新工科背景下“微波工程基础”课程的教学改革与探索

张 海，谢姣皎，汤 炜

（华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门 361021）

引言

“微波工程基础”课程是电子与通信类专业本科生必修的一门专业课，其目的是使学生熟悉和掌握“微波工程”的基本原理、基本理论，以及解决简单微波工程问题的分析方法，为今后深入学习与应用打下良好基础。它是教育部电子信息类教学指导委员会及《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》中推荐的必修课之一，全国重点理工类院校均开设有本门课程。

华侨大学自20 世纪80 年代以来，就有开设本门课程，主要讲授传输线理论、矩形波导与圆柱波导、带状线与微带线、微波网络及基本微波器件与电路等。课程设置在大学三年级第二学期，其先修课程包括高等数学、大学物理、电磁场与电磁波等。开设本课程的主要目的是培养学生分析与解决实际微波工程问题的能力，提高学生的实验操作能力，为日后从事微波射频电路设计、无线通信技术以及光频通信设备等开发工作打下良好的基础。然而，本课程涉及基础电磁理论与微波网络技术以及电磁辐射技术，内容抽象，理论性强，所涉及的物理学、高等数学等基础知识比较多，要求学生具有良好的数学基础，因此是电子信息类专业课程中较为难学的核心课程之一。随着时代的发展与知识的更新，尤其是在“新工科”教育的背景下，很多教学内容和教学手段得以更新。因此，非常有必要对本门课程进行改革与创新。

1 传统教学环节中的不足

目前，本课程在传统教学环节中依然存在着一些问题，主要表现为以下三个方面。首先，教学方法较为单一。由于该课程中的物理和数学公式比较多，目前还有很多高校采用传统的粉笔与板书的教学方式。虽然这种方式可以帮助学生深入理解数学公式的由来，然而讲课效率却无法有效提高。其次，基础理论内容较多，前沿知识内容较少。在有限的学时中，仅仅能将基本概念与基本方法以及简单工作原理教授给学生，而对本领域的发展现状、发展前沿以及探索性、前瞻性的科学问题却很少涉及。加之本课程的理论推导过程较多，缺乏直观的实验验证，会使学生感到抽象乏味，导致学习兴趣偏低。再次，微波与射频器件主要是以电磁波的传输和变换实现设计者所需功能，由于学生对此类系统的接触较少，仅通过课堂讲授会使学生感到抽象。所以，教师应该根据课程的内在特点，充分使用现代化技术手段，探索新型教学思路与教学方法，激励学生发挥学习的主动性与积极性。

2 课程改革的目标与具体思路

2.1 改革目标

结合传统“微波工程”课程特点和本校实际情况，对课程体系的构建、教学内容的优化，实验教学环节等方面进行改革，并结合当前工程应用中最为广泛的射频、通信、卫星、导航等实际需求，提出课程的建设与改革方案。通过教学改革，有助于促进“微波工程”课程的理论教学与实践工程相结合，提升整个课程体系的教学质量，提高学生对该课程专业知识与技能的应用能力，从而促进我校电子与通信类专业特色的形成，并为其他高校在同类课程建设中的理论创新与实践改革提供有效的参考。

首先，通过教学模式的改革，实现教学过程中学生的主体地位，增强学生的“向心力”和“自主性”，提高课堂教学效率，提升整体教学质量，促进学生综合素质的发展。其次，通过教学方法的改革，增强教学效果。例如：任务驱动式教学法、引导讨论式教学法、线上线下混合式教学法，取代传统的填鸭式教学法，激发学生的学习兴趣和创造性。再次，在“新工科”背景下开展教学改革，运用现代化教育理念，面向国家经济社会的发展需求，介绍专业领域新进展、实践发展新经验，培养真正适合企业需求的优秀工程人才。

2.2 具体思路

“新工科”是主动应对新一轮科技革命和产业变革的战略行动，是“卓越工程师教育培养计划2.0”的核心内容和主要抓手，是新时代工程教育改革创新的最前沿和新方向，从“天大行动”“复旦共识”“北京指南”的新工科建设“三部曲”，到两批国家级新工科研究与实践项目，新工科建设在高等教育战线形成了百花齐放、日新月异的新格局。

我国《“十四五”规划纲要和2035 年远景目标纲要》中明确指出，在下一个五年计划中，我国重点研发领域包括：空天科技（深空探测）、深地深海、高速集成电路、5G/6G 高速通信等。这些领域均与“微波工程/微波技术”密切相关。例如：卫星上的有效载荷、遥测遥感、微波成像、探地雷达、航天器姿态控制、高速集成电路电磁兼容、5G/6G 毫米波通信、GPS/北斗导航，以及未来战场上的高功率微波武器、定向能武器、电子战，超宽带天线等诸多领域，均需要从业者具有宽广、深厚、扎实的“微波技术”理论功底。作为国家重点建设的综合性大学，我校也有责任和担当培养该领域的“合格人才”和“优秀工程师”，为祖国的建设和发展贡献自己的力量。

因此，结合以上应用领域，努力探索“微波工程基础”课程新的教学方法与教学手段，提高教学质量，培养教师梯队，丰富网上教学资源，加强理论联系实际，充实实验内容。将新工科发展趋势与国家产业需求相结合，将行业的新动态、专业的新成果融入教学过程中。改进教学方法，丰富教学手段，深度融入信息化、智能化技术，促进智慧课堂、翻转课堂等教学方式的运用与推广。在学生掌握理论知识的基础上，注重学生的创造性思维和应用能力的培养。积极探索综合性课堂、问题导向课堂、交叉学科研讨课堂，提高课程的兴趣度、学业的挑战度。注意了解国内外同类课程最新发展趋势，汲取国内外优秀教材的精华，使教学内容紧贴学科发展前沿，力争将本课程打造成校内外同行认可的“精品课程”。同时，加强教师队伍的梯队化和国际化，构建合理的教学梯队，逐步培养教学名师。相应改革措施包括：（1）完善教学大纲，调整教学内容；（2）精选教材，突出“化繁为简”理念；（3）促进教学科研互动，培养创新能力；（4）改进实验教学，提高实验效果；（5）重视教学电子资源建设，拓宽课程信息来源；（6）改革考试方式，促进考核公平公正；（7）建设精品课程，提升教学水平；（8）融合课程思政，培养学生综合素养与爱国情怀。

3 教学内容的改革与创新

3.1 课程内容、体系结构的改革

课程改革前的教学内容和体系结构强调微波技术的基础理论和分析方法，对课程的应用背景和学生实践能力的要求不高，且相关知识较为陈旧，与当前实际工程发展潮流不相匹配。学生在课程学习过程中对微波工程问题的理解及理论联系实际的转化能力相对较弱，不利于优秀工程师的培养与塑造。图1 所示为改革后的课程内容与结构体系。

图1 改革后的课程内容与结构体系

3.2 课程教学过程组织方式与培养目的

改革之前，传统课堂是“老师讲、学生听”。在听课过程中，师生互动少，教师很难掌握学生的“理解程度”，从而及时调节讲课节奏。而现在，我们将采用如下几种方式对课堂组织方式进行改革。首先，多媒体教学手段的应用。多媒体教学方法可以将“微波”这一抽象的物质，形象而生动地表达出来，帮助同学们在大脑中构建“微波电磁场”的直观印象，从而获得较好的教学效果。其次，电磁仿真软件的辅助教学。在课堂教学中，教师可将HFSS 等微波仿真软件教授给学生，在实验环节中可利用软硬件平台相结合的方式开展，同时开设基于软件平台的虚拟仿真实验内容。再次，引入BOPPPS 教学模式，增强参与式学习体验。增强学生在学习过程中的主体地位，鼓励学生充分参与课堂教学全过程，激发学生的主动性与兴趣感，引导他们主动学习、主动探索、独立思考，最终完成教学目标，学生获得成就感与满足感。最后，灵活应用“雨课堂”工具，充分提高师生互动。同时，保证教学科研工作相辅相成，培养学生科研兴趣。

3.3 课程考试和考核方式的改革

在平时成绩中增加文献资料阅读，实际微波工程问题调研报告，创新创业实践项目，同时，期末考题中增加工程应用类题目以及上机操作。

4 课程改革的特色与效果

本课程改革的主要特色包含以下三个方面：首先，课程思政案例化：结合著名科学家对课程知识的贡献，培养学生的科学精神。结合课程实验和课堂展示，培养学生精益求精、团队分工合作和追求卓越的工匠精神等。其次，课程资源信息化：把重点及难点录制成小视频，供同学们下载。建设了微波技术基础课程网站，利用即时通信平台，建立了讨论社区。再次，课外研学学术化：组建学习小组，以项目形式鼓励学生对课程知识进行深入研究。面向课程知识的实际应用，通过项目研究，提升学生研究性学习能力。

通过课程改革，使学生能够积极主动地参与整个教学环节，学习兴趣有效提高，课堂中师生互动更为活跃，学习成绩与实践动手能力显著提高，课程考试“优秀率”至少提升10 个百分点以上，“不及格率”降低15%。同时，通过发展线上线下混合式教学，实现教学模式的革新与课堂效率的提升。教师因势利导、融合创新，主动适应“新工科”和“工程教育认证”的要求，做到以学生为中心、以产出为导向，使学生可以获得更多的知识，提高学生的自主学习能力及实践动手能力。毕业生具有较强的工程实践能力和创新能力，能从事现代微波与通信系统及设备的研究、设计、开发、制造、运营等工作，实现教育部《“新工科”建设复旦共识》提出的“能胜任行业发展需求的应用型和技术技能型人才”的培养目标。具体改革效果，如图2 所示。

图2 课程改革的预期效果

5 结语

“微波工程基础”等课程既有严格的理论基础，又涉及广泛的专业知识。在教学工作中，教师须结合具体课程特点，采用启发式教学。经过近年来的改革与实践，虽然在讲授课程知识，培养学生分析和实践能力方面取得了明显效果，但随着互联网和信息技术的发展，课程还需要进一步革新。例如：课程体系的再次优化，从“知识链”角度，进一步优化课程体系，实现与先修课和后续课程的无缝连接。另外，课程教学的国际化，结合双一流建设中人才培养的国际化需求，建设全英文课程。最后，升级教学条件，建设课程实践创新平台，实现与创新创业教育的深度融合。