“分層遞進”教學(xué)模式在電磁波與天線課程建設(shè)中的應(yīng)用

曹文權(quán)，薛紅，朱衛(wèi)剛，邵尉，劉濤

摘? 要：電磁波與天線課程作為將傳統(tǒng)的電子類專業(yè)基礎(chǔ)課（電磁場理論）和專業(yè)核心課（天線與電波傳播、微波技術(shù)）進行融合的新課程，具有概念抽象、理論復(fù)雜、應(yīng)用廣泛等特點。在以往的課程建設(shè)過程中，存在著教學(xué)過程太單一、教學(xué)內(nèi)容重理論、教學(xué)資源較傳統(tǒng)和教學(xué)條件缺特色等問題。針對軍隊院校新的培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)情特點，該文提出深化“分層遞進”教學(xué)模式在電磁波與天線等電磁類課程中的探索與實踐，對全面提升課程建設(shè)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量有促進作用，對相關(guān)專業(yè)的課程建設(shè)具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：電磁波與天線；課程建設(shè)；“分層遞進”教學(xué)模式；教學(xué)過程；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）18-0028-04

Abstract： As a new course integrating the traditional basic courses（Electromagnetic Field Theory） and major core courses （Antennas and Radio-Wave Propagation， Microwave Technology） for electronics majors， the course of Electromagnetic-Waves and Antennas is characterized by abstract concepts， complex theories， and extensive applications. In the course of the past curriculum implementation， there were some problems， such as the teaching process is too simple， the teaching content is too theoretical， the teaching resources are too traditional and the teaching conditions are lack of characteristics. In view of the new training objectives and learning characteristics of military colleges and universities， this paper is proposed to deepen the exploration and practice of the "Hierarchical Progressive" teaching mode in the relevant courses such as Electromagnetic-Wave and Antenna， which will promote the overall improvement of the level of curriculum construction and the quality of personnel training， and have certain reference value for the construction of relevant professional courses.

Keywords： Electromagnetic-Wave and Antenna; curriculum construction; "hierarchical progressive" teaching mode; teaching process; personnel training

信息化戰(zhàn)爭是基于信息資源的陸、海、空、天、電、網(wǎng)全維空間的現(xiàn)代戰(zhàn)爭。電磁波作為信息的載體，毋庸置疑是信息關(guān)鍵技術(shù)。電磁波與天線則是關(guān)于信息技術(shù)的重要課程[1]。電磁波與天線課程綜合了傳統(tǒng)的電磁場理論、天線與電波傳播以及部分微波技術(shù)課程內(nèi)容，是涉及無線電原理和系統(tǒng)相關(guān)課程的基礎(chǔ)，在電子信息類專業(yè)的人才培養(yǎng)方案的課程體系中處于關(guān)鍵地位[2-4]。目前電磁波與天線課程已經(jīng)面向本科、大專、外訓(xùn)等不同學(xué)員開設(shè)，教學(xué)對象層次多，需求不一，對課程建設(shè)提出了很高的要求。

為了提升課程建設(shè)水平，軍內(nèi)外各大高校積極開展教學(xué)改革，電子科技大學(xué)和西安電子科技大學(xué)等高校相關(guān)電磁類課程建設(shè)成果豐碩，采用了豐富多樣的教學(xué)模式。然而，相關(guān)成果具有鮮明的“地方”特色[5-7]，借鑒這些做法的同時，可結(jié)合軍隊院校相關(guān)專業(yè)“姓軍為戰(zhàn)”的培養(yǎng)宗旨，面向部隊和戰(zhàn)場需要。當(dāng)前電磁波與天線課程的教學(xué)模式較為單一，體現(xiàn)在教學(xué)的過程、內(nèi)容、資源和條件上，無法解決培養(yǎng)層次多、學(xué)員基礎(chǔ)不一的問題，急需探索新的教學(xué)模式。

本文從教學(xué)過程、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源和教學(xué)條件四個方面進行“分層遞進”教學(xué)模式的探索實踐，如圖1所示。一是倡導(dǎo)“分層遞進”的教學(xué)過程。采用“線上低階+線下高階”混合模式，向課堂內(nèi)外要效率。二是更新“分層遞進”的教學(xué)內(nèi)容。打造“基礎(chǔ)+應(yīng)用+前沿”內(nèi)容體系，滿足多層次培養(yǎng)目標(biāo)需求。三是完善“分層遞進”的教學(xué)資源。豐富“傳統(tǒng)型+數(shù)字化”教學(xué)資源，實現(xiàn)課程資源多元化。四是建設(shè)“分層遞進”的教學(xué)條件。構(gòu)建“仿真模擬+原理驗證+自主科創(chuàng)”實踐環(huán)境，提升學(xué)員電磁工程實踐能力。

一現(xiàn)狀與問題

教學(xué)模式是在一定教學(xué)思想或教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起來的較為穩(wěn)定的教學(xué)活動框架和活動程序。在地方高校中，電子科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校的電磁類課程建設(shè)走在全國前列。各教學(xué)團隊使用了“多元復(fù)合”“虛實結(jié)合”“線上線下”等各種教學(xué)模式。此外，為了配合不同教學(xué)模式的實施，各大高校紛紛建設(shè)豐富多樣的教學(xué)資源，包括國家省部級精品教材和共享課，配套了視頻課件、測驗試題等資源，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。當(dāng)前軍隊院校電磁類課程建設(shè)的主要教學(xué)問題包括以下方面。

（一）? 問題一：教學(xué)過程純粹線下講授、學(xué)習(xí)效率低的問題

電磁波與天線作為工科院校公認(rèn)的難教難學(xué)的專業(yè)課程，其課堂教學(xué)一直被認(rèn)為是教學(xué)質(zhì)量的生命線，在整個課程建設(shè)中尤為重要。早在20世紀(jì)70年代，我院就開設(shè)了電磁場理論基礎(chǔ)、天線與電波傳播、微波技術(shù)基礎(chǔ)等重要的專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)核心課程，如今根據(jù)院校體系化課程改造的需要，結(jié)合培養(yǎng)層次變化，課程組開展了電磁波與天線課程的改革與實踐，將傳統(tǒng)的三門課綜合為一門課，打破了傳統(tǒng)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)核心課的壁壘。然而，根據(jù)人才培養(yǎng)方案要求，以往兩個學(xué)期完成的課程內(nèi)容，現(xiàn)在必須在一個學(xué)期完成，學(xué)員感覺內(nèi)容多，學(xué)時少。在以往的教學(xué)過程中，教員采用傳統(tǒng)的全線下課堂講授，給學(xué)生“留白”的時間很有限，這導(dǎo)致學(xué)員學(xué)習(xí)興趣不高，課堂效率偏低。如何有效利用課堂內(nèi)外時間，提高課程學(xué)習(xí)效率，是課程建設(shè)的關(guān)鍵問題。

（二）? 問題二：教學(xué)內(nèi)容重理論輕實踐、軍事前沿特色不鮮明的問題

電磁波與天線課程緊緊圍繞軍用天饋線系統(tǒng)的工程應(yīng)用，課程內(nèi)容從理論基礎(chǔ)、工程基礎(chǔ)、工程應(yīng)用三個模塊展開，如圖2所示。其中，“理論基礎(chǔ)”模塊系統(tǒng)闡述電磁場和電磁波的基本理論和基礎(chǔ)知識；“工程基礎(chǔ)”模塊包含均勻傳輸線理論和天線基礎(chǔ)理論；“工程應(yīng)用”模塊主要包括典型微波傳輸線、典型天線和電波傳播概述?？梢钥闯觯?dāng)前的教學(xué)內(nèi)容重理論輕實踐，且突出軍事前沿特色不鮮明。特別是緊貼軍事通信、雷達系統(tǒng)等涉及電磁技術(shù)的新理論、新應(yīng)用發(fā)展的內(nèi)容更新較慢。此外，實踐教學(xué)圍繞電磁波傳播特性和天線輻射特性安排了基礎(chǔ)性的驗證實驗科目，對培養(yǎng)學(xué)員工程實踐能力，提升學(xué)員電磁工程素養(yǎng)，作用相對有限。如何在教學(xué)內(nèi)容上進一步加強實踐能力鍛煉，突出軍事特色，也是課程建設(shè)需要解決的問題。

（三）? 問題三：教學(xué)資源由單一化向多元化轉(zhuǎn)化的問題

教學(xué)資源是為教學(xué)的有效開展提供的素材等各種可被利用的條件。當(dāng)前教學(xué)資源相對傳統(tǒng)和經(jīng)典。20世紀(jì)80年代中期，我院畢德顯院士以自己的教案為基礎(chǔ)，用其幾十年的學(xué)術(shù)造詣和教學(xué)經(jīng)驗熔鑄而成的著作《電磁場理論》，由電子工業(yè)出版社出版后，很快就被全國20多所工科電子類院校選為教材，視為經(jīng)典；2000年，國家科委組織20世紀(jì)學(xué)術(shù)大典評選，《電磁場理論》以高票入選。我們?nèi)缃袷褂玫慕滩氖腔诋叺嘛@院士的原始教材《電磁場理論》發(fā)展而來的。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)資源越來越呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢。除了傳統(tǒng)教材資源，各種新型網(wǎng)絡(luò)信息資源值得深入挖掘，如何豐富數(shù)字化新質(zhì)教學(xué)資源是課程建設(shè)發(fā)展的重要問題。

（四）? 問題四：教學(xué)條件保障原理驗證多、自主創(chuàng)新少的問題

由于電磁場理論課程相對抽象難懂，很多實驗并不容易體現(xiàn)課程理論特色，更不容易提升學(xué)員創(chuàng)新實踐能力。此外，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)條件更多保障原理驗證類的實驗，對于自主創(chuàng)新類的開放性實驗支持得并不多。近年來，學(xué)員擅于利用移動媒體和互聯(lián)網(wǎng)獲取信息，且對軍用電磁裝備應(yīng)用好奇心強，但是對于工程應(yīng)用實踐的能力弱，學(xué)員認(rèn)為課程有用，但是偏民用，存在“電磁技術(shù)與將來的部隊崗位任職關(guān)聯(lián)性不強”的思想。因此，崗位實踐能力需提升。當(dāng)前，課程建設(shè)的重要問題是急需加大教學(xué)保障力度，構(gòu)建實踐環(huán)境，升級適合電磁工程實踐能力生成的教學(xué)條件。

綜上，當(dāng)前課程建設(shè)總的問題是未能建立與多層次培養(yǎng)對象相適應(yīng)的教學(xué)模式，在教學(xué)過程、內(nèi)容、資源和條件等方面，層次感不明顯，沒有體現(xiàn)出對不同學(xué)員的差異化需求的應(yīng)對舉措。

二模式與策略

針對存在的問題，依據(jù)“因材施救”“學(xué)員為中心”的指導(dǎo)思想，結(jié)合軍隊院校特點，按照“強化基礎(chǔ)理論，突出軍事特色，加大信息含量，注重實踐環(huán)節(jié)”思路，課程組從過程、內(nèi)容、資源和條件四個方面進行電磁類課程“分層遞進”教學(xué)模式的探索實踐，在具體建設(shè)過程中采用的主要策略有以下幾點。

（一）針對課程實際，優(yōu)化教學(xué)過程

針對問題一，采用“線上低階知識+線下高階問題”的線上線下混合實踐模式。針對傳統(tǒng)線下授課的單調(diào)與低效，采用線上線下混合式教學(xué)模式，能充分利用線上資源，豐富教學(xué)形式。在教學(xué)過程中，線上選取精品在線課程資源，將“基礎(chǔ)”“前沿”知識放到線上課前預(yù)習(xí)和課后拓展；線下增加高階性、創(chuàng)新性訓(xùn)練。比如，線下聚焦在“應(yīng)用”的高階重難點問題，利用HFSS、CST、MATLAB等軟件制作虛擬動畫和3D模型，變抽象為形象，進行創(chuàng)新性訓(xùn)練。此外，針對課程難教難學(xué)的特點，通過開展線下探究式小班課、挑戰(zhàn)式學(xué)習(xí)課、教改示范課等多元復(fù)合式的課程改造，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

（二）結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)，更新教學(xué)內(nèi)容

針對問題二，深化“為戰(zhàn)育人”教學(xué)理念，打造“基礎(chǔ)型+應(yīng)用型+前沿型”的多層次內(nèi)容體系。對于大專和外訓(xùn)學(xué)員，目標(biāo)是掌握“基礎(chǔ)型”的部分內(nèi)容，了解部分“應(yīng)用型”的教學(xué)內(nèi)容；對于本科學(xué)員則要掌握“基礎(chǔ)型”的全部內(nèi)容，理解“應(yīng)用型”的教學(xué)內(nèi)容，了解部分“前沿型”的內(nèi)容；對于學(xué)有余力的學(xué)員則要求能夠掌握“應(yīng)用型”內(nèi)容，并理解“前沿型”的內(nèi)容。同時，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)深度結(jié)合我軍通信裝備天饋系統(tǒng)，通過增加軍用工程電磁案例，提升內(nèi)容的“含戰(zhàn)量”，實現(xiàn)教學(xué)成果向部隊和戰(zhàn)場推廣。此外，教學(xué)內(nèi)容積極融入名家大師、大國工程、經(jīng)典案例等課程思政和軍事案例元素，引進通信雷達系統(tǒng)中的電磁新理論、新技術(shù)、新應(yīng)用，滿足多層次培養(yǎng)目標(biāo)需求。

（三）面向多元需求，豐富教學(xué)資源

針對問題三，在傳承經(jīng)典教材優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，深入挖掘新質(zhì)教學(xué)資源。一方面，完善教育部新工科新形態(tài)教材資源，以及實驗指導(dǎo)書、學(xué)習(xí)指導(dǎo)書等配套教輔教材等傳統(tǒng)資源，形成精品課程教材體系。另一方面，深化網(wǎng)絡(luò)信息資源建設(shè)，豐富微課、公開課、隨堂視頻及職業(yè)教育培訓(xùn)課等數(shù)字化資源，構(gòu)建信息教學(xué)資源庫，打造“傳統(tǒng)型+數(shù)字化”多元立體的課程資源體系，實現(xiàn)課程教學(xué)資源的多樣性。此外，為了解決課程概念抽象、理論復(fù)雜問題，利用虛擬仿真平臺，構(gòu)建虛擬資源案例庫，將抽象的電磁現(xiàn)象進行動畫演示，提升學(xué)員空間思維能力，使得課程變得生動有趣，提升學(xué)習(xí)獲得感。

（四）關(guān)注能力生成，完善教學(xué)條件

針對問題四，拓展“創(chuàng)新實踐”教學(xué)理念，構(gòu)建“仿真模擬+原理驗證+自主科創(chuàng)”實踐環(huán)境。建設(shè)虛擬仿真平臺，方便學(xué)員開展畢業(yè)設(shè)計和自主科創(chuàng)活動。建設(shè)了電磁波與天線綜合實驗室，升級了電磁波與天線綜合實驗系統(tǒng)，大大提升實驗承訓(xùn)容量。同時，升級了微波暗室，購置最新的微波測量儀器和天線測試系統(tǒng)，為相關(guān)專業(yè)本科生提供了功能較為齊全的實驗條件。此外，摸索天線實物進課堂、輔助理論教學(xué)的授課模式。種類繁多的軍民用天線工作頻段涵蓋短波、超短波、微波和毫米波，結(jié)構(gòu)形式涵蓋線天線和面天線。同時基于電磁工程應(yīng)用實踐需求，結(jié)合我軍現(xiàn)有的通信裝備天饋系統(tǒng)，圍繞射頻天線、電磁頻譜管理領(lǐng)域的新技術(shù)、新方法，指導(dǎo)學(xué)員參加各級學(xué)科競賽，促進學(xué)員創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，相關(guān)科研成果作為實踐教學(xué)的輔助器材，為提升學(xué)員科技創(chuàng)新和電磁工程實踐能力發(fā)揮重要作用。實驗室的教學(xué)條件建設(shè)與升級充分保障了理論教學(xué)內(nèi)容的良好實施，為隨堂實驗以及實踐教學(xué)提供了堅實的基礎(chǔ)。

三? 特色與創(chuàng)新

電磁波與天線課程組根據(jù)人才培養(yǎng)需求和課程建設(shè)目標(biāo)，深入開展了“分層遞進”的教學(xué)模式探索，提升了課程建設(shè)水平，提高了學(xué)員綜合電磁素養(yǎng)，為專業(yè)發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。教學(xué)模式的特色創(chuàng)新主要有以下幾方面。

1）摸索了“線上低階+線下高階”的電磁類課程實踐模式。提出的“線上低階+線下高階”的分層遞進實踐模式，可改變枯燥的純課堂授課模式，解決課程抽象難懂、難教難學(xué)問題，大大提高教學(xué)效率。

2）完善了“基礎(chǔ)+應(yīng)用+前沿”的電磁類課程內(nèi)容體系。提出的“基礎(chǔ)+應(yīng)用+前沿”課程內(nèi)容體系，既保證了理論系統(tǒng)性，又增加了軍事工程應(yīng)用和前沿?zé)狳c技術(shù)，結(jié)合我軍裝備天饋系統(tǒng)，突出思政為軍設(shè)計，具有國防應(yīng)用和學(xué)科前沿特色，提升了內(nèi)容“含戰(zhàn)量”。

3）豐富了“傳統(tǒng)型+數(shù)字化”的電磁類課程教學(xué)資源。提出的“傳統(tǒng)型+數(shù)字化”的多元立體教學(xué)資源，虛實結(jié)合，教材資源層次分明，網(wǎng)絡(luò)資源有機融合，實現(xiàn)了資源多元立體化，提升學(xué)員工程電磁素養(yǎng)。

4）構(gòu)建了“仿真模擬+原理驗證+自主科創(chuàng)”電磁實踐條件。提出的“仿真+驗證+科創(chuàng)”分層遞進實踐教學(xué)條件，可配合“基礎(chǔ)+應(yīng)用+前沿”內(nèi)容體系，為提升學(xué)員電磁工程實踐能力提供差異化手段。

四? 結(jié)束語

筆者針對目前電磁類課程所存在的問題，提出了基于“分層遞進”的電磁波與天線課程教學(xué)模式改革。通過試行新的教學(xué)模式，不僅促進了專業(yè)基礎(chǔ)課程與專業(yè)核心課程的有機融合，而且有效提升課堂教學(xué)效果，解決難教難學(xué)問題；構(gòu)建適應(yīng)各層次培養(yǎng)對象的教學(xué)內(nèi)容，達到課程覆蓋面廣、教學(xué)效益顯著的目的；建成多元立體教學(xué)資源，提升學(xué)員電磁工程素養(yǎng)；構(gòu)建分層遞進實踐教學(xué)條件，促進理論知識向?qū)嵺`能力的轉(zhuǎn)化。“分層遞進”教學(xué)模式在電磁波與天線課程中的實踐，對提升課程建設(shè)整體水平具有重要的實際意義。

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