“電磁場工程應(yīng)用”高階課堂探索

譚陽紅, 帥智康, 汪 沨， 李 勇

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引言

灌輸課堂、封閉課堂、重知輕行、重學(xué)輕思是典型的低階課堂[1,2]。與之相對應(yīng)，高階課堂的典型特點是對話課堂、開放課堂、知行合一、學(xué)思結(jié)合[2]。在認知過程的6個層次中，從“記憶、理解、應(yīng)用”向“分析、評價、創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變。在低階課堂中，學(xué)生學(xué)會“是什么”、“為什么”和“怎么樣”即可[2]。因此，學(xué)生只需要 “張嘴”，只需要即聆聽、理解和記憶即可。而高階課堂教會的是學(xué)生“覓食”的能力，培養(yǎng)學(xué)生的策略性思維，即教會學(xué)生如何實現(xiàn)從已知狀態(tài)向目標狀態(tài)的轉(zhuǎn)化、如何分析解決復(fù)雜工程任務(wù)等。培養(yǎng)學(xué)生的問題分析、獲取隱性知識、方案決策、創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作、工程倫理、項目管理和自主學(xué)習(xí)能力等[3]。

因此，淘汰低階性、陳舊性和不用心的“水課”，提升大學(xué)生的學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度，合理增加課程難度、拓展課程深度、擴大課程的可選擇性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和專業(yè)志趣。建設(shè)有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”，是每個教師都面臨的挑戰(zhàn)。我校電氣工程學(xué)院一直堅持“以學(xué)生位中心”，課程內(nèi)容具有前沿性和挑戰(zhàn)度，采用探究性教學(xué)方法，堅持知識、能力和素質(zhì)“三位一體”的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜電氣工程問題的綜合能力和創(chuàng)新思維。我校“電磁場工程應(yīng)用”是湖南省國家精品在線開放課程，正在申請國家精品在線開放課程。本文以該課程的“電導(dǎo)和接地電阻”為例，介紹其高階課堂的探索過程。

1 課程的教學(xué)目標

“電磁場工程應(yīng)用”是電類專業(yè)的基礎(chǔ)課之一，通過本課程的教學(xué)使學(xué)生具備下列能力：

(1) 工程分析能力：培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐學(xué)習(xí)能力，鼓勵學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自主查閱電磁場工程實例，研究得到工程問題的單元或模塊分解，給出解決思路和方案；

(2) 建模和求解能力：能夠運用矢量代數(shù)和場的思維方法，定量分析場的特性，確定場滿足的方程和邊界條件，建立場和波的數(shù)學(xué)模型，并正確求解；

(3)團隊合作和仿真能力：能夠和團隊進行問題分解和任務(wù)分配，使用Maxwell對單元模塊或系統(tǒng)進行仿真，并對結(jié)果進行分析，得到模型參數(shù)或完成系統(tǒng)的仿真或測試；

(4)文字表達和溝通能力：能夠?qū)⒆约旱姆桨负退悸?、實現(xiàn)過程、仿真和實驗測試等過程撰寫成符合規(guī)范要求的技術(shù)報告與文檔，并在課堂表述自己的觀點和意見、與同學(xué)互動和討論；

(5)項目影響評價能力：能正確認識和評價電磁場工程項目的實施對社會、健康、安全、環(huán)境的影響，理解應(yīng)承擔的責任。

2 課程教學(xué)的設(shè)計和特點

在課程教學(xué)中，采取線上線下混合式教學(xué)模式。在線下課程中，采取“思考+ 討論”的“問號課堂”，激發(fā)學(xué)生思考和討論。讓學(xué)生盡量做到“思中學(xué)”、“做中學(xué)”。同時，更加注重拋出問題，在一定程度上采取“吊胃口”的方式，達到“既疑又懂”的效果，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，結(jié)合課后的實作演練，提高學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力和實踐創(chuàng)新能力。和傳統(tǒng)課堂相比，其特點有：

1)對話課堂

傳統(tǒng)課堂中，教師的任務(wù)是做PPT，念PPT，學(xué)生的任務(wù)是聆聽、理解和記憶[1]，只須“張口”等待教師“喂食”即可。在“問號課堂”中，教師是導(dǎo)演，學(xué)生是演員。教師以精心設(shè)計的“問號”引導(dǎo)學(xué)生思考和討論，課堂內(nèi)容一直在師生對話中完成。

2)開放課堂

傳統(tǒng)課堂的時間、地點、教學(xué)內(nèi)容都是固定的，而在“問號課堂”中，時間上從課內(nèi)延伸至課外、空間上從教室拓展至包括圖書館和實驗室在內(nèi)的多個空間組合、教學(xué)內(nèi)容上從教材擴充至各種參考資料。在設(shè)計這些問號的時候，需采取“吊胃口”的方式，課堂上，一方面需引導(dǎo)學(xué)生解決問號的能力，更重要的是激發(fā)學(xué)生主動“覓食”的興趣。

3)學(xué)思合一

傳統(tǒng)課堂中，教師解決教材上的重點、難點和疑點，成功畫出一個個“句號”，學(xué)生“張口”等待教師“喂食”過程中深信不疑?！皢柼栒n堂”中，通過教師不斷畫“問號”，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，鼓勵學(xué)生自己將“問號”變成“句號”。讓學(xué)生“既懂又疑”，不安所學(xué)，敢于向傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。讓學(xué)生做到“學(xué)中思、思中學(xué)”，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。

4)知行合一

傳統(tǒng)課堂存在重知輕行，理論與實踐部分脫節(jié)的現(xiàn)象，部分學(xué)生甚至是“聽”實踐、“看”實踐、“抄”實踐?！皢柼栒n堂”將“坐中學(xué)”轉(zhuǎn)化為“做中學(xué)”。培養(yǎng)學(xué)生主動思考和主動實踐能力。將課堂上的疑問、新觀點、一時難以解決的內(nèi)容等記錄下來，在課后通過與同學(xué)討論、查閱資料、仿真或者實驗等方式，解決疑問、加深理解，做到“學(xué)中做、做中學(xué)”，提高分析和實踐能力。

3 課程教學(xué)改革探索示例

“電導(dǎo)和接地電阻”是“電磁場工程應(yīng)用”課程中的一個很重要的內(nèi)容，在傳統(tǒng)教材和教學(xué)中，只強調(diào)典型電導(dǎo)的計算與應(yīng)用。學(xué)生對電導(dǎo)和接地電阻的應(yīng)用和設(shè)計規(guī)范并不理解；也沒有深入理解：接地體的形狀、尺寸和埋入深度對接地電阻的影響，以及在設(shè)計中如何考慮這些因素。

在教學(xué)中，從工程應(yīng)用出發(fā)，引入漏電導(dǎo)的概念，說明工程問題中電導(dǎo)和接地電阻的建計算方法，分析典型工程應(yīng)用和設(shè)計規(guī)范。并要求學(xué)生在課后對典型工程應(yīng)用進行分析和設(shè)計，利用軟件Maxwell進行仿真分析和驗證。

線下教學(xué)采用全“問號”方式，課堂全程為對話方式。具體過程分成4個步驟：MOOC檢查拓展、延伸思考、深入討論和課后實踐。MOOC檢查拓展是針對課前布置的MOOC內(nèi)容，設(shè)計針對性的問題，對MOOC實施效果進行檢查和拓展。

延伸思考指的是針對MOOC的內(nèi)容，提出若干思考題。在2019年春季學(xué)期的“電導(dǎo)和接地電阻”教學(xué)中，提出了以下思考題，各思考題之間層層遞進。

(1)電導(dǎo)的計算思路有哪幾種？每種方法的應(yīng)用條件是什么？各自有何優(yōu)缺點？

(2)這里計算的電阻和R=ρL/S表示的電阻有何異同？

(3)什么是“漏電阻”？如何打算？

(4)漏電阻能不能用歐姆表測量？應(yīng)該如何測量？

(5)什么是接地？舉例說明接地有何作用?

(6)接地電阻的組成

在討論完這些思考題后，進入深入討論環(huán)節(jié)?！半妼?dǎo)和接地電阻”的深入討論內(nèi)容包括：接地電阻的計算、接地電阻的計算方法總結(jié)、接地電阻的應(yīng)用和接地電阻的實際設(shè)計。其中，最重要的是接地電阻的計算。以深埋的球形接地器作為實例，首先討論埋入深度不同時的接地電阻的異同，求得淺埋球形接地器的接地電阻。接著討論接地器形狀的不同對接地電阻的影響：包括半球形、棒形和其他形狀分別在淺埋和深埋時的接地電阻計算，如圖1所示。

圖1 接地電阻計算的討論內(nèi)容

接地電阻的應(yīng)用包含三個實例，如圖2所示。

圖2 接地電阻應(yīng)用的討論內(nèi)容

(1)別墅起火：包括起火原因分析、如何解決、如何防范等內(nèi)容；

(2)油層探測和地震預(yù)測：包括探測(預(yù)測)原理分析、需要的設(shè)備分析以及探測結(jié)果(油層所在位置的深度、地震預(yù)測結(jié)果)分析等內(nèi)容。

(3)跨步電壓：包含跨步電壓存在的原因分析、安全半徑分析、如何減少跨步電壓、日常市場生活需要注意的事項分析等。

在討論接地電阻的實際設(shè)計時，大多近似計算、一般以無窮遠處為參考電位，且實際接地電阻不宜太大，具體數(shù)值需要參考各種設(shè)計規(guī)范，如《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》、《智能變電站防雷技術(shù)規(guī)程》等。同時，給學(xué)生三道提，各題難度遞進：

(1)某1kV大電流設(shè)備線路接地電阻要求R<0.5Ω。若使用球形接地器，設(shè)土壤電導(dǎo)率為10-2S/m，問其半徑應(yīng)多大？

(2)半徑為a的兩半球形接地器系統(tǒng)中，接地器間的距離為D,D?a，兩接地器間加電壓U，設(shè)大地的電導(dǎo)率為γ0。求其接地電阻(理論分析)，如果將它用于民用建筑物，是否符合設(shè)計規(guī)范?

(3)分析雷擊輸配電桿塔時的電流、電場和磁場，設(shè)雷電流可用雙指數(shù)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型表述，即，i(t)=AIm(e-αt-e-βt)，采用T1/T2模式，如8/20μs具體的雷電流參數(shù)如表1所示，波形如圖3所示。其中，I是峰值電流(幅值)、T1、T2分別是波頭時間和半值時間，α，β是衰減系數(shù)。

表1 雷電流參數(shù)

圖3 雷電流波形

要求：

(1)分析雷擊輸配電桿塔時(不同接地器)的電流(密度)、電場和磁場分布，并和理論分析進行對比。

(2) 桿塔附近有生物(池塘的魚，民房的人和動物等)，離接地體不同距離，不同規(guī)格(如池塘的半徑，民房的size等)情況下，生物的電流(密度)、電場和磁場分布。

(3)改善措施及其效果分析。

每組側(cè)重1-2個點(每組不一樣)，進行深入研究，下次課前先進行答辯和討論。

例如，其中一組學(xué)生研究了接地體的5種不同材料、5種不同尺寸以及3種不同埋入深度對魚塘內(nèi)的電流密度和電場分布的影響，其中雷電流在Maxwell中的表達式為1.058*30000*(exp(-1500*time)-exp(-1860000*time))。為了節(jié)省篇幅，這里只給出其中的一種情況。

當魚塘、桿塔、土壤和接地體的參數(shù)如表2所示時，在地面下1m處,電流密度隨時間和距離的分布圖如圖4所示。

表2 魚塘、桿塔、土壤和接地體的參數(shù)

圖4 電流密度隨時間和距離的分布

在地面下1m處,電流密度和電場隨距離的分布如圖5、6所示。

圖5 電流密度隨時間和距離的分布(橫縱坐標的單位分別m和A/m)

圖6 電場隨時間和距離的分布(橫縱坐標的單位分別m和V/m)

可以看出，接地體的邊緣處，電流密度的值最大，然后，在接地體內(nèi)減少，但是，它不是簡單的單調(diào)遞減函數(shù)。分別在魚塘和接地體邊緣，電流密度和電場都會出現(xiàn)突變。

4 教學(xué)效果分析

為了進行對比分析，我們從2016-2018年進行了改革和跟蹤分析：全院四個專業(yè)，共500人，分成16個班，全體學(xué)生都自由選課。每年保持了8個班級的傳統(tǒng)教學(xué)， 8個班級是改革班級。采用統(tǒng)一的期末試卷，流水式改卷方式，其對比如圖7所示。

從圖7上可以看出，改革班級的卷面平均成績比傳統(tǒng)授課班級的卷面7-11分，傳統(tǒng)授課班級的總評成績和卷面成績之差一般維持在9分左右，而改革班級則只有3分。因此，改革班級的總評成績和卷面成績更接近，說明改革班級的形成性評價更能反映學(xué)生的真實水平。且對學(xué)生的調(diào)查分析表明，95%以上的改革班級學(xué)生認為自己主動學(xué)習(xí)和主動實踐能力提高了。

圖7 改革班級和傳統(tǒng)班級的對比分析

5 結(jié)語

在“電磁場工程應(yīng)用”課程教學(xué)中，采取線上線下混合式教學(xué)模式。在線下課程中，采取“思考+討論”的“問號課堂”，激發(fā)學(xué)生思考和討論。對比分析表明，改革班級的卷面成績高于其他班7-11分，總評成績和卷面成績更接近，說明改革班級的形成性評價更能反映學(xué)生的真實水平。(譚陽紅等文)

采取適當“吊胃口”的方式，達到讓學(xué)生“既疑又懂”的效果，盡量做到“思中學(xué)”、“做中學(xué)”， 有利于培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和主動實踐能力，提高學(xué)習(xí)的 興趣，增強學(xué)習(xí)的積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的綜合研究能力，這對應(yīng)用型人才和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)都將是非常有益的。