）除了課程設(shè)計(jì)需要小組內(nèi)討論外，其余測試和作業(yè)皆為學(xué)生獨(dú)立完成，絕不允許抄襲等情況出現(xiàn)，這需要助教的配合。（3）在平時(shí)抽查點(diǎn)名中，如果出現(xiàn)缺席，將在最終總分的基礎(chǔ)上執(zhí)行5分/次的扣除方式，每學(xué)期點(diǎn)名次數(shù)不少于4次。

這樣一方面課程設(shè)計(jì)的題目更加貼近于實(shí)際工程應(yīng)用，符合“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”的宗旨，同時(shí)由于課程設(shè)計(jì)的報(bào)告形式更加靈活多變，避免了學(xué)生抄襲的可能。

四、效果評估總結(jié)

本課程對比了教學(xué)組4名教師在課程改革前后的最終成績對比。在百分制的評價(jià)體系中，給出了5個(gè)分?jǐn)?shù)段的學(xué)生百分比。其中，2017年為之前采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的結(jié)果，2018年為當(dāng)前改革年的結(jié)果（如表2）。

在近幾年考題難度相當(dāng)?shù)那疤嵯?，通過2018年進(jìn)行挑戰(zhàn)性課程改革試驗(yàn)，可以看出：

1. 及格率也有所提升。

2. 高分成績明顯提高。

同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對該課程的興趣有了明顯的提升，表現(xiàn)在課程設(shè)計(jì)的主觀性思考有諸多“亮點(diǎn)”，具有相當(dāng)?shù)纳钊胨伎?。另外，學(xué)生也對與該課程相關(guān)的一些項(xiàng)目表現(xiàn)出了研究興趣。目前，多名（大三）學(xué)生已進(jìn)入與微波技術(shù)相關(guān)的課題組開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)和工作，并且已表現(xiàn)出了一定的研究能力。

五、結(jié)束語

通過這一學(xué)年的挑戰(zhàn)性課程改革實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生的主觀能動(dòng)性、最終學(xué)習(xí)成績都比之前有了明顯的提高。但是在實(shí)踐過程中仍然發(fā)現(xiàn)存在以下問題：1. 選題問題：由于挑戰(zhàn)性課程設(shè)計(jì)要求相關(guān)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容具有一定的難度和發(fā)散性，因此對指導(dǎo)教師的知識水平要求較高，目前課程組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)題目共有4個(gè)。然而并不是所有學(xué)生都對這4個(gè)題目感興趣，因此課程組考慮在后續(xù)增加更多的綜合性題目提供給學(xué)生選擇，同時(shí)實(shí)現(xiàn)和實(shí)際工程問題相結(jié)合，提高學(xué)生的工程能力和直觀學(xué)習(xí)能力;2. 自由組隊(duì)問題，由于課程內(nèi)容和難度都比較大，因此課程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中是由學(xué)生每三人自由組隊(duì)進(jìn)行分組，這種方法的好處是可以促進(jìn)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，但是也可能導(dǎo)致“強(qiáng)-強(qiáng)聯(lián)合”的情況，即有的小組學(xué)生能力特別突出，完成的性能指標(biāo)非常好，而有的小組只以達(dá)到最低要求為目標(biāo)，從而造成實(shí)驗(yàn)成績的兩極分化，這一點(diǎn)需要通過隨機(jī)組隊(duì)和人為干預(yù)分組聯(lián)合進(jìn)行。

總之，從對電子科技大學(xué)《微波技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)組的挑戰(zhàn)性課程教學(xué)實(shí)現(xiàn)過程中來看，基于工程類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)改革實(shí)踐取得了一定的成果。在實(shí)踐過程中的相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)可以為后續(xù)諸如高校工科類課程的教學(xué)改革提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫宏斌，馮婉玲，馬璟.挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程的提出與實(shí)踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2016（07）：26-31.

[2]王琨，劉大茂.應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下模擬電子電路教改初探[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2016，14（03）：135-137.

[3]包建榮，姜斌，許曉榮.電子信息類專業(yè)協(xié)同創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)模式探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（05）：170-173+196.

[4]劉夢娟，曾貴川，劉瑤，等.面向數(shù)據(jù)挖掘類課程的挑戰(zhàn)性綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2019，17（01）：85-88+106.

[5]徐銳敏，唐璞，薛正輝，等.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].科學(xué)出版社，2009.

[6]駱無窮，王園，唐璞，等.電磁場相關(guān)理論課的課程設(shè)計(jì)探究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2017，15（04）：62-64+71.

[7]駱無窮，唐璞，M.Wang，等.從認(rèn)知學(xué)淺談《教學(xué)大綱》在《微波技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)中的作用[J].高教學(xué)刊，2017（13）：92-94.

*基金項(xiàng)目：電子科技大學(xué)“挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程微波技術(shù)基礎(chǔ)建設(shè)”（編號：2018XJYT-YB24）

作者簡介：楊偉（1984-），男，漢族，四川遂寧人，博士，副教授，研究方向：電磁場與微波技術(shù)專業(yè)的教學(xué)和科研;唐璞（1963-），男，漢族，四川南充人，碩士，教授，研究方向：電磁場與微波技術(shù)專業(yè)的教學(xué)和科研;駱無窮（1979-），女，漢族，浙江諸暨人，博士，講師，研究方向：《微波技術(shù)基礎(chǔ)》、《電磁場與波》等微波方向的教學(xué)工作;詹銘周（1981-），男，漢族，四川成都人，博士，副教授，研究方向：微波毫米波集成電路與系統(tǒng)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。