基于工程类专业基础课的挑战性课程教学方法讨论

杨伟 唐璞 骆无穷 詹铭周

（电子科技大学，四川 成都 611731）

摘  要：挑战性学习课程作为一种新的教育理念正在国内一流高校逐渐兴起，针对目前工程类专业基础课程的特点，电子科技大学《微波技术基础》教学组结合挑战性学习理论，探讨了这类课程的挑战性实现过程。重点从理论学习深度、授课方式、考核方式、相关课程设计等方面提出了相应的教学改革措施。实践证明，该措施解决了学生学习主动性问题，较大幅度提高了学生的专业实践能力，在期末考试成绩方面也有明显的提升。总体来说，该类课程建设取得一定成果。

关键词：挑战性学习;跨学科问题;教学方式方法;《微波技术基础》

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2019）21-0086-04

Abstract： As a novel teaching philosophy， the challenging learning methods are emerging in the Chinese first-class colleges and universities. Based on the characterizes of foundation courses in the major of engineering technology， the teaching team of foundation on microwave technology in university of electronic science and technology of China （UESTC） explored the implementation of this kind of courses in term of the challenging teaching philosophy， and discussed the steps in transformation of education from the aspects of learning depth， teaching-learning mode， examination mode， and course design， and so on. It is proved that these steps can fix the problem of the learning activities of students， and improve greatly the practical ability， and finally， the exam scores became better significantly. Generally， this discussion on the transformation of education is effective.

Keywords： challenging learning methods; interdisciplinary subject; teaching-learning mode; foundation on microwave technology

一、概述

课程挑战度不足，是我国世界一流本科教育事业的瓶颈问题之一。国外高校非常重视学生的基础理论和实验课程的动手能力的培养。20世纪60年代，芝加哥大学施瓦布教授提出了“探究式”教学法，通过探究与讨论过程，使学习者掌握科学的概念，了解科学研究的方法。几乎同时，加拿大学者提出了基于问题的学习与教学模式，强调把学习设置在复杂、有意义的“问题情境”中，通过让多位学习者合作解决真实问题，来学习“隐含于问题背后的科学知识”，并形成自主学习的能力。20世纪90年代末，美国麻省理工学院、瑞典皇家工学院等四所知名大学联合建立跨国合作研究组织，提出了现代工程教育的CDIO模式，即构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）。该模式让学生以课程之间存在的有机联系来学习工程技术。这些教学方法和学习方法都是现今比较先进的教学理论和学习理论[1]。

所谓挑战性学习是指通过增大课程挑战度，强调对学生实践动手能力的培养，从而达到激发学生的学术志趣，建立学术自信，培养创新意识和团队协作精神的目的。目前，国内许多大学也提出并实践了“翻转课堂”、“小班教学”和“挑战性学习课程”等教学改革，积极研究-试验-推广新的课堂教学模式，取得了良好的教学效果[2，3]。2012年，清华大学教务部门正式支持教师开出首门“校级挑战性学习示范课”。电子科技大学在2017年也提出了挑战性学习课程建设项目。通过此类课程，力争使每个学生在校期间经历一次挑战性学习课程体验，经受素质、能力、求学三方面磨炼和提升。

电子科技大学积极推进混合式教学模式教学改革，强调学生为学习主体和中心[4]。本文的主旨是基于学校在专业基础课中推进“挑战性课程”的探索计划，以《微波技术基础》教学改革为分析依据，讨论面向这类课程的挑战性实现过程。

二、问题剖析

根据我国2008年推进的“卓越工程师培养”计划，要求培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。作为电磁场与微波工程专业的专业基础课程，《微波技术基础》需要在一定程度上和工程实践相对接[5]。基于以上目标，课程的内容安排和课堂结构设计上必须有相应的微波理论在微波工程实际应用中的实践练习。

《微波技术基础》是一门承上启下的课程，相关的前修课程有《高等数学》、《电磁场与波》、《电路分析》和《电子工程数学方法》等数学要求高、理论性较强的课程，后修课程有《微波固态电路》、《微波集成电路》、《微波网络》和《天線原理》等工程实用性非常强的学科，因此该课程兼顾理论教学和工程实用的两大教学特点[6，7]。但学生在学习的过程中存在相对大的困难，主要表现在：

第一，在教学的过程中多是进行理论知识的讲解，未能让学生直观的接触相关知识，使得学生整体的积极性不高。

第二，课程所涉及的内容很多、但都较为浅显，学生在学习过程中对微波工程中的常用器件理解并不深入到位。

第三，学生所取得的成绩无法真实的代表学生所具有的实践能力。

三、教学改革方式

怎样进一步的改进该课程的教学方法以及教授模式，以培养出能够更好满足现阶段市场所需的人才，是目前学校建设双一流大学过程中须解决的关键问题之一。再进一步对《微波技术基础》课程进行教学改革，以确保该课程的教学工作能够拥有更好的效果，让学生可以更加全面、牢固的掌握《微波技术基础》课程相关知识。

（一）启发式教学模式

传统的教学中以教师为中心，教师在课堂上“撒播”知识，学生被动接受知识。在以学生为中心的教学模式下，教师不再成为知识获取的主体，反过来学生主动获取知识。对大部分学生而言，获取知识是一个相对被动的过程[1]。因此，针对学生的学习习惯和知识点的特色进行不同的教学形式设计，建立合理的课程体系，通过启发式教学模式实行教学，使得学生在学习过程中更具主动性。

工程类专业基础课往往具有抽象、难懂的知识点。在《微波技术基础》课程中，学生在看到复杂的微波理论、电磁场方程烦琐的数学推导，还没有学习就想着要放弃了。如图1所示，在挑战性课程授课过程中，教师可从基本微波知识和相关实物出发，提出相关知识点，设计出课题教学中的相关问题，引导学生的思考意识，让学生参与相关知识的讨论，学生可根据知识点提出自己的看法，甚至教师提出的开放性问题可以让学生通过实验等方式来实现知识点的讨论与掌握。在此过程中，教师和学生形成良好的互动方式，有利于启发同学们的思维。

（二）灵活的教学讨论模式

讨论是学生在不断强化、应用和关联知识点的过程中进行学习的过程。从认知学的角度来讲，课堂讨论是非常有必要的。学生将新知识“摞”到自己已有的知识体系上的时候，这种结构是很松散不牢固的。一些有工程应用问题的讨论还能让这个新知识点从“应用”的角度进一步固化到学生的世界观中去。为了充分发挥课堂讨论的优势，提高学生讨论的效率，课堂讨论的前期设计是非常必要的。通过对不同小组设定不同的知识点和对应问题，在课堂上根据讲授内容和节点，让不同小组参与相关知识讨论，甚至是通过“翻转课堂”形式，以每组学生参与讲解，从而串起所有知识点。

在整個教学实践环节，需要注意以下两点：1. 讨论的内容应该是开放性的，不是“死板的”知识点。以《微波技术基础》课程为例，该课程同时连接着理论和工程，针对物理现象的理论推导可以进行的课堂讨论题目有对物理现象的预测性讨论，比如：在介绍用场解法讨论导波系统时，用纵向场解法求解的前提是什么？该问题在课本中是没有单独提及，但是同学们在思考以后，可以自己归纳总结得出。2. 讨论的形式应该是灵活的，而不是固定不变的。《微波技术基础》课堂学生人数在30人左右，通常以4至5个人为一个讨论小组，这样能保证组内成员间的各个学生积极参与。同时，讨论也不仅仅局限于组内，组与组之间、个人与个人之间，都可以形成有效的讨论。特别是对于一些较大课程知识点，可以通过设置不同小组分析讨论同一问题的模式，加深同学们对知识点的理解。

（三）合理的挑战性课程设计

通过建设挑战式课程，帮助学生取得期望的学习成效，以经典科学问题、前沿科学问题和重大工程技术问题为牵引，将本科学科基础类课程的教学内容按照“从问题中来-到问题中去”的走向，实现了学生间的合作式学习，师生之间的协同式学习，掌握本学科知识点，了解跨学科研究方向，使学生在完成挑战性任务的过程中获得成就感，进而增强作为拔尖学生的勇气、信心和能力。经历一次挑战性学习课程体验，经受素质、能力、求学三方面磨炼和提升。通过合作解决挑战性难题，使学生快速获取新知识并综合运用相关知识，培养学生沟通、合作和创新能力，促进学生敢于善于挑战自我、主动学习。

作为《微波技术基础》课程改革的重头戏，本课程的课程组在这方面做了大量的工作。由于本课程的知识点较多，相互之间又紧密关联，因此课程组做了一个大胆的尝试：设置课程设计菜单。在本课程中学生需要完成多个课程设计。针对不同的知识点的关联性和实际工程应用中的一些情况，课程组提出了以下四个课程设计题目，包括：1. 导波理论及分析方法，场解、表面电流等计算及可视化处理;2. 传输线过渡、模式激励原理及方法;3. 同轴线设计与阻抗匹配;4. 波导耦合与激励，波导元件，微带功分器、多端口元件特性等综合问题。

可以看出，上述设计既体现出了基本原理概念，又体现出了开放性的讨论空间。既要求学生掌握书本基础知识，又要求其掌握课程外的典型微波器件设计方案和技术途径。引入开放性的讨论课题，避免“教条式”的学习和答案，充分发挥学生的主管思维，具有相当的挑战性，体现出挑战性课程的难度。

（四）合理的考评方式

课程考核体系（学生在本课程中的学习成果）由本课程的教学目标决定，其形式并不仅仅局限于卷面考试和实验。在课程考核规划中进行了尝试，在4个教学班中，根据班上不同的学生人数，分为2个大班（多于50人/班），2个小班（小于30人/班）。同时，采取不同比例的考核分数分配比，如表1所示。这里主要有四个特点：

1. 为了避免以往学期所出现的学生“期末临时突击”、“考后迅速忘记”的问题，所有教学班的平时成绩都超过（或等于）50%，突出平时成绩的重要性。即使期末考试成绩再好，也无法通过该课程。

2. 将考试这种形式分散到课程学习的不同阶段中。在《微波技术基础》总56学时数中，根据上课的内容和阶段安排，安排不少于4次单元测试。

3. 加大课程设计在最终成绩中的权重值（分别为25%和40%），保证在这个学习过程中具有相当的难度。以挑战性课程设计为牵引，引导学生自学。

4. 对大班、小班采取不同的考核标准，强化因材施教方式。在小班教学中，更加注重每个学习组的具体情况（如表1）。

其中，对每次课程设计的个人评价，将采取分别小组总评和个人评价两种方式同时进行。具体地：（1）小组总评=老师评价×40%+其他组互评×60%;（2）个人评价=小组总评×个人比例。

这里还必须注意三点：（1）平时成绩评分要求公平、公正、严格、客观，尽量避免人为因素。（2）除了课程设计需要小组内讨论外，其余测试和作业皆为学生独立完成，绝不允许抄袭等情况出现，这需要助教的配合。（3）在平时抽查点名中，如果出现缺席，将在最终总分的基础上执行5分/次的扣除方式，每学期点名次数不少于4次。

这样一方面课程设计的题目更加贴近于实际工程应用，符合“卓越工程师培养计划”的宗旨，同时由于课程设计的报告形式更加灵活多变，避免了学生抄袭的可能。

四、效果评估总结

本课程对比了教学组4名教师在课程改革前后的最终成绩对比。在百分制的评价体系中，给出了5个分数段的学生百分比。其中，2017年为之前采用传统教学方法的结果，2018年为当前改革年的结果（如表2）。

在近几年考题难度相当的前提下，通过2018年进行挑战性课程改革试验，可以看出：

1. 及格率也有所提升。

2. 高分成绩明显提高。

同时，我们还发现，学生对该课程的兴趣有了明显的提升，表现在课程设计的主观性思考有诸多“亮点”，具有相当的深入思考。另外，学生也对与该课程相关的一些项目表现出了研究兴趣。目前，多名（大三）学生已进入与微波技术相关的课题组开展项目学习和工作，并且已表现出了一定的研究能力。

五、结束语

通过这一学年的挑战性课程改革实践，我们发现学生的主观能动性、最终学习成绩都比之前有了明显的提高。但是在实践过程中仍然发现存在以下问题：1. 选题问题：由于挑战性课程设计要求相关课程设计内容具有一定的难度和发散性，因此对指导教师的知识水平要求较高，目前课程组设计的实验题目共有4个。然而并不是所有学生都对这4个题目感兴趣，因此课程组考虑在后续增加更多的综合性题目提供给学生选择，同时实现和实际工程问题相结合，提高学生的工程能力和直观学习能力;2. 自由组队问题，由于课程内容和难度都比较大，因此课程设计实现中是由学生每三人自由组队进行分组，这种方法的好处是可以促进学生的团队协作能力，但是也可能导致“强-强联合”的情况，即有的小组学生能力特别突出，完成的性能指标非常好，而有的小组只以达到最低要求为目标，从而造成实验成绩的两极分化，这一点需要通过随机组队和人为干预分组联合进行。

总之，从对电子科技大学《微波技术基础》教学组的挑战性課程教学实现过程中来看，基于工程类专业基础课教学改革实践取得了一定的成果。在实践过程中的相关教学经验可以为后续诸如高校工科类课程的教学改革提供参考。

参考文献：

[1]孙宏斌，冯婉玲，马璟.挑战性学习课程的提出与实践[J].中国大学教学，2016（07）：26-31.

[2]王琨，刘大茂.应用型人才培养模式下模拟电子电路教改初探[J].实验科学与技术，2016，14（03）：135-137.

[3]包建荣，姜斌，许晓荣.电子信息类专业协同创新实践培养模式探讨[J].实验室研究与探索，2016，35（05）：170-173+196.

[4]刘梦娟，曾贵川，刘瑶，等.面向数据挖掘类课程的挑战性综合实验的设计与实践[J].实验科学与技术，2019，17（01）：85-88+106.

[5]徐锐敏，唐璞，薛正辉，等.微波技术基础[M].科学出版社，2009.

[6]骆无穷，王园，唐璞，等.电磁场相关理论课的课程设计探究[J].实验科学与技术，2017，15（04）：62-64+71.

[7]骆无穷，唐璞，M.Wang，等.从认知学浅谈《教学大纲》在《微波技术基础》教学中的作用[J].高教学刊，2017（13）：92-94.

*基金项目：电子科技大学“挑战性学习课程微波技术基础建设”（编号：2018XJYT-YB24）

作者简介：杨伟（1984-），男，汉族，四川遂宁人，博士，副教授，研究方向：电磁场与微波技术专业的教学和科研;唐璞（1963-），男，汉族，四川南充人，硕士，教授，研究方向：电磁场与微波技术专业的教学和科研;骆无穷（1979-），女，汉族，浙江诸暨人，博士，讲师，研究方向：《微波技术基础》、《电磁场与波》等微波方向的教学工作;詹铭周（1981-），男，汉族，四川成都人，博士，副教授，研究方向：微波毫米波集成电路与系统领域的教学与科研工作。