“分层递进”教学模式在电磁...以陆军工程大学课程建设为例_曹文权.pdf

2023 年 18 期博 导 论 坛高 教 学 刊Journal of Higher Education“分层递进”教学模式在电磁波与天线课程建设中的应用以陆军工程大学课程建设为例曹文权，薛红，朱卫刚，邵尉，刘涛（中国人民解放军陆军工程大学 通信工程学院，南京 210007）信息化战争是基于信息资源的陆、海、空、天、电、网全维空间的现代战争。电磁波作为信息的载体，毋庸置疑是信息关键技术。电磁波与天线则是关于信息技术的重要课程1。电磁波与天线课程综合了传统的电磁场理论、天线与电波传播以及部分微波技术课程内容，是涉及无线电原理和系统相关课程的基础，在电子信息类专业的人才培养方案的课程体系中处于关键地位2-4。目前电磁波与天线课程已经面向本科、大专、外训等不同学员开设，教学对象层次多，需求不一，对课程建设提出了很高的要求。为了提升课程建设水平，军内外各大高校积极开展教学改革，电子科技大学和西安电子科技大学等高校相关电磁类课程建设成果丰硕，采用了丰富多样的教学模式。然而，相关成果具有鲜明的“地方”特色5-7，借鉴这些做法的同时，可结合军队院校相关专业“姓军为战”的培养宗旨，面向部队和战场需要。当前电磁波与天线课程的教学模式较为单一，体现在教学的过程、内容、资源和条件上，无法解决培养层次多、学员基础不一的问题，急需探索新的教学模式。本文从教学过程、教学内容、教学资源和教学条件四个方面进行“分层递进”教学模式的探索实践，如图 1 所示。一是倡导“分层递进”的教学过程。采用“线上低阶+线下高阶”混合模式，向课堂内外要效率。二是更新“分层递进”的教学内容。打造“基础+应用+前沿”内容体系，满足多层次培养目标需求。三是完善“分层递进”的教学资源。丰富“传统型+数字化”教学资源，实现课程资源多元化。四是建设“分层递进”的教学条件。构建“仿真模拟+原理验证+自主科创”实践环境，提升学员电磁工程实践能力。基金项目：国家自然科学基金面上项目“毫米波平面电大尺寸阵列天线技术研究”（61871399）；2020 年陆军工程大学通信工程学院教育教学研究课题“电磁波与天线课程与教学改革创新研究”（TY20ZX002）；2022 年陆军工程大学通信工程学院教育教学研究课题“电磁波与天线 课程精品教材建设研究”（TY22ZX002）第一作者简介：曹文权（1985-），男，汉族，江西大余人，博士，副教授，博士研究生导师。研究方向为天线理论与技术、新型人工电磁结构。摘要：电磁波与天线课程作为将传统的电子类专业基础课（电磁场理论）和专业核心课（天线与电波传播、微波技术）进行融合的新课程，具有概念抽象、理论复杂、应用广泛等特点。在以往的课程建设过程中，存在着教学过程太单一、教学内容重理论、教学资源较传统和教学条件缺特色等问题。针对军队院校新的培养目标和学情特点，该文提出深化“分层递进”教学模式在电磁波与天线等电磁类课程中的探索与实践，对全面提升课程建设水平和人才培养质量有促进作用，对相关专业的课程建设具有一定的参考价值。关键词：电磁波与天线；课程建设；“分层递进”教学模式；教学过程；人才培养中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：2096-000X（2023）18-0028-04Abstract: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 andAntennas is characterized by abstract concepts,complex theories,and extensive applications.In the course of the past curriculumimplementation,there were some problems,such as the teaching process is too simple,the teaching content is too theoretical,theteaching resources are too traditional and the teaching conditions are lack of characteristics.In view of the new training objectivesand learning characteristics of military colleges and universities,this paper is proposed to deepen the exploration and practice of theHierarchical Progressive teaching mode in the relevant courses such as Electromagnetic-Wave and Antenna,which will promote theoverall improvement of the level of curriculum construction and the quality of personnel training,and have certain reference value forthe construction of relevant professional courses.Keywords:Electromagnetic-Wave and Antenna;curriculum construction;hierarchical progressive teaching mode;teachingprocess;personnel trainingDOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2023.18.00728-博 导 论 坛高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 18 期一现状与问题教学模式是在一定教学思想或教学理论指导下建立起来的较为稳定的教学活动框架和活动程序。在地方高校中，电子科技大学、西北工业大学、北京航空航天大学等高校的电磁类课程建设走在全国前列。各教学团队使用了“多元复合”“虚实结合”“线上线下”等各种教学模式。此外，为了配合不同教学模式的实施，各大高校纷纷建设丰富多样的教学资源，包括国家省部级精品教材和共享课，配套了视频课件、测验试题等资源，方便学生自主学习。当前军队院校电磁类课程建设的主要教学问题包括以下方面。（一）问题一：教学过程纯粹线下讲授、学习效率低的问题电磁波与天线作为工科院校公认的难教难学的专业课程，其课堂教学一直被认为是教学质量的生命线，在整个课程建设中尤为重要。早在 20 世纪 70 年代，我院就开设了电磁场理论基础、天线与电波传播、微波技术基础等重要的专业基础和专业核心课程，如今根据院校体系化课程改造的需要，结合培养层次变化，课程组开展了电磁波与天线课程的改革与实践，将传统的三门课综合为一门课，打破了传统专业基础课和专业核心课的壁垒。然而，根据人才培养方案要求，以往两个学期完成的课程内容，现在必须在一个学期完成，学员感觉内容多，学时少。在以往的教学过程中，教员采用传统的全线下课堂讲授，给学生“留白”的时间很有限，这导致学员学习兴趣不高，课堂效率偏低。如何有效利用课堂内外时间，提高课程学习效率，是课程建设的关键问题。（二）问题二：教学内容重理论轻实践、军事前沿特色不鲜明的问题电磁波与天线课程紧紧围绕军用天馈线系统的工程应用，课程内容从理论基础、工程基础、工程应用三个模块展开，如图 2 所示。其中，“理论基础”模块系统阐述电磁场和电磁波的基本理论和基础知识；“工程基础”模块包含均匀传输线理论和天线基础理论；“工程应用”模块主要包括典型微波传输线、典型天线和电波传播概述。可以看出，当前的教学内容重理论轻实践，且突出军事前沿特色不鲜明。特别是紧贴军事通信、雷达系统等涉及电磁技术的新理论、新应用发展的内容更新较慢。此外，实践教学围绕电磁波传播特性和天线辐射特性安排了基础性的验证实验科目，对培养学员工程实践能力，提升学员电磁工程素养，作用相对有限。如何在教学内容上进一步加强实践能力锻炼，突出军事特色，也是课程建设需要解决的问题。图2电磁波与天线课程教学内容模块（三）问题三：教学资源由单一化向多元化转化的问题教学资源是为教学的有效开展提供的素材等各种可被利用的条件。当前教学资源相对传统和经典。20 世纪 80 年代中期，我院毕德显院士以自己的教案为基础，用其几十年的学术造诣和教学经验熔铸而成的著作 电磁场理论，由电子工业出版社出版后，很快就被图1“分层递进”教学模式在电磁波与天线课程建设中的应用“分层递进”教学模式在电磁波与天线课程建设中的应用教学条件保障原理验证多、自主创新少关注能力生成完善教学条件仿真模拟原理验证自主科创锻炼了学员实践能力教学资源由单一化向多元化转化面向多元需求丰富教学资源传统型数字化培养了学员电磁素养教学内容重理论轻实践、军事前沿特色不鲜明结合培养目标更新教学内容基础型应用型前沿型提升了内容含战量教学过程纯粹线下讲授、效率低针对课程实际优化教学过程线上低阶知识线下高阶问题提高了教学效率主要问题理论依据主要策略创新效果29-2023 年 18 期博 导 论 坛高 教 学 刊Journal of Higher Education全国20 多所工科电子类院校选为教材，视为经典；2000年，国家科委组织 20 世纪学术大典评选，电磁场理论 以高票入选。我们如今使用的教材是基于毕德显院士的原始教材 电磁场理论 发展而来的。随着信息化技术的发展，教学资源越来越呈现多元化的发展趋势。除了传统教材资源，各种新型网络信息资源值得深入挖掘，如何丰富数字化新质教学资源是课程建设发展的重要问题。（四）问题四：教学条件保障原理验证多、自主创新少的问题由于电磁场理论课程相对抽象难懂，很多实验并不容易体现课程理论特色，更不容易提升学员创新实践能力。此外，传统的实验教学条件更多保障原理验证类的实验，对于自主创新类的开放性实验支持得并不多。近年来，学员擅于利用移动媒体和互联网获取信息，且对军用电磁装备应用好奇心强，但是对于工程应用实践的能力弱，学员认为课程有用，但是偏民用，存在“电磁技术与将来的部队岗位任职关联性不强”的思想。因此，岗位实践能力需提升。当前，课程建设的重要问题是急需加大教学保障力度，构建实践环境，升级适合电磁工程实践能力生成的教学条件。综上，当前课程建设总的问题是未能建立与多层次培养对象相适应的教学模式，在教学过程、内容、资源和条件等方面，层次感不明显，没有体现出对不同学员的差异化需求的应对举措。二模式与策略针对存在的问题，依据“因材施救”“学员为中心”的指导思想，结合军队院校特点，按照“强化基础理论，突出军事特色，加大信息含量，注重实践环节”思路，课程组从过程、内容、资源和条件四个方面进行电磁类课程“分层递进”教学模式的探索实践，在具体建设过程中采用的主要策略有以下几点。（一）针对课程实际，优化教学过程针对问题一，采用“线上低阶知识+线下高阶问题”的线上线下混合实践模式。针对传统线下授课的单调与低效，采用线上线下混合式教学模式，能充分利用线上资源，丰富教学形式。在教学过程中，线上选取精品在线课程资源，将“基础”“前沿”知识放到线上课前预习和课后拓展；线下增加高阶性、创新性训练。比如，线下聚焦在“应用”的高阶重难点问题，利用 HFSS、CST、MATLAB等软件制作虚拟动画和 3D 模型，变抽象为形象，进行创新性训练。此外，针对课程难教难学的特点，通过开展线下探究式小班课、挑战式学习课、教改示范课等多元复合式的课程改造，激发学生学习兴趣，提升教学效果。（二）结合培养目标，更新教学内容针对问题二，深化“为战育人”教学理念，打造“基础型+应用型+前沿型”的多层次内容体系。对于大专和外训学员，目标是掌握“基础型”的部分内容，了解部分“应用型”的教学内容；对于本科学员则要掌握“基础型”的全部内容，理解“应用型”的教学内容，了解部分“前沿型”的内容；对于学有余力的学员则要求能够掌握“应用型”内容，并理解“前沿型”的内容。同时，教学内容应深度结合我军通信装备天馈系统，通过增加军用工程电磁案例，提升内容的“含战量”，实现教学成果向部队和战场推广。此外，教学内容积极融入名家大师、大国工程、经典案例等课程思政和军事案例元素，引进通信雷达系统中的电磁新理论、新技术、新应用，满足多层次培养目标需求。（三）面向多元需求，丰富教学资源针对问题三，在传承经典教材优势的基础上，深入挖掘新质教学资源。一方面，完善教育部新工科新形态教材资源，以及实验指导书、学习指导书等配套教辅教材等传统资源，形成精品课程教材体系。另一方面，深化网络信息资源建设，丰富微课、公开课、随堂视频及职业教育培训课等数字化资源，构建信息教学资源库，打造“传统型+数字化”多元立体的课程资源体系，实现课程教学资源的多样性。此外，为了解决课程概念抽象、理论复杂问题，利用虚拟仿真平台，构建虚拟资源案例库，将抽象的电磁现象进行动画演示，提升学员空间思维能力，使得课程变得生动有趣，提升学习获得感。（四）关注能力生成，完善教学条件针对问题四，拓展“创新实践”教学理念，构建“仿真模拟+原理验证+自主科创”实践环境。建设虚拟仿真平台，方便学员开展毕业设计和自主科创活动。建设了电磁波与天线综合实验室，升级了电磁波与天线综合实验系统，大大提升实验承训容量。同时，升级了微波暗室，购置最新的微波测量仪器和天线测试系统，为相关专业本科生提供了功能较为齐全的实验条件。此外，摸索天线实物进课堂、辅助理论教学的授课模式。种类繁多的军民用天线工作频段涵盖短波、超短波、微波和毫米波，结构形式涵盖线天线和面天线。同时基于电磁工程应用实践需求，结合我军现有的通信装备天馈系统，围绕射频天线、电磁频谱管理领域的新技术、新方法，指导学员参加各级学科竞赛，促进学员创新能力的培养，相关科研成果作为实践教学的辅助器材，为提升学员科技创新和电磁工程实践能力发挥重要作用。实验室的教学条件建设与升级充分保障了理论教学内容的良好实施，为随堂实验以及实践教学提供了坚实的基础。30-博 导 论 坛高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 18 期而制定后需课程教学过程中的改进方法措施，提升课程教学效果。三实施效果OBE 作为近年来兴起的以“学习者为中心”的先进教育模式，为系统工程等非军事类课程实战化教学改革，特别是如何以学员为中心，化解课程难度等现实问题提供了一种全新的思路，具有较强的实践价值。本文所提出的基于 OBE 理念的教学改革模式在武警工程大学指挥信息系统工程专业系统工程课程相关教学班进行了实践应用，取得了预期教学效果。一是学员课程成绩明显提升，平均成绩达到 83 分以上；二是学员系统思想得到升华，体系作战素养和实战化素质明显提升，具备“用系统观点分析问题，用工程方法解决问题”的基础能力，为后续专业课学习和岗位任职打下坚实的基础；三是学员实践创新能力得到加强，具有独立运用所学理论方法解决实际问题的综合能力，6 名学员参加 2020年全军军事建模比赛获得二等奖和三等奖，10 余名学员在 2021 年毕业设计中所选题目与系统工程密切相关，并能熟练运用所学系统工程理论方法分析解决所遇到的问题，其中多名学员的毕业设计论文在答辩时被评为优秀论文。参考文献：1 成卓韦，等.OBE 理念下“3-3-3”融合 56 的新型培养模式J.浙江工业大学学报（社会科学版），2016，15（4）：452-46.2 彭月平，董琳，张杰.“系统工程”课程教学模式改革与创新研究J.武警工程大学学报，2018，34（5）：61-63.3 孙东川，林福永，孙凯，等.系统工程引论M.4 版，北京：清华大学出版社，2019：11.4 彭月平，李乐，董琳.“系统工程”课程教学内容实战化改革与创新J.武警工程大学学报，2020，36（1）：65-68.5 刘媛华.系统工程课程思政教学实践与探索J.教育教学论坛，2019（22）：147-148.6 彭月平，李乐，董琳.系统工程 课程实战化教学改革与创新J.教育现代化，2021，8（78）：85-88.三特色与创新电磁波与天线课程组根据人才培养需求和课程建设目标，深入开展了“分层递进”的教学模式探索，提升了课程建设水平，提高了学员综合电磁素养，为专业发展打下良好基础。教学模式的特色创新主要有以下几方面。1）摸索了“线上低阶+线下高阶”的电磁类课程实践模式。提出的“线上低阶+线下高阶”的分层递进实践模式，可改变枯燥的纯课堂授课模式，解决课程抽象难懂、难教难学问题，大大提高教学效率。2）完善了“基础+应用+前沿”的电磁类课程内容体系。提出的“基础+应用+前沿”课程内容体系，既保证了理论系统性，又增加了军事工程应用和前沿热点技术，结合我军装备天馈系统，突出思政为军设计，具有国防应用和学科前沿特色，提升了内容“含战量”。3）丰富了“传统型+数字化”的电磁类课程教学资源。提出的“传统型+数字化”的多元立体教学资源，虚实结合，教材资源层次分明，网络资源有机融合，实现了资源多元立体化，提升学员工程电磁素养。4）构建了“仿真模拟+原理验证+自主科创”电磁实践条件。提出的“仿真+验证+科创”分层递进实践教学条件，可配合“基础+应用+前沿”内容体系，为提升学员电磁工程实践能力提供差异化手段。四结束语笔者针对目前电磁类课程所存在的问题，提出了基于“分层递进”的电磁波与天线课程教学模式改革。通过试行新的教学模式，不仅促进了专业基础课程与专业核心课程的有机融合，而且有效提升课堂教学效果，解决难教难学问题；构建适应各层次培养对象的教学内容，达到课程覆盖面广、教学效益显著的目的；建成多元立体教学资源，提升学员电磁工程素养；构建分层递进实践教学条件，促进理论知识向实践能力的转化。“分层递进”教学模式在电磁波与天线课程中的实践，对提升课程建设整体水平具有重要的实际意义。参考文献：1 曹文权，朱卫刚，邵尉.电磁波与天线M.北京：清华大学出版社，2022.2 谢处方，饶克谨，杨显清，等.电磁场与电磁波M.5 版.北京：高等教育出版社，2019.3 王增和，卢春兰，钱祖平，等.天线与电波传播M.北京：机械工业出版社，2003.4 杨雪霞.微波技术基础M.2 版.北京：清华大学出版社，2015.5 刁占清，杨弟文.浅谈“分层次教学法”在现代育人中的科学性J.科学咨询：教育科研，2004（S2）：30.6 廖诗平，郑焱江，植茂辉，等.递进性开放式实验教学模式培养学生创新能力J.实验室科学，2019，22（4）：116-119.7 王蒙军，刘剑飞，徐晓辉.基于教学科研与实践三位一体的实验教学中心建设模式探索J.实验室科学，2014（4）：12-16.（上接27页）31-