从认知学浅谈《教学大纲》在《微波技术基础》教学中的作用

骆无穷 唐璞 M. Wang M. Gerber

摘 要：文章在学生工程教育培养模式的基础上，提出了《教学大纲》在《微波技术基础》教学过程中的作用。从认知学的角度讨论了《教学大纲》对促进学生在学习过程中的自我认知和评价的作用；对教师在教学过程中强化学生知识点的学习过程以及学生工程实践能力培养方面的指导作用。

关键词：教学大纲；微波技术基础；认知学；工程实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）13-0092-03

Abstract： This thesis analyzes the function of the syllabus in the teaching of Microwave Technology on the basis of engineering education model. From the perspective of cognition， this paper discusses the syllabus' functions in promoting students' self-awareness and evaluation， and providing guidance for teachers in strengthening the key points and cultivating students' practical ability.

Keywords： syllabus； Microwave Technology； theory of cognition； engineering practice

近几年来随着我国对本科生教育特别是工程类本科生教育重视程度的加深，教育界对工程学教育的方针、方式和方法展开了大量的讨论和研究工作[1]，发展并推广了以“学生为中心”的教学模式[2，3]，提出了基于“学习产出”的工程教育模式（OBE： Outcomes based education）等不同理念，推行工程教育认证和“卓越工程师培养计划”，应用日新月异的科技手段推行翻转课堂和慕课等新型教学形式[4]。例如，从2005年引入的CDIO工程教育模式将教师为中心的教学模式进化到学生为中心的教学模式[1-3]，以及最近几年推行的工程教育认证体系都对传统的工程教育体系产生了较大的影响和冲击[4]，这些工作对目前和未来的工程学教育都有着非同一般的意义。

在传统的以教师为中心的传统教学模式中，教师将知识进行细化、归纳之后，再以授课的方式传授给学生。该模式下教师“撒播”知识，学生“接受”知识，教师虽然也会关注学生的学习成果，但是较少在学生如何有效地获得知识的层面上进行考虑。与此相比，目前已经得到验证的以学生为中心的教学模式将知识的传授和获取作为一个整体来考虑，将人类在获取新知识过程中的认知科学应用到教学中，以学习成果为着眼点，要求教师从学生获取知识的角度出发安排和组织教学活动。教学的目的是为了让学生获得知识并且能够进行有效的应用，以学生为中心的教学模式显然更贴近教学的终极目的。

一、《微波技术基础》的电磁学理论和工程实践要求

《微波技术基础》是工科无线电、电子工程和通信工程类专业的一门重要技术基础课，也是国内外大学普遍开设的电子类专业课程。电子科技大学的“电磁场与微波技术”学科所涵盖的国家级特色专业“电磁场与无线技术”与国防特色专业“电波传播与天线”均把该门课程作为专业核心课程。作为一门非常具有典型性的工程类专业课，在课程教学纲领设计上就需要全面考虑工程类专业课教育的特点及其与工科学生素质培养目标之前的关联。

工程教育学是在教育学基础上发展起来的、与工程学领域紧密相关的一门学科。它不仅需要在教育理念这个大概念上进行研究分析，同时具体涉及到某一个学科方向的教学方式方法研究，进而细化到每一門课程教学过程中有针对性的方式方法问题。根据工程教育培养方案的设定，学生在工程类学科的学习过程中要逐步形成工程师的思维模式，能够在本学科领域的工程实践中发现问题，研究问题并最终解决问题。

《微波技术基础》是工科无线电、电子工程和通信工程类专业的一门重要技术基础课，也是国内外大学普遍开设的电子类专业课程。电子科技大学的“电磁场与微波技术”学科所涵盖的国家级特色专业“电磁场与无线技术”与国防特色专业“电波传播与天线”均把该门课程作为专业核心课程。《微波技术基础》要求从电磁场理论的角度出发，结合电路理论的观点对具体的微波导行、激励系统进行深入的阐述和讲解。该课程的学习和理解对相关专业学生的专业素养培养具有不可替代的作用，其学习效果的好坏直接影响学生的后续学习。以微波技术基础教学为载体，联系电路理论和电磁场理论最终形成以微波技术为基础的微波工程学概念是本课程的宗旨。

从以上《微波技术基础》在电磁场教学体系中的讨论可以发现，本课程同时对学生的理论素养和工程实践有要求。

二、从认知学角度对《教学大纲》的分析

认知学是一门研究大脑如何获取、处理和储存信息，并且在需要的时候回忆提取信息的科学[5，6]。认知学作为一门专业学科已经被广泛应用于人工智能和医学神经研究等方向，随着教育学研究的不断发展，认知学中关于人类学习知识的理论已经开始被逐渐应用于教学实践中。学生从课堂教学、阅读、实验或讨论等环节中获取信息，从中提取重点的信息进行归纳总结为知识点储存进大脑，并且在思考、实验、实践或者考试等环节中将相应的知识点提取出来进行回忆或者应用，这个过程和教学过程中学生的学习过程是一致的，其过程涵盖了工程类学生学习过程中的知识获取、知识提取和知识应用（实践）的所有过程[7]。

教学的目的是为了让学生能够在相对短的时间内快速有效的掌握相关的知识点，并能将学到的知识应用到实际问题解决（Problem-solving）中去。从认知学的角度来讲，无论是教师还是学生在上课之前都需要对教学培养目标有非常清晰的认识。教师只有在明晰的教学培养目标的指引下，才能有针对性的设计和安排教学环节，包括对课堂内容的时间安排，对不同教学内容的教学形式安排，以及相应的作业、课程设计，在课程进行过程中有效获取学生学习反馈的设计，和结束后对学生学习效果的考核标准的制定等。

教学大纲明确规定本门课程在专业教学计划中的地位和作用，确定本门课程教学的基本任务和要求，依据学科的知识系统与有关先行课、后继课之间的联系，确定各章、节的基本内容、重点和难点，并能反映出本学科的新成就和学科发展的方向；同时提出本门课程教学组织实施的原则和学时数，并分列讲授课、习题课、实验课及其他实践性教学环节等的教学时数的分配。教学大纲不仅是讲授大纲，还是指导学生自学和培养学生能力的纲要[8]。

对学生来说，明晰确定的教学培养目标有助于学生明了课程本身的要求，避免针对教学重点的猜测——这种猜测在考试复习阶段表现的尤其明显，很多学生试图通过各种渠道明确某一门课程的教学重点（而这些众多的渠道中，教学大纲反而是最容易被忽略的）。如果教学培养目标和教学重点是非常明确并且教师在上课过程中有效地强化了其课程指导的纲领作用，就可以避免学生把精力用在这种猜谜式的学习上，这种猜谜式的学习通常导致了学生学习效率的低下和知识点掌握的不确定性。

《微波技术基础》的教学培养目标是培养学生掌握微波传输线、微波导波系统、微波无源元件以及微波谐振腔的基础理论及其在实际工程中应用的能力；同时由于本课程在本专业教学培养计划中“承上启下”的作用，本课程的教学需要为学生学习后续专业课程奠定坚实的基础，进一步培养学生建立“工程问题解决”模式和思考方法[9]。针对这一教学培养目标，学生在学习本课程过程中需要掌握的知识包括：

1. 微波的概念、特点及其工程应用；

2. 导波系统的场分析方法，导波分类、各类导波系统的特性，和导波状态（传输态和截止态）；

3. 导波的传输功率、能量及衰减；

4. 规则波导（同轴线、矩形波导、圆形波导）正规模的特性以及波导的激励方法；

5. 传输线方程、分布参数阻抗、无耗线的工作状态及参量计算；

6. 利用史密斯圆图进行传输线阻抗匹配；

7. 微波谐振器的基本特性与参数，包括串联和并联谐振电路、传输线谐振器、金属波导谐振腔、介质谐振器和法布里-珀罗谐振器；谐振器的激励与耦合以及微扰理论。

需要了解的知识点包括：

1. 1～4端口微波无源元件特性、典型器件及其应用；

2. 微波周期结构特性及其应用；

3. 微波铁氧体的特性及其应用。

从上述《微波技术基础》教学大纲的具体内容可以看出，大纲不仅对学生的学习内容有非常明确的说明，同时对不同的内容学生需要掌握的程度也有非常清晰的描述。根据Bloom思维认知学理论，学生经过一段时间的学习后体现出对知识的不同程度的掌握。在知识掌握的层次上可以分成以下五个层次：记忆、理解、应用、分析、综合和评鉴[7]。

记忆指记忆知识，对学过的知识和有关材料能识别和再现；在这个层次上学生能够将所学的知识进行确认、选择和背诵等。

理解指对知识的掌握，能抓住事物的本质，把握材料中的意义和中心思想；在这个层次上学生能够将所学的知识用自己的语言进行描述，判断所学过的知识等。

应用指把所学的知识应用于新情境；在这个层次中学生能够应用所学的知识进行计算、操作、设计等。

分析指能够将知识进行分解，找出组成要素，并分析相互关系和组成原理；在这个层次上学生能够对事物进行具体分析、叙述理由、进行一定程度的推理和逻辑区分。

综合指把各个元素或部分组成新的整体，在这个层次上学生能够对所学的知识进行联系、合成、归纳和总结等。

评鉴指根据一定的标准对问题进行价值和可行性判断，在这个层次上学生能够比较分析、评价效果、判断科学价值等。

《微波技术基础》在具体的教材内容上的要求分别用了“掌握”和“了解”，这两个说法，分别对应Bloom思维认知学理论中的“记忆”和“理解”层次，同时因为需要对具体的微波参数进行计算，所以实际对知识点的掌握层次是“应用”层次。同时，由于《教学大纲》中提出的微波技术知识构架和电子工程学思维模式培养问题，则涉及到了后面“分析”到“评鉴”的层次。同时，因为知识构架和思维模式不是单凭一门课或者一个学期就能培养起来的，所以后面几个层次的培养实际上是贯穿到整个本科生学生素质培养体系中的。

课程的教学大纲是课程教学和学生最终成绩评定的标准。教师通常会在课程刚开始的时候强调教学大纲和课程教学内容之间的关系，却很少强调教学大纲和学生最终成绩考核之间的关系：即最终考核内容完全由教学大纲确定。这样的做法初衷是为了能够让学生因为不确定考核内容而多学一些和本课程相关的知识，结果学生的实际行动却走向了另外一个方向：由于不确定考核內容，学生向高年级学长求教真正的考核（考试）内容，甚至向私人购买历年考试真题，导致课程的题库外泄，私人借盗版相关的学习资料牟利。

作者在多年的执教过程中发现，学生非但没有因为不确定考核内容多学一点专业知识，反而由于积极寻求考试真题用于刷题而忽略了对理论知识的深入学习和应用探索。例如，许多重修的学生唯一采用的学习方法就是刷题，由于无法把所有题目都记下来，在遇到相似题目的时候就使用强背下的内容作答。

三、结束语

综上所述，在教学过程中不断强调教学大纲和本课程教学的关系，让学生在学习过程中对本课程的学习产出有非常明确的认识，从而引导他们积极地向既定的培养目标前进，有助于鼓励学生对学习的自我认知和肯定。同时，以认知学为理论基础，明了学生学习过程中的客观规律，有助于教师进一步合理有效地引导学生强化对课程内容的学习。

参考文献：

[1]李志义.解析工程教育专业认证的学生中心理念[J].中国高等教育，2014（21）.

[2]丁笑炯.以学生为中心的教学：历史回顾与最新进展[J].教育发展研究，2005（22）.

[3]王嘉毅，等.再论“以学生为中心”的教学意蕴与实践样态[J].中国教育学刊，2015（8）.

[4]林建.工程教育认证与工程教育改革和发展[J].高等工程教育研究，2015（2）.

[5]J.H.Frenster. Matrix cognition in medical artificial intelligence[J].Engineering in Medicine and Biology Society， Images of the Twenty-First Century. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in， 1989.

[6]Baxter Magolda. Knowing and reasoning in college： Gender-related patterns in students' intellectual development[M].San Frasisco： Jossey-Bass.

[7]H. Fry， S. Ketteridge， and S. Marshall， A hand book for teaching & learning in higher education[M].Kogan Page， UK.

[8]杨龙立，等.课程标准（教学计划或教学大纲）组成要素的探讨[J].教育学报，2010（6）.

[9]徐锐敏，唐璞.微波技术基础[M].科学出版社.