1. 引言
作为电子信息类专业的学生，“天线与电波传播”是其学习的一门必修课程，内容主要有天线的基础知识、简单线天线、对数周期天线、缝隙天线、微带天线以及电波传播的基础知识包括地面波传播、天波传播和视距传播等。天线与电波传播这门必修课所讲的内容涉及通信信号从发射到传播再到接收的整个过程，应用范围非常广泛，涉及到军事和民用社会生活的各个领域。如雷达、导航、卫星通信、移动通信等。所以，这门课对信息类专业的学生来说非常重要。那么，作为老师，最应该关心的是如何激发学生的学习兴趣、提高学生的学习效率。
众所周知，“天线与电波传播”的理论基础是电磁场和电磁波，对于电磁场电磁波，学生们都非常头疼。其看不到、摸不着，概念又非常抽象，还有大量复杂的定律、定理，需要学生具有较强的数学基础和空间想象力。这对学生的基础要求非常高，然而传统的教学模式偏重“理论”，轻“实践”。这让大部分学生更加认为这门课枯燥乏味，课堂上除了公式推导还是公式推导，大部分时间都是老师在讲，师生互动非常少，课堂死气沉沉，学生普遍积极性不高。这对于基础薄弱的学生而言，更加糟糕。因此，针对这些情况，需对“天线与电波传播”的教学模式进行改革探索[1]-[3]。
在改革探索的过程中，发现OBE理念+ BOPPPS教学模式非常适合“天线与电波传播”这门课[4]-[7]。首先，基于OBE理念，根据岗位需求或实际应用问题，制定出预期学习目标。其次，根据学习目标，采用BOPPPS教学模式设计教学内容，BOPPPS教学模式由课程导入、课程目标、前测、学生参与课堂、后测以及总结六大要素组成，通过模块化教学过程，为教师提供了一个完整的教学框架，有助于教师掌握课堂教学的全貌，同时增加了课堂教学的合理性和条理性。将传统以“教师讲为主”的教学模式，转为以“学生为主体”的教学模式，最后，根据学生的学习情况反思调整教学计划并构建合理的考核评估体系。
2. OBE理念与BOPPPS教学模式
2.1. OBE理念
目前，成果导向教育(OBE)是一种先进的教育教学理念，其又被称为能力或需求导向教育[8] [9]。该先进教育理念的主题思想是注重培养学生解决实际工程问题能力、团队合作和沟通能力。
OBE打破了传统以“教师为主体”，只关注教师教了什么，是否按照教学大纲完成教学任务，而不关注学生学了什么的教学模式，改为以“学生为主体”，重点关注学生学了什么，学的怎样，是否能适应以后的工作岗位的教学模式。成果导向教育是先由教师根据实际情景设置问题，而后学生利用所学知识来解决实际问题。在这个过程中，学生起主导作用，教师只是辅助者，目的是为了激发学生自主学习能力。培养学生团队合作、沟通和协作能力，为后续走上工作岗位奠定基础，成果导向教学特点如图1所示。
Figure 1. OBE characteristics
图1. 成果导向的特点
2.2. BOPPPS教学模式
BOPPPS教学模式最初起源于加拿大，是一种非常高效的课堂教学模式，目前，该模式已被广泛应用于多所高校。它是以教育目标为导向、以学生为中心，能够高效激发学生的学习兴趣与参与度，提升教学质量[10]。BOPPPS教学模式分为六个环节，分别是导入、目标、前测、参与式学习、后测以及总结[11] [12]，如图2所示。
Figure 2. BOPPPS model
图2. BOPPPS模型
导入(B)：为了激发学生的学习兴趣，提高学生的注意力，课程导入阶段可通过视频、图片、案战例、讲故事、提问等方式导入主题。
目标(O)：明确学习目标，让学生清楚的了解每堂课的学习内容，知道自己需要达到的预期学习目标。
前测(P)：在讲解每堂课之前，需要用到已有知识，作为老师需提前了解学生对已有知识的掌握情况、以及学生对已有知识掌握的差距。本阶段可通过提问、测验的方式开展。
参与式学习(P)：通过与学生互动，加深学生对课堂内容的理解。可通过小组讨论、项目式学习、实操实验等方式，提高学生课堂参与度。实践教学部分融入构思–设计–实现–运作CDIO工程教育理念和以问题为导向(PBL)教学模式。CDIO工程教育理念是麻省理工学院、瑞典皇家工学院等4所大学开发的，包括构思(conceive)、设计(design)、实现(implement)和运作(operate)，是“基于项目的教育和学习”的集中体现。PBL (project/problem based learning)即基于项目/问题的学习模式，PBL强调以问题/项目为引导，以学生为主体，老师在教学过程中处于引导作用，引导学生分析问题、制定方案和计划、实践解决问题、交流分享等，通过学生的自主探究和合作解决问题，可有效提高学生解决问题、分析问题的能力。
后测(P)：评估学生是否达到预期的学习目标，可以通过课堂测验、项目展示等方式检验。
总结(S)：总结课堂主要内容，让学生加深对知识的理解。
3. OBE理念 + BOPPPS教学模式在天线与电波传播中的应用
针对实践性强的天线与电波传播课程，存在重理论轻实践、学生主动性不足、公式推导多课堂枯燥乏味以及概念抽象等问题，本文提出采用OBE理念 + BOPPPS教学模式对天线与电波传播课程进行改革探索，如图3所示。基于OBE理念设定明确的学习目标；采用BOPPPS教学模式设计教学内容，实践教学部分融入构思–设计–实现–运作CDIO工程教育理念和以问题为导向(PBL)教学模式，教学内容设计过程中，设计具有挑战性和实际应用性的问题。结合多种形式的评价方式，促使学生在解决问题的过程中实现对天线与电波传播知识的理解和掌握。
Figure 3. OBE + BOPPPS teaching mode
图3. OBE + BOPPPS教学模式
(1) 基于OBE理念，根据实际场景制定学习目标。
结合实际应用问题，制定相关预期学习目标，目的是让学生通过解决实际问题加深对所学知识的掌握与理解。例如，假设有水平架设在地面半波振子(双极天线，离地0.6
)，如果在离天线传播路径旁边10米，架设离地1米的某金属建筑物，判断建筑物对天线的影响。首先，让学生回顾课本上无建筑物时，离地0.6
双极天线的三维方向图是什么样的？其次，让学生思考下离天线10米处存在建筑物时，双极天线的三维方向图该如何变化呢？最后，为了验证学生的想法是否正确，假设f = 10 MHZ，让学生分组，利用仿真软件Feko亲自动手仿真双极天线有无建筑物时的三维方向图。这样做的目的既能化抽象为具体，又能加深学生对双极天线方向图的掌握和理解。课堂上我们还把建筑物简化成立方体、圆柱体、球体等，如表1所示。学习目标可设置为，分析建筑物离天线多远，天线增益小于0.5 dB?
Table 1. Building model
表1. 建筑物模型
分组情况 |
f/MHZ |
建筑物 |
第1组 |
10 |
长20米、宽10米、高10米立方体建筑物 |
第2组 |
15 |
半径5米、长20米圆柱建筑物 |
第3组 |
20 |
半径10米的球体 |
再例如，在讲解八木天线这一节时，让学生通过仿真软件Feko设计一款八木天线，使其增益达到10 dB。目的让学生加深对八木天线设计的理解。
上述案例是让学生通过解决实际问题，加深对课本知识的理解，若以后走上工作岗位上，遇到类似问题，能够举一反三。
(2) 采用BOPPPS教学模式设计教学内容。
导入：主要包括知识回顾和新课引入，回顾不但能加深学生对以往知识的理解，还为新知识的学习奠定基础。通过视频、图片、案战例、讲故事、提问等方式引入新课，吸引学生注意力，激发学生兴趣。例如，讲解直立天线时，通过“图片 + 提问”的方式导入，让学生从大哥大手机、通信车以及航母等图片中找出哪些是直立天线。在讲述多元引向天线时可向学生提出疑问，既然我们已经学习了半波对称振子天线，为什么还要学习多元引向天线呢？展示给学生看两种天线的方向图，让他们思考。
目标：明确学习目标，让学生清楚的了解每堂课的学习内容，知道自己需要达到的预期学习目标。以OBE理念为指导，以学生为中心，根据专业课程，将整体目标划分为具体学习目标、能力目标和素质目标。
前测：主要包括了解学生对已学相关知识的掌握情况和对新课的预习情况。对已有知识的掌握情况可采用提问和测试的方式开展。例，在讲解直立天线三维方向图时，需用到对称振子的方向图，课堂上通过提问方式来了解学生掌握情况。对新课的预习情况，老师可提前在学习通发布的预习资料，让学生进行自主学习，突出“学生为主体”。课堂上老师可通过选择或判断题的方式对学生进行测试，根据测试结果可作为课堂的重难点。例如，根据预习资料，让学生思考我们所用的一卡通是通过近场还是远场？
参与式学习：通过小组讨论、项目式学习、实操实验等方式，提高学生课堂参与度。利用现有的实验平台开展天线加工和测试实验教学，布置任务，让学生组队加工测试。此外，为了提高学生参与度，可采用任务驱动、翻转课堂教学方式开设研讨课，如，提前发布教学内容，学生分组合作，通过查阅资料，在课堂上使用ppt展示交流材料，针对学生有疑惑的地方，教师进行解答。例，八木天线方向图测试，采用CDIO-PBL教学模式。实验项目按照构思、设计、实现、运作设置4个环节开展，每个环节教师和学生均需完成不同工作内容，如图4所示。每个环节学生均需向老师汇报项目进展、遇到的问题和下一步解决方法，教师把控解决问题方向是否正确、方法是否合理。以CDIO理念为主线开展实验教学，PBL思维模式贯穿整个实验过程。
Figure 4. CDIO + PBL antenna training mode
图4. CDIO + PBL天线实训模式
后测：通过学习通发布课堂测试，根据测试结果了解学生是否达到预期的学习目标。例如，对于电磁仿真软件Feko的掌握。
总结(S)：引导学生回顾课堂内容，梳理课堂知识点，强调学习要点，通过学习通布置课后作业，帮助学生课后巩固知识。
此外，随着天线技术的快速发展，新的材料、新的技术、新的设计方法不断提出。我们需不断进步不断完善教学内容，以便学生能够学到更先进的知识和技术。为了拓宽学生的知识面，邀请国内外专家或学者开设讲座，让同学们了解现代天线发展的前沿领域，激发学生学习兴趣，增加对专业的了解。
(3) 建立合理的考核评价体系
根据学生的学习情况，及时调整教学内容和方法，以便提高教学效果。建立合理的考核评价体系，检测教学改革成果。考核评价体系要多元化，既要包括知识和技能考核又要包括学习过程和素质考核，如表2所示。
Table 2. Assessment and evaluation form of antenna and radio wave propagation course
表2. 天线与电波传播课程考核评价表
评价策略 |
评价项目 |
评分量值 |
过程考核(必选) |
1. 出勤率 2. 课堂表现 3. 实验报告 4. 参加讲座 |
30% |
知识考核(必选) |
天线的各种特性 2. 各种天线的特性参数、架设注意事项 3. 不同天线的联系与区别 4. 自由空间电波传播损耗，三种电波传播方式的特点、区别等 |
30% |
技能考核(必选) |
1. 电磁测量仪器使用常规性实验 2. 天线工程仿真设计验证性实验 |
20% |
素质考核(可选) |
1. 参加创新创业大赛或挑战杯电子设计大赛作品 2. 参与教员的科研项目研究 3. 申请专利或撰写论文 |
20% |
4. 案例分析
现以“天线与电波传播”课程中的对称振子为例，讲解OBE理念 + BOPPPS教学模式的设计过程。
(1) 预期教学目标设计
① 学生熟练掌握对称振子天线的辐射特性；
② 学生能够利用仿真软件Feko分析不同臂长对称振子的方向图、E面和H面等；
③ 能够利用Feko分析距离对称振子20 m处，不同形状建筑物对天线的影响；
④ 会自己动手制作对称振子天线，熟练使用HD-CB-V电磁波综合实验仪。
(2) BOPPPS教学模式
导入：为了吸引学生注意力，激发学生学习兴趣，本节通过案战例引入，采用PPT展示某车载雷达天线、某护卫舰对空警戒雷达以及某地面米波雷达天线。讲述上述天线的应用场景，指出其天线是由八木天线阵组成，而八木天线又是由最简单的对称振子天线组成，进而引入对称振子天线。
目标：基于OBE理念的教学目标同(1)。
前测：通过学习通发布预习资料，课堂回顾方向图、E面和H面的概念，此外，利用PPT展示几种类似对称振子的天线，让学生选择哪个是对称振子天线？根据学生的答案掌握学生预习情况，为本节课的讲授内容提供重要的参考依据。
参与式学习：通过布置实际问题，让学生以2~3人一组的形式，通过自主学习和合作探讨的方式，根据已学的理论知识解决问题。通过Feko仿真，让学生能够对所学的抽象理论知识有直观的认识，加深他们对知识的理解。通过实操实验，制作对称振子天线，提高学生的动手能力。通过利用电磁波综合试验仪观察对称振子天线上小灯泡的亮度可以培养学生从实践中提出问题，解决问题，团队合作和沟通的能力。
后测：根据学生的仿真和实操实验结果，掌握学生对对称振子天线的掌握情况。判断学生本节课是否达到预期学习目标。
总结：对称振子的结构形式；半波对称振子与全波对称振子的区别；半波对称振子的三维方向图、E面和H面。
(3) 课后反思
课后要对学生的学习情况及反馈情况进行自我反思，及时调整教学内容和计划，不断提高教学效果。考核方式设置有过程考核(出勤率、课堂表现、实验报告等)、知识考核(对称振子辐射原理、半波振子全波振子的区别及其方向图的差异等)技能考核(对称振子天线的制作、电磁波综合试验仪的使用、仿真软件的使用等)。
相比于传统“重理论轻实践”以“教师为主”的教学模式，采用的基于OBE理念 + BOPPPS，突出“学生为主体”的教学模式具有很好的教学效果。
5. 教学改革成效
与传统的教学效果相比，改革后的课堂氛围活跃，学生与老师沟通的次数变多，同学之间交流积极，极大提高了学生满意度。
以往传统教学班(2024年级)：采用“讲授 + 板书”为主的教学模式，考核方式为平时作业(30%) + 期末闭卷考试(70%)。
改革班(2025年级)：采用“OBE理念 + BOPPPS”教学模式，考核方式为过程性任务(平时作业、课堂展示)、小组讨论(30%) + 试卷(70%)。
学习成效采用统一命题、统一评分标准测试，近2年学生的卷面成绩分布如表3所示。从表3可以看出，教学改革后成绩分布在80~<90分、90~100分的同学人数增加。说明教学改革后大部分学生都很喜欢本门课程的设计，从本门课程中学到了一定的知识、培养了一定的能力。
Table 3. Learning outcomes
表3. 学习成效
占比(%) 分数 |
2024级(教改前) |
2025级(教改后) |
60~<70 |
10% |
0% |
70~<80 |
52% |
37% |
80~<90 |
31% |
48% |
90~100 |
7% |
15% |
本次教学满意度调查采用问卷式，结果显示：改革班学生的整体满意度显著高于传统教学班，改革班平均得分为4.2分(满分5分)，传统教学班平均得分为3.5分，且差异具有统计学意义(t = 3.82, p < 0.01)。
6. 结论
总的来说，对于天线与电波传播这门课，采用基于OBE理念 + BOPPPS教学模式，更加突出以“学生为中心”，使学生更好地参与课堂学习，增强学生主动学习的能力，既打破传统以“教师讲为主”的教学模式，又培养了学生解决实际问题的能力和团队协作精神，但该教学方法对老师的组织能力要求较高，且课前要充分准备，以便确保学生能够充分受益。