新工科视域下的电磁场与微波类课程改革探究

曹玉凡，蔡 洋，杨文革，吴 涛

（航天工程大学 电子与光学工程系，北京 101416）

引言

党的十八大以来，我国高等教育取得长足进步，但工程专业教育质量与建设世界一流大学要求还存在差距，存在教育理念、人才结构、知识体系、培养模式等方面的不适应。建立起面向岗位的综合化工程专业教育新理念，构建适应新兴科技的专业新结构，探索“学员中心、产出导向、持续改进”的人才培养新途径，才能实现立德树人的要求。

电磁场与微波类课程是理论性很强的专业基础课，所学基础理论内容与工程应用密切相关，覆盖通信、导航、雷达、遥感、测控、电子对抗等重要领域。国内外高校都把电磁场与微波类课程作为电子电气类专业中的核心课程进行建设。电磁场与微波类课程在本科学员的人才培养方案中是重要的知识枢纽，前序课程包括“大学物理”等课程，后续直接应用到“雷达原理”等专业课程。学习掌握这门课程，有利于学生在专业研究方向上的发展，加深理解电磁的本质和整个电磁理论体系，具备解释并应用电磁微波现象和解决常见微波问题的能力。但是电磁场与微波类课程学习难度较大，导致教员预期教学目标难以完成；同时课程具有知识的前沿性和应用性较强等特点，因此必须围绕新工科的内涵特征推动该类课程教学改革，提升学生基础知识的掌握，激发学生学习的积极性，努力扭转当前人才培养存在短板的局面，为培养高素质新型人才打下重要的基础。

电磁场与微波类课程当前的培养目标距离“基础素质硬、科学基础厚、工程能力强、综合素质高的工程科技人才”需求仍有不小的差距，主要表现在以下方面。首先课程内容讲授方式过于简单、单一，无法有效形成对抽象知识的形象化、具体化展示，无法满足当前院校学习的高效化需求；其次缺乏对学员创新精神和工程实践能力的培养、交叉知识结构建立等方面的明确要求；最后实验教学体系不完善、实验室效能亟待提升，不能有效培养学员形成解决复杂问题的能力。

本文深入挖掘新工科的内涵特征，以培养新工科人才为目标，围绕上述问题对电磁场与微波类课程进行探索研究。

一、国内外主要经验做法

电磁理论起源于西方国家，早在20世纪初，国外多所大学就开始研究基于计算机辅助技术的电磁课程教学。近年来国外高校在电磁领域教学展示了一批先进的教学手段和方法，美国科罗拉多州立大学Branislav M.Notaroš提出了计算机辅助学习电磁场的MATLAB编程电气一体化的创新思路。增强现实（AR）技术近年来已成为一个世界性的研究课题，在工程教学中应用是一个重要的研究方向。西班牙马德里卡洛斯三世大学、英国赫瑞-瓦特大学等高校均开展了基于AR技术的电磁教学研究。

在国内，电磁课程教学也面临着同样的教学难题。清华大学为了加深学生对“场”与“波”的概念的理解，采用动手操作和多媒体动画演示相结合，从而便于学生建立对抽象理论知识的感性认识。电子科技大学开展了以研讨课题为核心的课堂教学，并融合了反转课堂的教学方式。西安电子科技大学在教学过程中积极扩充课堂内外的知识体系、增加教学与科研的广泛融合、扩展学科之间的交叉融合等课程改革措施。四川大学开展和应用三位一体综合性评价模式，其学生的整个学习过程纳入考核内容中，针对电磁场与微波技术考试措施进行改革分析。国防科技大学研究了电磁场与微波技术实验教学设置，提出了教学实验室规划，并从实际出发讨论了满足教学需求前提下的实验室建设规模和成本控制方法。空军工程大学分析了该系列课程在教学内容、实践环节和教学方法上的特点，提出了系列课程形象化教学的基本概念。

二、改革探究的理论依据及初步构想

PBL（Problem-Based Learning）教学法，最早起源于20世纪60年代的医学教育，目前已成为国际上比较流行的一种教学方法，国内也有学者将PBL理念应用于相关课程的教学中，研究发现与传统教学法相比，PBL教学法可以有效地激发学生的学习兴趣，促进学生综合能力的培养及提高学生创造性思维能力。CDIO是一种经典工程教育模式，代表构思（conceive）、设计（design）、实现（implement）和运作（operate），强调以产品研发到产品运行的全过程为载体，让学生在这一过程中能够以主动实践的方式来学习，从而培养学生的实际动手能力、团队协作能力以及工程管理能力。自2005年汕头大学率先实施CDIO工程教育改革以来，在教育部的指导和支持下，我国几十所试点高校和许多非试点院校实施CDIO改革，形成了多个成功案例。CDIO教育理念是以学生为中心的工程应用能力培养的一种有效模式。CDIO教育模式不仅重视培养学生的基础理论、专业技能，在工程领域的情境中展开教学活动，还重视培养学生的创新实践能力、团队合作意识以及沟通交流能力。因此总结得出PBL教学法与CDIO工程教育模式能够有效满足新工科的建设需求，基于PBL-CDIO联合模式开展电磁场与微波类教学改革与探索，主要方法如下。

（一）设计“兴趣培养-理论教学-课外实践”多级交叉融合的电磁场与微波类课程一体化教学法

在理论教学过程中，注重运用AR、MATLAB GUI、Blender等现代图形工具开展现场交互式仿真教学，通过构建立体化教材形成对经典理论的有效补充和阐释教材，将抽象的理论和数学实现真正的可视化和具体化，有效降低学员的学习抵触心理和增强学习兴趣。在此基础上，通过阶段性布置自主式、开放式交互仿真任务，让学员能够运用他们熟悉和擅长的软件工具展示对所学理论知识的理解，结合作品展示、小组协作以及成果评比等多样化形式，构建学员乐于学习、善于表达、勤于思考的良好氛围，将课程本身存在的抽象、复杂、繁多等问题转化成学员知识能力增长和培养的试金石和催化剂。

（二）构建“课内演示实验-课程基础实验-课程综合实验-创新实验”的多级递推式实验教学体系

实验体系如表1所示，以电磁场与微波实验室、天线仿真与测试实验室为依托，建设满足多专业学员从理论到实践多元化需求的多维实验室，梳理和整合实验内容，演示实验主要在课程理论教学环节开展，重点是运用三维方式对课程中的抽象概念和描述进行直观的阐释；基础实验涵盖专业重要知识点，实现从理论学习到实践能力的有效转化；专业综合实验以测控工程、雷达工程等专业的实际岗位任职需要为牵引，通过综合实验来深刻理解本课程中的基础知识与整个系统之间的联系，体现复杂工程、前沿科学问题并采用模块化实验以扩大学员的选择自由度；创新实验面向动手能力强、创新思维丰富的学员，通过构建开放式的实验平台培养学员的创新能力，满足学员参加竞赛、奇思妙想的个性化需求，为学员将来从事相关任职岗位打下创新的基石。

表1 多级递推式实验教学体系

（三）形成“哲学要素-人文精神-家国情怀”多维思政要素有机融合的课程内涵建设

课程思政和新工科建设是相辅相成的，课程思政是育人体系的航标，在人才培养体系中起到价值引领的作用。课程思政教学设计一方面需要为提升教学效果、化解重难点问题产生正向促进作用，另一方面需要探索如何有机地融入思政元素，包括科学背后的人文精神、自然哲学理念、工程实例及国防应用等。从而增强学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。具体课程思政要素可在授课过程中的不同环节、不同阶段适时引入，详见表2。

表2 课程思政引入总结

结语

本文深入挖掘新工科的内涵特征，以培养新工科人才为目标，围绕基于PBL-CDIO联合模式对电磁场与微波类课程进行改革和探索，通过设计“兴趣培养-理论教学-课外实践”多级交叉融合的电磁场与微波类课程一体化教学法和构建“课内演示实验-课程基础实验-课程综合实验-创新实验”的多级递推式实验教学体系，使学员高效理解抽象概念的同时能够通过实际操作进行检验和实践，能够有效加强所学专业基础知识与后续专业应用之间的密切联系，实现层层递进、不断提升，同时在教学体系中强化科研项目、竞赛活动对实验的牵引作用，使学员能够深入理解所学基础实验的知识架构。通过论证和分析，预期形成电磁场与微波类课程的创新教学方法，实现电磁场与微波类课程由“难教难懂”课程向“形象生动”课程转变，通过形式的转变能够有效夯实学员的电磁理论基础，为后续专业课的学习提供坚实的基础以及创新的源泉，这一创新教学方法也可以有效推广至相关的工程类课程中；同时要努力构建面向航天应用的电磁场与微波类课程的系统实验体系，通过多级递进的多层次实验教学的开展，能够实现从基础到专业、从单元到系统的过渡，为学员构建完整的知识体系和系统架构打下良好的基础，另外实验体系的建立能够进一步提升教员队伍自身管理能力和科研能力，逐步形成跨课程、分阶段、连续性的系统实验框架；最后，形成电磁场与微波类课程的课程思政授课方法，以新工科人才为牵引，通过挖掘课程中的“哲学要素-人文精神-家国情怀”多维思政要素，能够发挥课程思政在课程中的价值引领作用，体现立德树人教育理念。