多年级和课程一体化的网络微波学堂教学模式

文章介绍的微波学堂网基于论坛模式构建，旨在为学生学习提供一个信息多元化、年级层次多元化、知识结构多元化的多课程综合网络教学环境。这种网络学堂的教学模式可实现多年级教学融合、多课程教学融合，从而克服了传统课堂在这方面存在的诸多限制。

电磁场与微波技术是一级学科电子科学与技术下的二级学科，也是电子信息工程类专业的一个重要研究方向，北京航空航天大学(以下简称“北航”)的电磁场与微波技术学科是国家级重点学科。近年来，随着无线通信技术的发展，电磁与微波相关的研究方向越来越细化，各年级电磁与微波相关的课程也逐渐增多。传统电磁与微波类专业课教学中存在一些限制，例如：

(1)年级限制：对于电子信息工程学院大部分专业的本科阶段，尤其是本科的前三年中，电磁与微波类的课程偏少。这导致低年级学生很难通过课程学习了解高年级学生的学习和发展情况，高年级同学也不方便传授经验给低年级同学。

(2)课程限制：电磁与微波技术是无线通信系统的重要组成部分，然而在电磁与微波类专业课的教学过程中，课程通常都被设计成从系统中切分出的一小部分，自成体系，课程之间沟通和联系偏少。这种教学方式会导致学生只见树木、不见森林，难以从系统层面将所学知识串联起来。

(3)教师和学生时间限制：电磁和微波类课程繁多，一名教师一般只能讲授其中一门课，而学生在某一段时间内也只能学习某一门课或几门课，这种客观条件造成不同课程的教和学不能及时融合贯通。

(4)学校、地区、国家限制：在传统课堂教学模式下，不同学校、地区、国家很难共享传统纸质教材以外的优质教学资源。

为克服上述教学限制，笔者首先将无线通信系统中的电磁与微波技术进行分层，然后根据各分层所涉及的电磁和微波类理论课程及实验实践内容，构建了本研一体化的网上微波学堂。通过依托微波学堂网建设分层电磁与微波类课程群，可将多年级、多课程的教学和实验实践环节联系起来，有效地提升了教学效果。

以无线通信系统为例，笔者将其中包含的电磁与微波技术结构和知识体系从内到外共分为五层:(1)电磁传播层，指电磁波在开放空间无障碍传输的部分；(2)电磁散射层，指电磁波在空间传播遇到山峰、树木等障碍物后散射的部分；(3)天线层，指所有无线通信系统都必须包括的发射和接收天线部分；(4)射频电路层，对无线通信系统的发射机和接收机而言，指其中工作在射频波段的电路部分；(5)系统级参数层，指反映无线通信系统综合射频指标的系统整体。[8]

上述各层所涉及的理论和实践知识分布在高等院校的各门电磁与微波专业课中。以北航电子信息工程学院为例，给出所开设的本科和研究生的主要电磁与微波类课程，并说明各门课程所属层别，如表 1所示。

从表 1可知，要深入掌握无线通信系统中的电磁与微波类知识，需要完成多门课程的学习。在本科阶段，由于电磁和微波类课程偏少，课程学习难度高，学生仅通过课程学习了解电磁与微波类知识的途径有限，也不容易认识到其在无线通信系统领域的重要性及应用的广泛性。到研究生阶段，课程虽然细化增多，但这些课程通常涉及较深入的专业知识，互相独立，课程间联系偏少，也不方便学生从系统层面全面学习掌握。

为了促进各年级同学之间、各门课程之间的联系和交流，克服不同年级、不同课程学习的限制，以从本科到研究生各年级电磁与微波类理论课程学习和实验实践的发展阶段为参考，并考虑到各门课程在无线通信系统的定位，设计构建了微波学堂网(wbxt.buaa.edu.cn)。该网站最初以“微波技术”课教学为目标建立[9]，目前已逐步扩展应用到“高等电磁场理论”“微波工程基础”等其他课程。

网站建设整体思路可概括为课内实验、课外实践、课程拓展、专业发展。课内实验是指根据无线分层电磁与微波原理，对各分层课程均设计分类实验，依托微波学堂网站进行选题布置和成果考评，这些实验设计已在微波技术、高等电磁场理论等课程中实现。课外实践是指针对各门课程涉及的软硬件实践知识，通过开设专门栏目，让学生在课外能够接触了解、学习提高，从而将网络微波学堂作为传统课堂在课外的延伸。课程拓展是指将面向单一年级学生的少数课程拓展为面向全部本科高年级和研究生阶段学生的优势电磁与微波类课程群。专业发展是指在专业课学习基础上，使网站栏目能覆盖生产实习、毕业设计、硕博深造、求职就业等重要的专业实践发展阶段，让学生在课程学习阶段就能树立目标、了解专业发展前景。

考虑到所有电磁与微波类课程学习都涉及基础理论、仿真类实验实践、测量类实验实践三部分，将网站的前几个重要版块也对应设计为三类：基础课程类、仿真实践类、测量实践类。基础课程类栏目主要包括电磁与微波类的各个细化方向的基础理论课，其中课程建设成熟度较高，任课教师和教辅可以实时在线交流答疑的课程归在“课程在线”区，不符合上述要求的课程暂时归在“课程讨论”区。仿真实践类栏目以各种电磁、射频、微波方面常用软件的仿真方法学习和问题讨论为主。测量实践类栏目以各种电磁、射频、微波相关测量测试方法的学习和问题讨论为主。

在微波学堂网上，除基础课程类、仿真实践类、测量实践类所对应的各版块以外，还按年级发展顺序给出了包含生产实习、毕业设计、硕博资讯、就业招聘等栏目的“实践、深造、就业”版块，选择与学生学习、发展、兴趣相关的几个栏目合并列为“资源共享专区”版块。为促进交流和方便考评，网站还拓展开发了微博、在线考试等功能。微波学堂网所属的各版块类别及其中一些主要版块、细分版块、细分栏目等的名称和说明，如表 2所示。

从表 2可以看出，以电磁与微波为主题，微波学堂网涵盖了本研各年级、各专业课程的学习和实验实践的各方面，从而提供了一个有利于各年级交流、各课程交流、师生交流的本研一体化的网络学习环境。

微波学堂可作为分层电磁与微波类课程所依托的重要网络平台和载体。在该平台上，可以按统一的模式进行分层电磁与微波类课程群建设。电磁与微波类课程建设和微波学堂网平台的关系如图 1所示。

在图 1中，以“微波技术”课为例给出教学资源建设的说明，包括基础理论、习题和答疑、常规实验、分类拓展实验、电子课件、大规模开放在线课程(Massive Open Online Course，MOOC)[10]课件和教材等。对微波技术课而言，这些教学资源已初步建设完成。在这些教学资源中，除纸质教材以外的大部分内容都可以依托微波学堂网发布或运行，并可由“微波技术”课推广到分层电磁与微波类课程群。

从图 1可知，为了更好地进行电磁与微波类课程群建设，北航在学校层面，将进一步探索将微波学堂平台与航空科学技术虚拟仿真实验中心、北航课程中心、北航MOOC平台有效结合及优势互补的运行模式；在国家层面，将进一步探索微波学堂平台与教育部、工业与信息化部、北京市以及其他单位和地区的相关项目的合作运行模式。

微波学堂网站已经在北航本科“微波技术”、研究生“高等电磁场理论”等课程教学中使用多轮次，取得良好教学效果。

从2011年开始，对大学三年级上学期开设的“微波技术”课，依托微波学堂网进行了分类开放式实验任务布置[11]，三届共超过800人参加。分类是指根据学生的个性特征和兴趣爱好将实验任务分为若干类，如信息收集类、软件设计类、软件仿真类、兴趣拓展类等；开放是指所有上述实验实践任务都通过微波学堂网公布并进行自由选题，同时依托网站进行成果提交和成绩考评。

从2011年开始，对研究生一年级上学期的“高等电磁场理论”课，以电磁与微波测量、电磁理论中的数学和数值方法等为主题布置了实验实践任务，以科研基金指南的形式发布，所有题目均以课上报告交流和微波学堂网在线讨论两种方式进行。教师和教辅可综合题目内容原创和创新程度、课堂报告质量、发帖点击情况、资料下载情况、网站用户评分互动情况等因素对学生结果评分，并将这部分成绩折合为期末总成绩的一部分。

“高等电磁场理论”“微波技术”两门课被安排在同一学期，研究生在完成自己实验实践任务的同时，还可以对低年级本科生给予一定指导，从而形成了本研学生良性互动交流的局面。

在实际教学中，笔者也意识到网站建设发展仍存在一些问题，例如：

(1)网站教学资源不足。由于网站课程群建设时间还比较短，其中一些课程建设成熟度不够高，适合网络教学的教辅资源还偏少，其栏目内容还需要在将来不断扩充完善。

(2)网站使用率不够高。学生对网站的使用一般只限于课程学习时间内。尽管网站栏目很多，但部分学生眼界还是只局限在课程直接相关的栏目和功能方面，而不能充分利用网站全部优势。

(3)网站考评方式有待改进。目前网站考评方式沿袭了论坛对注册会员的考评模式，尽管考评功能非常丰富，但这些功能并不是专门针对课程学习者设计的，在应用于考评学生学习效果时还不是很方便。未来计划在这方面进一步增加针对性。

在将无线通信系统的电磁与微波技术划分为电磁传播层、电磁散射层、天线层、射频电路层、系统级参数层的基础上，针对这些分层专业课所涉及的学习及实验实践内容，设计构建了包括各年级、汇集各专业课的微波学堂网。该网络学堂具有以下特点和功能：

(1)网站的“课程在线”“课程讨论”版块涵盖了从本科到研究生各年级段的主要电磁与微波类课程群。“课程在线”版块具有课程公告、资料下载、实验实践、交流答疑功能，“课程讨论”版块设计了经典教材讨论区。

(2)网站同时覆盖了大学各年级、各课程的电磁与微波相关的仿真类实验实践、测量类实验实践，提供了按年级段划分的生产实习、毕业设计、硕博资讯、就业招聘等栏目，以及按功能和兴趣定位划分的电子书籍、期刊会议、微波百科等栏目，开发了微博和在线考试功能，从而构建了一个完整完备的专业网络学堂。

(3)已经实行的本科“微波技术”课和研究生“高等电磁场理论”课的教学效果表明，这种网络学堂教学模式可以有效激发学生的学习兴趣，提高学生的学习积极性，并有益于多年级学生和课程的互动交流和融合。

文章以微波学堂网为例说明针对电磁与微波技术课程群教学的网络学堂的构建思路和方法，这种教学模式也可以供其他专业在进行网络教学设计时参考。