基于全過程量化及全環(huán)節(jié)優(yōu)化的教學(xué)方法在高頻電路課程中的應(yīng)用

宋 健, 王青旺, 沈 韜

(1.昆明理工大學(xué) 城市學(xué)院, 昆明 650000;2.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院, 昆明 650000;3.昆明理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650000)

0 引 言

為進(jìn)一步提升“新工科”背景下的高等教育水平,國內(nèi)很多高校都對(duì)工科專業(yè)的課程進(jìn)行了教學(xué)改革的探索[1-4]。專業(yè)選修課是高等院校課程設(shè)置的一個(gè)重要組成部分,對(duì)提高學(xué)生專業(yè)能力及增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的作用。高頻電路課程是昆明理工大學(xué)城市學(xué)院通信工程專業(yè)大學(xué)二年級(jí)本科生的一門重要專業(yè)選修課程,主要講授無線通信系統(tǒng)概述、諧振回路、小信號(hào)放大器、功率放大器、正弦諧振器和反饋電路等內(nèi)容。該門課程所講授的內(nèi)容既是通信工程專業(yè)本科學(xué)生必須掌握的專業(yè)理論知識(shí),又是通信相關(guān)專業(yè)工程設(shè)計(jì)與集成的基礎(chǔ),因此,該門課程在通信工程專業(yè)的本科教學(xué)體系中具有較為重要的地位[5-7]。然而,高頻電路課程具有理論性較強(qiáng),對(duì)模擬電子技術(shù)、電路分析等前序課程的掌握要求較高的特點(diǎn),同時(shí),該門課程涉及較多繁雜的數(shù)學(xué)公式,對(duì)學(xué)生高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握同樣具有很高的要求,因此,該門課程在實(shí)際的教學(xué)活動(dòng)中無論對(duì)講授課程的教師還是對(duì)學(xué)習(xí)課程的學(xué)生都具有一定的挑戰(zhàn)性。

通過日常教學(xué)和與學(xué)生座談了解到,學(xué)生在高頻電路課程的學(xué)習(xí)中存在由于前序課程基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握不夠扎實(shí)從而導(dǎo)致對(duì)該課程部分新增知識(shí)點(diǎn)不能深刻理解的現(xiàn)象,因而在課堂中學(xué)習(xí)積極性不高,有一定的畏難情緒。針對(duì)這些問題,筆者在課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及教學(xué)考核方法等方面提出了相應(yīng)的教學(xué)改革措施,所涉及的教學(xué)改革內(nèi)容及內(nèi)在關(guān)系如圖1所示。

圖1 高頻電路課程教學(xué)改革主要內(nèi)容及內(nèi)在關(guān)系示意圖

1 課程教學(xué)內(nèi)容改革

高頻電路課程在多數(shù)院校與通信相關(guān)的專業(yè)中是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程[8-10],授課學(xué)時(shí)較長(zhǎng),而在昆明理工大學(xué)城市學(xué)院的專業(yè)課程設(shè)置中,由于學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案的差異,該課程被設(shè)置為專業(yè)選修課,授課學(xué)時(shí)大幅減少。因此,如何在不損害知識(shí)體系完整性的前提下,將課程知識(shí)點(diǎn)盡可能簡(jiǎn)明易懂地教授給學(xué)生成為昆明理工大學(xué)城市學(xué)院高頻電路課程教學(xué)改革的關(guān)鍵。

在課程緒論部分,主要的教學(xué)目的是通過實(shí)例引入無線通信,完成從前序課程到本課程的知識(shí)過渡,從而了解無線通信(無線電)的背景與基本概念。為了彌補(bǔ)城市學(xué)院學(xué)生沒有學(xué)習(xí)過電磁場(chǎng)與電磁波課程的缺陷,在講解電磁波的頻譜劃分內(nèi)容時(shí),擴(kuò)展了麥克斯韋方程及電磁輻射的相關(guān)內(nèi)容。在進(jìn)行電磁波傳播方式講解時(shí),結(jié)合無線電廣播對(duì)該部分內(nèi)容進(jìn)行講解,并著重強(qiáng)調(diào)調(diào)頻廣播中更換頻道的重要性。課后給學(xué)生留下思考題:“在更換調(diào)頻廣播接收頻道時(shí),調(diào)頻廣播系統(tǒng)何種參數(shù)的變化使接收頻道發(fā)生改變?”該問題的設(shè)置可將新舊知識(shí)有機(jī)聯(lián)系起來,為后續(xù)章節(jié)講解諧振的概念做好鋪墊。

在進(jìn)行并聯(lián)諧振回路講解時(shí),通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),大部分學(xué)生對(duì)諧振概念的理解并不深入,通常只停留在諧振公式推導(dǎo)的記憶與理解上。因此,在該部分內(nèi)容講解時(shí)引入了諧振是并聯(lián)電路的主動(dòng)屬性還是被動(dòng)屬性的討論,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)諧振選頻作用進(jìn)行深入理解。通過討論,加深了部分學(xué)生對(duì)諧振的理解,也使大部分學(xué)生對(duì)調(diào)頻廣播更換頻道就是通過更改諧振頻率進(jìn)行選頻的過程有了較為深刻的記憶。在課程的教學(xué)過程中,始終將諧振概念貫穿始終,在講授小信號(hào)放大器時(shí),針對(duì)以LC并聯(lián)諧振回路為負(fù)載的電路,結(jié)合模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中的放大電路進(jìn)行差異對(duì)比,以實(shí)現(xiàn)對(duì)新知識(shí)的系統(tǒng)化認(rèn)識(shí)。

在高頻電路課程教學(xué)過程中,始終將諧振、放大2個(gè)核心概念作為主線,以合理近似、科學(xué)等效作為新增的分析方法,將同類型知識(shí)點(diǎn)如調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相進(jìn)行集中數(shù)學(xué)原理推導(dǎo),幫助學(xué)生將數(shù)學(xué)理論與通信工程概念進(jìn)行交互理解。

通過上述教學(xué)內(nèi)容改革,減少了高頻電路課程中復(fù)雜電路及公式的學(xué)習(xí)課時(shí),增加了相關(guān)理論聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用案例的講解,提高了學(xué)生對(duì)該門課程的學(xué)習(xí)興趣。通過貫穿課程內(nèi)容主線的方式,突出了課程重點(diǎn),增強(qiáng)了課程的教學(xué)效果。

2 課程教學(xué)模式改革

基于高頻電路課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目的,對(duì)該門課程的教學(xué)模式進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。在傳統(tǒng)板書加多媒體教學(xué)模式的基礎(chǔ)上,新增雨課堂等新型教學(xué)輔助技術(shù)[11-13],增強(qiáng)了教學(xué)過程中與學(xué)生的互動(dòng),有效提升了教師對(duì)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)狀態(tài)的掌控。

高頻電路課程有較多的公式、電路圖需要學(xué)生學(xué)習(xí)和理解,為提升學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中的效率,防止學(xué)生在聽課過程中因公式、電路圖復(fù)雜而出現(xiàn)注意力不集中的情況,在教師講解公式、電路圖后,可以利用雨課堂向?qū)W生發(fā)送與前序講授內(nèi)容相關(guān)的題目,題目以選擇題為主,一方面,有利于降低答題的難度,另一方面,也有利于教師對(duì)答題情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。規(guī)定回答問題的時(shí)間為題目發(fā)送后的30～60 s,設(shè)置時(shí)間限制一方面可以考查學(xué)生在課堂中注意力是否集中,另一方面也可以節(jié)省課堂時(shí)間。雨課堂可以對(duì)學(xué)生的作答情況進(jìn)行自動(dòng)判斷和統(tǒng)計(jì),根據(jù)答題情況對(duì)所涉及的問題進(jìn)行重述,并對(duì)答題正確且答題速度最快的學(xué)生進(jìn)行表揚(yáng)。

利用雨課堂來加強(qiáng)課堂互動(dòng)屬于課程教學(xué)手段的改進(jìn)嘗試,對(duì)課程中較為重要的基礎(chǔ)公式、基礎(chǔ)電路,仍需要結(jié)合板書進(jìn)行詳細(xì)講授。在板書重點(diǎn)內(nèi)容講解過程中,對(duì)已經(jīng)學(xué)過的前序相關(guān)知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)可以幫助學(xué)生建立起系統(tǒng)的知識(shí)體系,使學(xué)生能夠?qū)Ω哳l電路課程的相關(guān)知識(shí)理解得更為透徹。例如:在講解功率放大器時(shí),可以結(jié)合學(xué)生在模擬電路課程中所學(xué)的放大電路的相關(guān)知識(shí),分析功率放大電路所屬基態(tài),同時(shí),分析功率放大電路與模擬電路課程中放大電路的組成差異,從而讓學(xué)生對(duì)并聯(lián)諧振電路的作用有進(jìn)一步的理解。

經(jīng)過一系列的教學(xué)模式改革,學(xué)生對(duì)高頻電路課程內(nèi)容在實(shí)際通信中的應(yīng)用有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。在后續(xù)的教學(xué)實(shí)踐中,將針對(duì)現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn),開展基于LORA技術(shù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線傳輸課程設(shè)計(jì),進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)并將理論知識(shí)與實(shí)際工程問題相結(jié)合的能力,提高學(xué)生對(duì)高頻電路課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

3 課程考核方式改革

目前,昆明理工大學(xué)城市學(xué)院通信工程專業(yè)高頻電路課程是按選修課程進(jìn)行考核,成績(jī)組成比例為50%期末成績(jī)與50%平時(shí)成績(jī)。以學(xué)校專業(yè)選修課的考核原則為基礎(chǔ),對(duì)50%的平時(shí)成績(jī)部分進(jìn)行了細(xì)化,將其細(xì)分為20%的學(xué)習(xí)過程成績(jī)和30%的課程論文撰寫成績(jī)。

由于采用雨課堂進(jìn)行輔助教學(xué),可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出學(xué)生的出勤率及課堂問題回答、作業(yè)完成情況,極大地提升了教師的工作效率。另外,在課程學(xué)習(xí)的后半段,任課教師可以布置相應(yīng)的課程論文選題范圍,由學(xué)生擬定論文題目收集資料后進(jìn)行論文的撰寫。通常情況下,教師會(huì)給出論文題目的模板,如 “基于××技術(shù)的高頻功率放大器增益提升方法”等。論文主要以相關(guān)技術(shù)的總結(jié)歸納為主,不對(duì)創(chuàng)新性做過高要求。但是,要求學(xué)生必須對(duì)論文中提到的內(nèi)容進(jìn)行參考文獻(xiàn)標(biāo)注。課程論文的撰寫既可以提升學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解,又可以提升學(xué)生搜集學(xué)術(shù)文獻(xiàn)的能力,使學(xué)生樹立初步的科研意識(shí)。

通過3年來對(duì)高頻電路課程考核方法的改革,學(xué)生的科研意識(shí)得到了很大的提高。昆明理工大學(xué)城市學(xué)院通信工程專業(yè)2020級(jí)學(xué)生成立了科研興趣小組,小組成員針對(duì)通信工程方向的一些選題展開初步研究,并以課題研究為契機(jī),參加相關(guān)的各類競(jìng)賽。在2022屆畢業(yè)生中,有1人基于畢業(yè)設(shè)計(jì)成果申請(qǐng)國家發(fā)明專利1項(xiàng),同時(shí),多人在相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽中也取得了較好的成績(jī)。在2021年、2022年舉辦的第八屆、第九屆“大唐杯”全國大學(xué)生移動(dòng)通信5G技術(shù)大賽中共獲國家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng),省級(jí)一等獎(jiǎng)6項(xiàng),其他省級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)50余項(xiàng)。在第十三屆“藍(lán)橋杯”全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽中獲省級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)4項(xiàng)。

4 結(jié) 語

高頻電路課程作為通信工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程,課程的教學(xué)質(zhì)量對(duì)通信工程專業(yè)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)具有重要影響。本文基于昆明理工大學(xué)城市學(xué)院高頻電路課程的教學(xué)實(shí)際,首先對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了凝練,以突出教學(xué)主線。其次,通過引入雨課堂等先進(jìn)教學(xué)輔助技術(shù),切實(shí)提升了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的參與度和學(xué)習(xí)效率。最后,通過改革課程考核方式,培養(yǎng)了學(xué)生的科研意識(shí)和初步的學(xué)術(shù)素養(yǎng)。希望通過進(jìn)一步的改革實(shí)踐,將“立德樹人”的目標(biāo)落到實(shí)處,培養(yǎng)出具有愛國情懷、專業(yè)知識(shí)扎實(shí)的高質(zhì)量專業(yè)人才。