学生为中心的“微波技术”教学模式构建和教学质量分析

2018-09-10曹明华王惠琴彭清斌郑玉峰

高教学刊 2018年19期

曹明华王惠琴彭清斌郑玉峰

摘要：在大学本科生专业课程的教学过程中，传统“传授”式教学方式对学生的吸引力越来越低。而以学生为中心的教学模式从课堂組织方式、学习资料的准备和在线交流答疑等方面关注学生学习的效果和学生的职业发展，受到越来越多的青睐。因此，通过在通信工程专业本科生“微波技术”课程的教学中采用以学生为中心的教学方法来克服传统教学和学习中遇到的问题和障碍，并对以该教学模式实施前后的课堂出勤率和最终成绩进行了对比分析。证明该模式在增进师生关系、提高课堂趣味化、增加课堂关注度和提高学习效果等方面有较为明显的效果。

关键词：以学生为中心；微波技术；教学改革；课堂教学设计

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）19-0103-04

Abstract： Undergraduate students have increasingly lost interest in traditional lectures. As a consequence， their learning motivation have decreased. The widespread adoption of learner-centered teaching method focuses on the effectiveness of student learning and student career development in terms of teaching organization， learning materials preparation and online communication Q&A. Therefore， learner-centered teaching method is employed in the course of "Microwave Technology" for undergraduates majoring in communication engineering to overcome the problems and obstacles encountered in teaching and learning. Moreover， the class attendance and the final examination results before and after the implementation of the learner-centered teaching method are compared and analyzed. It is proved that this model has obvious effects in improving teacher-student relationship， improving learning interest， increasing the class attendance， and improving learning result.

Keywords： learner-centered； microwave technology； teaching reform； class instructional design

“微波技术”作为通信电子类专业的重要技术基础课程，从电磁场的角度出发，完成理论到工程的过渡，使学生掌握传输线分析方法，了解常用的微波网络和系统[1]。由于抽象性和实践性强的特点，有效完成“微波技术”课程核心内容的教学一直是大学本科生教育中具有挑战性的一项工作[2]。教学过程中存在课程内容多、教学学时紧张和教学班级规模大等诸多问题。从学生的角度而言，课程内容难度大、对未来职业发展的作用模糊等问题导致学习动力不足。同时，随着近年来移动互联技术的不断发展，学生获得知识的途径越来越丰富，因此对教师和教学内容的期望值不断提高，传统板书加投影教学方式的教学效果出现了不断恶化的趋势。学生希望能通过网络随时随地的获得学习资料和教学指导，而且希望课程内容更加趣味化。

以学生为中心的教学方式可以从不同层面上为解决上述问题提供帮助，将教学的重点从“内容教学”转移到“思维、技能教学”上，提高学生的课堂参与度、学习满意度和学习成绩，从而受到了广泛的关注[3-5]。但是，现阶段以学生为中心的教学方式在推行中存在一些障碍，如课时严重不足、需要占用大量的教学资源和课余时间，学生的主观能动性差以及高成本等。针对上述教学和学习中的需求和困难，在不增加课时和只投入少量资金的条件下，于2017/2018学年的 “微波技术”课程教学过程中尝试性地采用了以学生为中心的教学方式，希望以此来提高学生的学习兴趣并加深他们对相关概念、理论和应用的掌握程度。

一、构建更加积极的师生互动机制

以学生为中心的教学方式要求改变教学活动中教师与学生之间的关系，不再是“灌输”和被动接受的关系，而要逐步转变为教师指导促进和学生主动学习的关系[6，7]。传统的课堂教学过程中，往往会使用大量过于“正式”的语言表述方式来讲授课程。这在科学研究上是比较合适的，但对于刚开始专业学习的本科生来说，这种方式显得比较生硬。针对这一问题，在授课过程中尽量采用口语化和较为幽默的语言表述方式，并结合一些技术动态或者科技新闻进行相关背景介绍，使课堂在较为轻松的氛围中进行。这种轻松的氛围会使学生不再感觉课堂的压抑，使教学过程变得更加友好，改变部分学生害怕犯错或者表现的无知而不愿提问或者参与讨论的问题。

另一方面，在教学过程中通过听取学生的对授课方式和课程内容的建议，形成持续的反馈机制是教师发现学生学习中的问题和困惑的最有效手段。但许多学生因为害羞、担心被批评或者在同学面前尴尬而不愿意说出自己的想法。针对这一问题，要求授课教师通过给学生提供自己的电子邮箱、QQ和微信号码，学生可以通过在线和匿名的方式将自己的想法和要求提供给教师。实际情况表明，这种沟通方式很受学生的欢迎，教师的电子邮箱、QQ和微信中每周都会收到好几封来自学生的邮件或者留言，询问课程学习中遇到的问题、寻求教学课件或者提出自己的建议。例如，在微波技术的教学过程中包含着大量的定理解释和数学推导，教师通常希望从数学的角度给学生提供一个严谨的分析思路，但很少讨论相关的应用。而从学生的反馈来看，他们往往对定理的证明和数学推导不感兴趣。因此，根据学生的要求和建议在授课内容中增加了更多实际应用的实例来满足学生的要求。

另外，为了持续增加学生对课程内容的关注度和兴趣。通过在线的方式提供了一些仿真程序和动画供学生在课余时间学习，学生在学习过程中有任何疑问都可以和教师在线进行交流。如通过给学生提供史密斯圆图的计算机仿真程序，学生可以在自己的计算机上运行并修改其中的参数，来观察参数的影响。而通过观看规则波导的三维动画，学生反映对场结构的理解更加深入了。除此之外，还为学有余力和感兴趣的学生提供基于MATLAB的虚拟实验程序和开放实验室场地，供其修改和调试程序，进行更为深入的学习。

二、教学组织方式的变化

普通本科院校中，很多学生并没有养成良好的学习习惯，往往只是在期末考试前通过突击学习来应付考试。为了激发学生在课堂上的学习积极性，首先将课程考试时间从通常的期末安排到结课后一周进行。此项变化的结果是学生的出勤率提高了，同时由于期末考试的负担有所降低，因此受到了学生的欢迎。

其次，增加了计算机辅助教学（CAI）方式。例如，在讲授波导中的场分布时，为了让学生形象的理解电磁场在波导中的分布状态这个教学难点，利用计算机辅助教学引入动画的形式，使学生能够形象地观察波导中电磁场的分布和传播情况。在此基础上进行数学推导，利用分离变量法分别给出TE模式和TM模式的数学表达式，从而加深学生对该知识点的理解与掌握。

第三，教学中引入更多的实例和研讨。已有研究证明，引入实例和研讨机制的教学效果要好于传统的“传授”方式[8，9]。为此，在教学中引入了最新的微波工程实例，例如将位于贵州省的500米口径球面射电望远镜（FAST）项目[10]引入课堂教学中，要求学生在课前进行相关信息的查阅和准备，课堂上采用研讨的方式进行学习。这种方式不但加深了学生对相关概念和方法的掌握，还有效压缩了相关内容的授课时间。在此基础上，还可以进一步对课堂内容进行拓展，让学生自己发现并介绍日常生活中微波技术的应用和相关系统，增加了学生对微波技术应用的认识，不再认为课程内容于未来的就业是无关的。

三、丰富教学方法和教学内容

为了提高学生的内在学习动力，在授课过程中引入了一些新的教学方法和内容。首先是引入启发式教学。通过在教学过程中介绍某个有趣的、意想不到的或者学生只知道表面现象的概念，激发学生的好奇心和兴趣，引导其完成相关背景的调查和概念的学习。例如，在教学中介绍了谷歌公司的“Project Soli”项目[11]，该项目运用微型雷达可以追踪亚毫米精准度空中手势动作的高速运动，然后将雷达信号进行处理，识别成一系列通用的交互手势，方便控制各种可穿戴和微型设备。教师在完成项目的介绍后，学生会对项目中的技术原理产生好奇，这时教师可以进一步启发学生进行思考，告诉学生“Project Soli”项目的雷达采用的调频连续波（FMCW）调制技术，让学生讨论该技术可能的应用场景，最后学生会联想到目前该技术已在汽车自动巡航中的应用，以及各类可实现对物体距离和速度感知的应用。

微波、射频电路和天线技术的发展日新月异，理论性、实践性和前沿性的统一有利于激发学生的学习兴趣[12]。因此，在教学过程中引入了在物理和化学教学中广泛采用的归纳式教学。授课时首先提出一种可观察到的现象，然后给出对这一现象的理论解释和规则的说明，最后归纳出最终结果。例如，在介绍标准微带线的过程中，先从常见的微波集成电路中的印刷铜线入手，让学生思考信号在集成电路微带线中的传播情况。将印制微带线看成是带有寄生电感和寄生电容的传输线，再讨论高频条件下会出现的趋肤效应和电介质损耗问题，最后分析上述因素对其特征阻抗的影响。

根据学生的兴趣点引入了实物现场教学法。将微波系统中常用的器件实物带到课堂上，让学生能对相关的器件和设备进行直接观察和感受。在观察器件的同时讲解相关的理论知识和具体应用。讲解完这些常用器件的基本知识后，和学生一起讨论其应用，从而引出几种典型的雷达收发机结构及其原理，再进行必要的数学证明和分析。将实物、实际应用和理论分析相结合，解决传统教学中理论分析和实际应用割裂的问题，使枯燥的理论学习过程变得更有趣味性。学生在课后的反馈中也提到在采用了实物现场教学的授课方式后，学习动力、学习兴趣和对部分问题的理解增强了。而依据实物给出的理论推导过程可以提高学生的抽象思维能力和问题分析能力，增强他们的工程想象能力，消减学生对这一环节的消极对抗心理。

四、教学质量分析

本科生课堂的教学质量是高校教学质量保障的基础[13]。为了分析上述以学生为中心教学方式的教学效果，将2017/2018学年和2016/2017学年的 “微波技术”课程授课效果从以下几个方面进行了对比。

（一）学生课堂出勤率

虽然出勤率并不能决定最终的课程学习成绩，但可以客观的反映出教学过程对学生的吸引力。课程的考勤数据通过课堂点名和班长统计完成，如圖1所示。结果显示，在采用了以学生为中心的教学方式后，课程对学生的吸引力相较之前有了一定的提高。尤其需要注意的是，从第4周开始，出勤率有了上升。这在以前是很少出现的，因为随着课程内容的推进，部分学生会因为听不懂或者不感兴趣而缺勤，导致出勤率不断下降。出勤率只有在最后一周结课前才会因为课程总结或者复习重点内容而出现明显回升。

平均出勤率的提升证明在采用了新方法后学生的学习兴趣和学习热情有所增长，尤其是对部分“后进”学生的吸引力出现了比较明显的提升。

（二）课程成绩表现

作为评估新教学方法效果的核心指标，将2017/2018学年和2016/2017学年学生的最终成绩进行了比较，其中2017/2018学年选课的学生人数为116人，2016/2017学年选课的学生人数为131人。最终成绩由平时成绩和期末考试成绩两部分组成，平时成绩占最终成绩的30%，期末考试成绩占最终成绩的70%。平时成绩主要包括作业完成质量、课堂表现和小测验等环节。期末考试试卷由简答题、计算题和综合分析题3种类型的题目组成，3种题型各占约1/3的分值。其中，在设计分析题时会涉及分布式参数分析、器件结构、参数和功率分析等多种概念，要求体现出学生在知识综合应用和解决问题方面的能力。两套试题的难度和题量基本保持一致。两学年中，各分数段成绩分布的直方图如图2所示。

从图2所示的最终成绩分布情况来看，2017/2018学年学生的及格率为92.24%，平均分为73.98，最高分为99分，最低分为31分。而2016/2017学年学生的及格率为88.55%，平均分为74.67，最高分为96分，最低分为3分。2017/2018学年的及格率上升了3.69%。最高分和最低分都出现了上升，尤其是最低分实现了大幅上涨，但平均成绩下降了0.69分。从成绩的分布区间来看，90分以上和80～90分区间所占的比例有所下降，而70～79分以及60～69分区间的占比出现了较大幅度的上升。这说明采用了以学生为中心的教学方法后，新的授课方式对原来成绩较差或者对课程内容不太感兴趣的同学的吸引力有所增加。但对适应了传统“传授”式教学方法的高分考生的成绩产生了抑制作用。

需要说明的是，课外实践、虚拟实验仿真等环节的教学效果没有包含到最终的成绩统计分析中，因为在新授课方式中增加了微波器件和简单系统的观察分析环节，并为部分学有余力的学生提供了虚拟实验程序，而没有对这类内容制定成绩考核环节。但是从教师教学过程的主观感受来看，这一环节增加了师生之间的沟通，改善了教学氛围。

五、结束语

以学生为中心的教学模式的实践证明，通过改变课程组织方式、教学内容、教学手段和师生互动机制可以有效地改善课堂氛围并增加课程的吸引力。出勤率的增加和及格率的上升体现了新的授课方式提高了那些原来对课程内容不太感兴趣的同学的学习热情。而且，“微波技术”课程中采用的以学生为中心的教学模式实践中的很多手段，例如改变授课方式、丰富教学手段和保持良好的师生互动关系等都可以很容易的移植到其他专业课程的教学中，以增加课程的吸引力。

但需要注意的是在采用了以学生为中心的授课方式后，高分考生比例出现了下降，这一问题必须引起高度关注。考虑到总学时没有增加，而采用新的授课方式和方法后占用了部分教学资源和课堂时间，因此一定程度上压缩了理论推导、定理解释、板书和习题训练的时间。这一矛盾还需要在今后的教学中不断探索，找到一个合适的平衡点。但从另一个角度来看，新的教学模式有助于培养学生脚踏实地的学习态度，对突击应试的学习方式有一定的抑制作用，有助于形成优良学风。最后，以学生为中心的教学实践执行时间还比较短，部分问题和不足刚刚暴露出来，还需要进行进一步设计和优化，以便更有效的提高课程的教学效果。

参考文献：

[1]姜彦南，姜兴，高喜.面向“卓越工程师教育培养计划”的电磁场与微波课程体系的教学研究[J].工业和信息化教育，2013（8）：31-34.

[2]全绍辉.无线通信系统电磁与微波技术教学的分层设计[J].现代教育技术，2012，22（12）：115-118.

[3]王晓萍，刘玉玲，梁宜勇，等.“以学生为中心”的教法、学法、考法改革与实践[J].中国大学教学，2017（6）.

[4]郑秀英，崔艳娇，韩春英.加拿大“以学生发展为中心”的教学模式[J].中国大学教学，2017（11）：91-94.

[5]吴维仲，李国庆，关晓辉.“以学生为中心”的教学改革思考[J]. 东北师大学报（哲学社会科学版），2017（3）：162-166.

[6]潘修强.新加坡“以学生为中心”的师资队伍建设特点及启示[J]. 现代教育科学，2018（2）：151-156.

[7]冯其红，杨慧，马建山，等.基于“以学生为中心”理念的课程改革与实践[J].中國大学教学，2017（10）：68-71.

[8]骆无穷，唐璞，王园，等.研究型教学在微波技术教育中的应用[J].高教学刊，2016（10）：139-140.

[9]范懿，许明妍，马愈昭，等.电磁场和微波课程群专题化教学实践[J].电气电子教学学报，2015（5）：69-71.

[10]Project FAST，http：//radio973.bao.ac.cn/

[11]Project Soli，Google ATAP， https：//www.google.com/atap/project-soli/.