基于OBE 理念的微波技术与天线课程教学设计*

杨志良 姚金杰 孙兴丽 毛煜茹

中北大学信息与通信工程学院 太原 030051

0 引言

微波技术与天线课程是信息与通信工程学科的核心专业课程之一，是一门面向应用的课程。该课程能够培养学生具备微波电路与天线理论的应用能力与对微波电路的处理和分析能力，学生在未来的就业或者继续深造都将应用到本课程的很多基础内容。对本课程进行教学设计以及教学效果的改革有助于培养学生解决实际微波工程问题的能力，具有较高的实践价值。

目前，本课程的教学过程存在三个问题。

1）学生处于被动的学习状态。长期以来，本课程的教学以教师“教”为中心，在教学内容、教学方式、考核方式等方面均以教师为主导。本课程的理论知识比较枯燥，以教师为中心的课堂教学并没有调动起学生学习的积极性，学生整个学习状态比较被动。

2）所学与所用之间矛盾突出。由于考核方式主要是期末闭卷考试，很大程度上考核的是学生对知识的掌握和记忆程度，不是掌握知识解决工程问题的能力。对学生来讲，由于很多知识只是简单的记忆，因此课程学习结束以后，很多内容将会被遗忘。而且习惯了做习题，思维方式比较固化，灵活应用知识的能力得不到锻炼，具体到实际工程问题，无法提出有效的解决方案。

3）学生的个性被压抑。不同的学生拥有不同的特质，对于个性突出、自学能力较强的学生，灌输型的教学不适合此类学生的学习。传统教学方式一定程度上压抑了他们的学习热情。

成果导向教育（OBE）的理念于1981 年提出，是很多发达国家教育改革的主流理念。该理念强调4 个问题[1-2]：

我们想让学生取得的学习成果是什么？

为什么让学生取得这样的学习成果？

如何帮助学生取得这些学习成果？

如何知道学生已经取得了这些学习成果？

结合到课程教学，学习成果就是学生经过一个阶段的课程学习获得的该领域的最大能力。在OBE理念下，本课程的教学设计以学生的学习成果为导向，教学内容的选择、教学方式的改变主要考虑学生将会学到什么；对于学生的学习方式和学习时间给予了一定的自由空间，通过不同教学资源的配合，充分满足不同特质学生的个性需求；在考核方式方面，抛弃记忆型的试题，通过加强过程考核对学生的阶段性学习予以检验。课程结束后，增加应用型内容考核方式，同时配合无标准答案的开放型题目对其解决问题的能力予以考核。

综上，本课程的改革以长期存在的问题为出发点，基于OBE 理念，以学生的能力为导向对教学设计以及效果评价等内容进行变革，以期提升学生应用课程知识解决实际问题的能力。

1 基于OBE 理念的教学设计

将OBE 理念引入微波技术与天线课程的教学设计中，主要有四个步骤，如图1 所示，即预期学习成果、实现学习成果、评估学习成果、使用学习成果。对学习成果的使用效果进行评估，找出不足反馈给教师，教师进行新一轮的学习成果设计，经过多轮迭代，达到一个最优的学习成果，教学策略及过程设计分别如图2、图3 所示。

图1 基于OBE 理念的微波技术与天线教学过程

图2 微波技术与天线课程教学策略设计

图3 微波技术与天线课程教学过程设计

基于OBE 理念的微波技术与天线课程教学实施过程中，采用线上与线下混合模式通过三步开展教学工作。

1）课前预习。教师课前在线上或线下分析学生的能力需求，阐述课程目标，发布教学资料，了解共性问题；学生需明确个人需求，了解课程目标，提前学习教师发布的课程资料，完成教师布置的线上测试。

2）课中讲授。上课过程中，教师把主要精力集中于重点知识的讲授，难点知识的指导，教学内容的总结，实战项目演练；学生通过课堂学习与课后练习，激发学习兴趣，掌握重点难点知识，完成实践环节练习，并与同学多交流，分享个人的观点。

3）课后巩固。教师布置理论与实践环节作业，并实时跟踪学生的学习情况，对共性问题进行总结，反思改进教学，对难点知识进行进一步指导；学生复习拓展知识，提出新的疑问，相互交流获得巩固提高，反思改进学习。

教师与学生在教学过程中始终相互交流，教师?对学生进行有效引导，学生及时将疑惑反馈给教师，通过不断的迭代，达到知识的掌握与能力的提升[3]。

2 基于OBE 理念的教学实施过程

2.1 学习成果设计

根据中北大学信息与通信工程学科专业培养方案，微波技术与天线课程主要从国家社会及教育发展需要、电子信息类行业发展及职场需求、学校定位与发展目标、专业学生发展与家长期望四个方面制定了本课程的课程目标，如表1 所示。

表1 微波技术与天线课程学习成果

课程目标1、2、3 体现了作为电子信息类工科专业所必备的个人能力、团队能力与社会意识的提升，在提升学生工程分析与设计能力的基础上，兼顾了学生可持续学习，对环境、社会可持续发展等方面的影响。

2.2 实现学习成果设计

微波技术与天线课程是信息类与通信工程类专业的一门偏向工程应用的专业基础课程，其教学策略设计应符合工程专业课的特征，课程采用的教学策略主要是项目式教学，如图2 所示，教学过程中，教师针对教学内容先提出几个可行的教学项目；学生在教学过程中始终以问题为目标导向，在解决问题的过程中学习课程的理论知识与实践知识，在学习到一定程度后，进行项目方案制定、项目制作、项目共享、反思改进等环节；学生在完成项目的过程中巩固理论知识的学习，总结微波设计方法的应用，提升微波参数的测试能力。

微波技术与天线课程主要由两个环节构成：课堂理论教学和课内实验。理论教学过程中，首先通过科研实践以及毕业学生的调研，在本课程的理论框架下确定教学内容，以保障教学内容在科研和工作实践中的实用性。通过线上的云课堂发布课前预习资料和课后学习资料（不同的学习资料将备注其适用范围），前者保证课堂教学效果，后者能够对学生扩展学习提供帮助。针对课程的特点和专业特点，本课程在教学过程中还采取了如下措施[4]。

1）在课堂上采用分组讨论的方式增强对知识点的认知。增加微论文环节，要求学生分析不同频段电磁波的特点，选择一个具体的波段，查阅所选波段电磁波的具体应用，加深了学生对微波技术应用的理解。

2）课程内容与现实生活相联系。微波课程理论知识抽象，公式推导枯燥繁杂，学生兴趣不高。虽然课程理论抽象，但微波技术与天线在日常生活中的应用非常普遍。用于传输有线电视信号的同轴电缆与机顶盒接口处，若连接姿态不正确会产生“花屏”，这是行驻波在作祟；由于调幅电台发射的是垂直极化波，在室外收听调幅广播，收音机天线要垂直放置；家用的卫星电视接收器需对准某个方向方能使电视信号清晰，是因为接收天线存在方向性参数。

穿插如此类的生动形象的例子，能够引起学生的好奇心，激发学生学习的兴趣，同时能够培养学生自主观察、自主思考的良好学习习惯。

实践教学过程中，课堂讲授理论的同时会选择相应的软件进行相关的实践操作，学生可以带电脑进课堂，跟随老师学习。

例如，上课时使用MATLAB 进行传输线中电场的演示，这样可以让学生更直观地看到传输线中电磁场的分布，通过在MATLAB 中修改传输线模型参数，达到理论联系实际的目的，辅助学生对物理概念的把握。

此外，为了保证教学质量，每一部分的实操过程均录制约10 分钟的小视频用于指导。小视频均在微助教中上传，学生可以自由下载学习，保证课内实验的学习效果[5]。

另外，每一阶段，对理论教学与实践教学的教学效果通过线上问卷调查进行调研，发现问题及时作出调整。

2.3 评价学习成果

根据工程教育认证理念，本课程对于课程教学目标的达成情况的评价分为定量评价和定性评价两个方面。定量评价中，对于不同的课程分目标设置了相对应的考核环节和评价方式，且非常注重形成性评价，最后利用各环节学生成绩和科学的达成度计算方法对各分教学目标和总教学目标的达成度分别进行评价。定性评价指利用学生调查问卷对课程目标达成情况进行统计分析。

有效的考核方式既能促进学生的学习，又能检验学习效果，因此寻找有效的考核方式是本次教改的重要内容。设定微波综合电路设计与期末考试是占比较大的考核方式（微波综合电路设计课程目标达成的贡献率为30%，期末考试为40%），再配合作业（20%）和课内实验（10%）考核方式。由于微波综合电路设计涉及问题分析、方案设计、方法选择、结论分析，比较全面地涵盖了涉及的知识点，答案不唯一，并且又能体现不同学生的学习状况，杜绝了抄袭等不良现象，因此是一种比较有效的考核方式。

本课程包含3 个分课程目标，有4 种考核方式，各考核方式对课程目标达成评价的权重占比分配如表2 所示。

表2 各考核方式对课程目标达成评价的权重占比分配

采用表2 进行定量评价，对近3 年（截至2021年）微波技术与天线课程总的目标达成度进行了统计，统计结果如表3 所示，可以看到，由于微波技术与天线理论具有很大的抽象性，课程目标1 的达成度比其他两个目标总体稍低，但都能达到0.75左右。由于强化了实践环节，课程目标3 达成度较高。课程目标2 对微波工程的应用达成度也较好。

表3 近三年目标达成度统计

采用问卷调查法，围绕课程目标设计，从微波基本理论、微波电路设计、微波工程应用、微波仪器使用、微波软件使用等方面设计调查问卷，调查学生对课程目标达成情况以及对课程教学情况的感受或意见建议，近3 年调查统计数据如表4 所示。

表4 近三年目标达成度统计

从调查结果可以看出，学生对课程目标的达成度评价较高，且达成度评价比较稳定。

2.4 使用学习成果

通过基于OBE 理念对微波技术与天线课程进行改革，学生掌握与应用微波技术与微波理论解决微波工程的能力有了很大的提升，主要体现在以下几个方面。

1）能够运用微波技术与天线的传输线、阻抗匹配、纵向场分析方法、赫姆霍次方程、微波网络、天线辐射场等基本理论，对微波双导线、矩形波导、圆波导、同轴线、微带线、阻抗匹配元件、定向耦合器、铁氧体、天线等电路进行描述和分析，能够对微波电路中的问题得出有效的结论。

2）能够将微波与天线技术中微波双导线、矩形波导、圆波导、同轴线、微带线、阻抗匹配元件、定向耦合器、铁氧体、天线等相关的基础知识，用于解决雷达系统、通信系统等领域的工程问题。

3）能够基于信息领域中微波电路设计要求，在保证人员和设备安全的前提下，采用微波传输线与微波元件进行电路实验，能采用微波软件对微波电路进行电路仿真，并通过对实验电路设计和调试的过程，能够对实验结果进行分析。

3 结束语

通过分析微波技术与天线课程教学存在的问题，提出基于OBE 理念的微波技术与天线课程的教学设计方案，给出了OBE 教学设计的实施过程，提出了符合工程教育认证理念的教学成果与课程目标，设计了教学方法，针对近三年的教学情况，给出了执行OBE 教育理念后教学目标达成度情况。从使用学习效果来看，所采用的教学方式对激发学生的学习热情，提升学生在教学过程中的参与度，提高学生的实践能力，培养学生微波理论分析、解决微波工程问题能力方面，都有较大的帮助。