工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下“工程電磁場”課程教學(xué)改革探索

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

工程教育專業(yè)認(rèn)證是保障高等院校工科專業(yè)教育質(zhì)量的重要機(jī)制和手段，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國際化的主要途徑。自2006年以來，我國高等教育部門就啟動了工程教育專業(yè)認(rèn)證工作[1-2]。截止2017年，華北電力大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)等26所高校已通過了電氣工程及其自動化專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證。北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院于2007年創(chuàng)辦電氣工程及其自動化專業(yè)，因?yàn)閷I(yè)創(chuàng)辦時間相對較晚，與一些電氣工程及其自動化專業(yè)名校相比，在師資隊(duì)伍、實(shí)驗(yàn)室平臺建設(shè)等方面均有很大發(fā)展空間，但從學(xué)生招生和就業(yè)情況來看，北京林業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)第一志愿率近年保持在63%左右，就業(yè)率接近100%，約33.3%的學(xué)生在電力或電器領(lǐng)域就業(yè)。因此，為了提高北京林業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)知名度，符合國際先進(jìn)教育標(biāo)準(zhǔn)，提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，北京林業(yè)大學(xué)相關(guān)部門正籌備申請電氣工程及其自動化專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證。而“工程電磁場”課程作為電氣工程及其自動化專業(yè)本科生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，它與“電路理論”課程構(gòu)成了電氣工程及其自動化專業(yè)的“場”與“路”的2大基礎(chǔ)理論[4]?！肮こ屉姶艌觥闭n程不僅為后續(xù)其他專業(yè)課程提供必要的知識儲備，比如“電機(jī)學(xué)”“電力拖動與控制”“電力系統(tǒng)分析”“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”等，而且還為學(xué)生將來從事電氣工程設(shè)計(jì)、電力設(shè)備安裝及維修、林區(qū)監(jiān)測與控制等領(lǐng)域的工作奠定了基礎(chǔ)[5]。因此，“工程電磁場”課程教學(xué)實(shí)踐是否成功，直接影響學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識的掌握[6]。但是，“工程電磁場”課程由于其自身復(fù)雜性與抽象性，導(dǎo)致“教”與“學(xué)”都是一個很艱難的過程[7-8]，如何建立滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求的“工程電磁場”課程教學(xué)體系，是電氣工程及其自動化專業(yè)教師急需解決的問題。

一、“工程電磁場”課程教學(xué)存在的問題

“工程電磁場”課程包括大量的抽象概念和復(fù)雜公式，大部分學(xué)生根本無法深入理解所學(xué)知識，導(dǎo)致教師“教”的過程和學(xué)生“學(xué)”的過程都變得十分艱難。從目前的情況看，“工程電磁場”課程教學(xué)存在如下問題。

(一)教學(xué)內(nèi)容無法滿足實(shí)際工程的需求

當(dāng)前“工程電磁場”課程教學(xué)內(nèi)容主要包括以靜電場、恒定電場和恒定磁場為主的靜態(tài)電磁場。而在實(shí)際電氣工程和林區(qū)生態(tài)監(jiān)測與控制工程等領(lǐng)域涉及較多的是動態(tài)電磁現(xiàn)象的相關(guān)問題，這使得學(xué)生無法將該課程知識用于指導(dǎo)實(shí)際工程。

(二)單一的“填鴨式”教學(xué)方法造成大部分學(xué)生無法深入理解課堂教學(xué)內(nèi)容

在“工程電磁場”課程課堂教學(xué)上，教師需要在短短的100分鐘內(nèi)將大量理論知識灌輸給學(xué)生；而學(xué)生則需要具有較好的空間想象力和抽象思維能力，才能掌握這些理論知識。但是，對于電氣工程及其自動化專業(yè)的學(xué)生來說，在平時的學(xué)習(xí)過程中并沒有相關(guān)方面的能力訓(xùn)練，所以課堂上大部分學(xué)生都無法一直緊跟教師的思路，致使學(xué)生無法深入理解課堂教學(xué)內(nèi)容。

(三)課程考核方式單一，過于注重對理論知識掌握情況的考核

目前，“工程電磁場”課程考核主要采用閉卷考試的方式。其考試內(nèi)容集中于對課堂上理論知識的考核，造成學(xué)生考試前突擊學(xué)習(xí)、死記硬背理論知識，但并未能深入理解電磁場在工程實(shí)際中的應(yīng)用，致使學(xué)生分析、解決實(shí)際問題的能力下降。

二、“工程電磁場”課程教學(xué)改革的措施

筆者針對“工程電磁場”課程在教學(xué)過程中存在的問題，并結(jié)合北京林業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)特色，為達(dá)到培養(yǎng)工程創(chuàng)新型人才的目標(biāo)，以林業(yè)電氣化工程應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)為主線，并遵循優(yōu)化基礎(chǔ)理論、注重工程思維、強(qiáng)化實(shí)踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神的原則[9-10]，從教學(xué)內(nèi)容、方法、考核方式3方面提出了具體的教學(xué)改革方案。

(一)優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

為符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，2017年5月北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院對“工程電磁場”課程教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行了優(yōu)化，調(diào)整后的電氣工程及其自動化專業(yè)“工程電磁場”課程的課時為40學(xué)時。目前，在實(shí)際電力系統(tǒng)、林區(qū)自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)等工程領(lǐng)域中涉及的電磁場問題越來越多，從工程需求角度看，學(xué)生應(yīng)該掌握更多的電磁場知識，這就與有限的40學(xué)時之間形成了鮮明的矛盾。因此，針對這個矛盾，筆者將“工程電磁場”課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了如下調(diào)整，見表1。

表1 “工程電磁場”課程教學(xué)內(nèi)容調(diào)整方案

1.適當(dāng)刪減靜態(tài)電磁場方面的內(nèi)容

將靜態(tài)電磁場中部分與“大學(xué)物理”課程重復(fù)的內(nèi)容進(jìn)行刪減，并將靜電場、恒定電場和恒定磁場中相似部分內(nèi)容略講。同時，在每部分知識點(diǎn)講解過程中，著重強(qiáng)調(diào)“源-媒質(zhì)-場”的邏輯關(guān)系，將學(xué)生從“大學(xué)物理”課程中建立的零散電磁內(nèi)容整合統(tǒng)一為“場”的思想。

2.增加動態(tài)電磁場方面的內(nèi)容

將動態(tài)電磁場部分內(nèi)容作為“工程電磁場”課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合麥克斯韋方程組將動態(tài)電磁場與靜態(tài)電磁場之間建立起有機(jī)的聯(lián)系。同時，采用對比講授的方法，重點(diǎn)介紹動態(tài)電磁場的特殊性，并在此基礎(chǔ)上，給出動態(tài)電磁場與靜態(tài)電磁場在理論上具有的一致性結(jié)論，從而建立完整的電磁場理論體系。

3.結(jié)合林業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，增加電磁場應(yīng)用背景方面的內(nèi)容

在靜態(tài)和動態(tài)電磁場理論內(nèi)容講授過程中，應(yīng)盡量以實(shí)際林區(qū)工程應(yīng)用和實(shí)際生活為背景，引出“工程電磁場”課程內(nèi)容，目的是強(qiáng)化理論與實(shí)際工程應(yīng)用之間的聯(lián)系。比如，教師提出電磁探測采用什么原理、生物電磁場的特性是什么、探地雷達(dá)采用什么原理、防輻射服能不能做到電磁信號全屏蔽等問題，使學(xué)生在該課程學(xué)習(xí)中意識到所學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的主動性和積極性。

(二)改革課程教學(xué)方法

為了充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，筆者針對“填鴨式”單一的教學(xué)方法存在的問題，根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容，采用了多樣化的教學(xué)方法和手段。在理論知識教學(xué)部分，筆者仍以板書、多媒體等方式開展教師主講的教學(xué)活動；在實(shí)踐教學(xué)部分，采用以學(xué)生為中心的“翻轉(zhuǎn)式”教學(xué)方法開展教學(xué)活動。

1.理論知識教學(xué)以多媒體與板書相結(jié)合的教學(xué)方法為主

為了使學(xué)生更容易理解抽象、復(fù)雜的電磁場基礎(chǔ)理論知識，筆者采用多媒體、板書等教學(xué)方式開展課堂教學(xué)活動。首先，筆者利用多媒體課件，將抽象的電磁場理論知識以靜圖、動圖等形式直觀地體現(xiàn)出來，增加課堂的生動性，使學(xué)生對電磁場理論知識一目了然；其次，采用板書方式，一步步地對該課程中的大量理論公式進(jìn)行推導(dǎo)與解釋，增加與學(xué)生之間的互動，加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解；最后，借助ANYSIS軟件，演示電力工程和林區(qū)生態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)中涉及的電磁場現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

2.實(shí)踐教學(xué)采用以學(xué)生為中心的“翻轉(zhuǎn)式”教學(xué)方法

為了使學(xué)生加深對理論知識的理解與應(yīng)用，筆者安排了4學(xué)時的“工程電磁場”課程綜合實(shí)踐教學(xué)活動，主要借助ANYSIS軟件，對電力工程或林業(yè)監(jiān)測與控制工程中典型電磁場問題進(jìn)行上機(jī)計(jì)算與分析。在該實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，筆者采用以學(xué)生為中心的“翻轉(zhuǎn)式”教學(xué)方法，主要是圍繞實(shí)際工程問題，設(shè)立學(xué)習(xí)研究專題，并給出問題分析的切入點(diǎn)與研究路徑，讓學(xué)生查找相關(guān)的學(xué)習(xí)資料和參考文獻(xiàn)，開展以學(xué)生為中心的課堂討論。學(xué)生通過分析、研究得出解決問題的方案與建議，并在“工程電磁場”課堂上以PPT形式講解、演示該方案，充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。

(三)調(diào)整課程考核內(nèi)容，采取多樣化考核形式

以往“工程電磁場”課程的考核方式由閉卷考試和平時成績2部分組成。在閉卷考試過程中，學(xué)生如果某個公式或知識點(diǎn)沒有掌握好，就有可能導(dǎo)致整個計(jì)算題做不出來，這很容易誘導(dǎo)學(xué)生采取死記硬背的方式復(fù)習(xí)，造成學(xué)生根本無法深入理解和掌握理論知識。為此，筆者采用開卷考核的方式對“工程電磁場”課程知識點(diǎn)進(jìn)行考核，不僅不要求學(xué)生對公式進(jìn)行死記硬背，而且對考試題目也做了適當(dāng)調(diào)整，增加了實(shí)際工程應(yīng)用的題目，讓學(xué)生借助ANYSIS軟件對實(shí)際工程進(jìn)行算法編程和計(jì)算分析。另外，筆者還對考試分值比重做了改革，卷面成績采用百分制，占比由原來的70%降低為60%；平時成績由原來的30%提高到40%。平時成績的考核內(nèi)容除包括以前的出勤率、作業(yè)完成情況等之外，還增加了學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料情況、撰寫實(shí)際工程中電磁問題的調(diào)研報告，以及結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類實(shí)踐項(xiàng)目開展的針對工程電磁問題的設(shè)計(jì)工作。

三、“工程電磁場”課程教學(xué)改革的效果

以工程教育專業(yè)認(rèn)證為標(biāo)準(zhǔn)，筆者結(jié)合北京林業(yè)大學(xué)電氣化與自動化專業(yè)特色，對“工程電磁場”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式進(jìn)行了改革，取得了良好的教學(xué)效果。筆者問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與改革之前的教學(xué)情況相比，學(xué)生對“工程電磁場”課程的教學(xué)改革持肯定態(tài)度，對電磁場理論知識有了更深入的理解，學(xué)生分析、解決實(shí)際問題的能力得到了提高，能夠利用所學(xué)知識解決實(shí)際生活中碰到的問題。2017年12月組織的“工程電磁場”課程期末考試情況表明，學(xué)生的考試通過率由原來的75%提高到90%，卷面考試成績90分及以上的比例由原來的3%上升到12%。