新工科背景下“電磁場理論”課程研究與建設

寇志偉 李永亭 劉利強 王 剛

(內蒙古工業大學 電力學院,呼和浩特 010051)

新工科是國家基于世界格局的新變化、國家發展的新形勢與立德樹人新要求而提出的,是實現我國從工程教育大國走向工程教育強國的工程教育改革戰略[1]。其著力于培養具有全球視野、創新精神和實踐能力的復合型人才與能夠擔當民族復興大任的時代新人[2]。為此教育部在2017年2月發布了《高等教育司關于開展“新工科”研究與實踐的通知》,并組織實施了“復旦共識”“天大行動”及“北京指南”。2019年10月,高等教育司吳巖司長在國際機械工程教育大會上指出在新一輪科技革命和產業變革加速演進的背景下,“新工科”必須主動擁抱現代信息技術,加快發展“互聯網+高等教育”和“智能+高等教育”新形態,加快建設慕課、虛擬仿真等教學資源,以現代信息技術提升教學效果,培養學生智能時代的核心競爭力[3]。2019 年12月教育部將具有高階性、創新性和挑戰度的“金課”統一為實施一流課程的“雙萬”計劃,其是新工科課程建設的重要內容和持續環節,是體現“以學生發展為中心”理念的“最后一公里”,是實現中國高等教育質量特別是人才培養質量“變軌超車”的關鍵一招。隨后國內高校相繼開展了基于新工科背景的課程研究與建設活動,探索構建新興工科和傳統工科相結合的新工科教學模式[4]。

內蒙古工業大學的“電磁場理論”課程是自動化、電氣工程及其自動化、智能電網信息工程專業的技術基礎課,對于學生培養解決工程實際問題的能力,樹立嚴謹科學態度、掌握正確思維方法、提高基本工程素養具有重要的作用。因此,基于新工科背景研究“電磁場理論”課程的建設與教學模式對于構建符合時代特色的新工科教學體系與專業人才培養體系,提高課程的“兩性一度”,踐行立德樹人根本教育任務,培養能夠適應時代和未來變化的卓越工程人才具有重要的意義。

1 課程特點與建設思路

“電磁場理論”課程體系完整,內涵豐富,概念抽象,與數學聯系緊密,具有較強的理論性與工程性。“電磁場理論”不僅是日趨發展的電工、電子和信息技術的理論基礎,也旁及了軍事、醫療、航天、地質等眾多領域,有著非常廣泛的應用。

新工科是實現我國從工程教育大國走向工程教育強國的戰略性教育理念,對高等工科專業的教育理念、培養體系與教學思路等提出了全新的要求。因此對于“電磁場理論”課程的建設與教學,需要突出新工科“以立德樹人為引領,以應對變化、塑造未來為建設理念,以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑,培養未來多元化、創新型卓越工程人才”的內涵[1,5],根據新時期專業人才培養對課程的要求,融合應用教育信息技術與虛擬仿真技術建設符合時代特色的新工科課程體系,創新課程評價考核指標,構建以學生發展為中心的工程導向型閉環教學模式,可以更加有效地激發學生專業學習的積極性與掌握工程技術的能動性,培養適應新時代發展要求的電氣類工程技術人才。

2 課程建設

2.1 注重場論基礎,重構課程框架

矢量分析與場論基礎是“電磁場理論”的主要分析工具與方法,涉及了基本數學工具、坐標系定義、場的本質與分析、場量關系與應用、理論辯證與實驗描述等方面。因此在課程的教學中要注重場論基礎對電磁場整體知識體系的建構。結合內蒙古工業大學“電磁場理論”課程(課內40學時,課外20學時)的專業培養目標,按照新工科課程建設的思路,將課程的教學內容進行了重構,如圖1所示。

圖1 “電磁場理論”課程知識體系

場論數學基礎與物理基礎奠定了“電磁場理論”的基石,其分別從數學工具與物理本質引出了靜態場與時變場的研究思路與方法。例如矢量場的散度(通量性質)與旋度(環量性質)科學地揭示了電磁場的源,并由亥姆霍茲定理唯一地確定了電磁場的基本方程,形成了電磁場學習的鮮明主線。積分形式的基本方程從宏觀角度給出了電磁場的基本性質與分界面的特性,微分形式的基本方程從局部角度確定了電磁場的特性,并且通過散度定理與斯托克斯定理實現了相互導出。麥克斯韋方程組高度概括了電磁場的基本性質,奠定了電磁學理論體系的基礎,闡明了電磁場的本質,并且通過場源與時間的關系確定了時變場與靜態場的基本方程。

2.2 注重價值引領,融合思政元素

課程思政教育是貫徹高等院校為黨育人、為國育才根本任務以及把理想信念教育和社會主義核心價值觀教育融入教學過程的主要方式。“電磁場理論”課程支撐了諸多大國重器技術,如無線充電、直流輸電、雷達、通信、導航、航天、電子對抗、電磁干擾等。結合“電磁場理論”知識體系,從課程地位、課程內容與學科領域等角度將思政元素有機融合到教學內容中,突出新工科的立德樹人作用,使學生樹立崇高理想并具備科學辯證思維,堅定專業信念,培養科學精神與工程素養,厚植家國情懷,具備時代特色的全球視野與責任擔當。

2.3 注重問題探究,導入工程問題

隨著科學技術的發展,電磁場在工程科技領域應用更加寬廣,在電氣學科應用發展以及相關學科的交叉滲透過程中成為了諸多新興科技的生長點與大國重器研發的突破點,電磁場的研究對技術發展與工程實踐的指導具有重要意義。

因此,課程組在“電磁場理論”的教學過程中,提出了工程導向型新工科課程教學思路,如圖2所示。根據課程內容按章導入工程實踐問題,引出基本教學內容,聯系工程應用,研究實踐問題,探究技術前沿,充分發揮學生主體、教師主導的作用。

工程應用內容為電磁場知識在電氣學科相關課程的聯系與應用,也是電磁場課程的傳統教學內容,可以培養學生基本的工程實踐能力。課程創新性地引入了學科工程與前沿探究內容。學科工程內容為電磁場在電氣學科的典型應用,并且引入了虛擬仿真工具Matlab與Comsol Multiphysics,通過幾何建模與仿真分析的科學研究方法,使得學生對電磁場工程問題的思考更加深入,突出了課程的高階性與創新性,培養了學生運用科學方法研究科學問題的能力。前沿探究內容為以技術前沿或工程實踐為依托,提出基本的課題方向,引導學生以小組自主學習,分析研究,并以課題研究的形式撰寫研究報告最終展示匯報,突出了課程的挑戰度,培養了學生的自主學習、團隊協作與創新意識。工程導向型的教學思路很好地激發了學生的工程意識、探究意識與創新意識,培養了學生自主學習能力與問題解決能力。

2.4 注重具象教學,引入虛擬仿真

電磁場是一個空間矢量場,既可以是與時間無關的靜態場,也可以是隨時間變化的時變場。如果應用虛擬仿真技術將這個抽象的空間矢量場形象化地模擬出來,直觀地展現電磁物理量隨空間、時間的變化規律,使得抽象的概念具象化,則能顯著增強學生對抽象的概念和理論的理解。從而激發學生學習研究電磁場的興趣,促進學生知識的吸收與能力的提高。因此,課程組基于虛擬仿真技術設計了“電磁場理論”的虛擬仿真教學結構,如圖3所示。

圖3 “電磁場理論”課程的虛擬仿真教學

仿真演示模塊基于Matlab軟件,將電磁場內容中抽象的場量、模型等理論知識可視化,并嵌入到對應的教學內容中,將抽象難懂的知識具象化、直觀化,從而加深學生對知識點的理解,激發學習興趣,提升教學效果。工程分析模塊基于Comsol Multiphysics多物理場仿真軟件,對同軸電纜、直流雙線、三相架空線纜、三相異步電動機與同步發電機等典型電氣工程設備建模,并簡單分析其電場與磁場環境,建立“電磁場理論”教學與實踐教學相結合的課程體系。從而培養學生的工程實踐、綜合分析與解決問題能力,提高課程的高階性、創新性與挑戰度,突出了課程的新工科特征。

2.5 注重信息技術,優化教學資源

教育信息化支撐教育現代化,新一代信息技術高效地推動了教育質量的提升,“新工科”必須融合“互聯網+”和“智能+”新形態,才能更好地實現中國工程教育的“變軌超車”,提升工程教育教學效果,培養學生智能時代的核心競爭力[6]。“電磁場理論”課程基于新工科內涵與教育信息技術,依托優慕課網絡教學系統與雨課堂智慧教學平臺,建設了思政與專業融合、工程與理論融合、線上與線下融合的新工科在線教學資源,內容包含了電磁工匠、學科工程、大國重器、實驗探索與虛擬仿真等新工科資源模塊。

2.6 注重工科思維,構建新工科考評指標

課程的考核與評價結果是課程教學理念評價與教學效果考核的主要體現。科學有效的考核與評價指標能夠更加客觀地反映學生知識學習與能力培養的達成情況,促進教育目標的實現。因此,圍繞高校工程教育發展戰略“三問三構建”思路[7],課程組設計了基于信息教育技術與新工科思維的學習考核與評價指標體系,構建了以學生發展為中心的多維度動態考核與教學評價方式,如圖4所示。

圖4 多維度考核與教學評價指標

課程的多維度考核指標包含了教學過程考核(線上30%)、工程研究考核(線上20%)、期末考試考核(50%)與延伸拓展考核(+20%)四類一級指標。其中,學生的課程成績主要由前三類指標考核,第四類為延伸考核指標。

教學過程考核是以學生學習為中心的考核方式,包含了課前、課中、課后與單元測試等環節,融合應用了優慕課與雨課堂智慧教學平臺,實現了教學過程的全程在線考核。工程研究考核是針對探究學習與虛擬仿真設置的考核指標。探究學習與虛擬仿真均以小組為單位,按照圖2的學科工程與前沿探究選題或自主選題的電磁場問題開展原理與應用探究,以及電氣學科工程問題的虛擬仿真,將工程應用與前沿技術中的電磁場問題引入到教學中,激發學生對掌握工程技術與探索科學原理的興趣。期末考試選用線上或線下的閉卷考試方式,主要考核“電磁場理論”的基本概念、基本原理、重要定理的內涵與應用,可以系統全面地檢測學生的知識掌握情況。拓展考核是一種附加形式的延伸考核方式,注重學生“電磁場理論”課程的學習延伸,探究相關科學問題,申報相關研究項目,訓練科學研究能力。該考評方式的實施,有效地激發了學生的學習興趣,保障了學生的主體地位,全面考核了學生的綜合能力,有力促進了學生知識、能力和素質的全面發展。

3 教學實踐與評價

3.1 課程教學實施

根據課程建設思路,課程組經過多年的探索與實踐,構建了基于教育信息技術與虛擬仿真技術的線上線下深度融合的工程導向型動態閉環教學模式,包含了教學設計、工程導學、課前教學、課堂教學、課后教學與考核評價等環節,如圖5所示。

圖5 工程導向型動態閉環教學模式

首先是課程設計環節,教師根據課程目標與考核評價分析進行教學設計并動態調整。在工程導學與課前教學環節,教師在線發布工程案例與課程導學,引導學生進行預習與針對性自主學習,學生在線完成學習與預習測試。課堂教學環節以學生為主體實施混合式教學,教師根據學生線上預習與測試情況以及學生課堂互動確定教學重點難點實施教學。教師基于雨課堂組織教學內容逐項進行,并采用仿真、討論、講解、探究等方式,引導學生對知識進行理解、描述與講解,然后由教師補充、小結。課后教學環節是教師發布作業、在線答疑并參與知識點討論,學生在線參與討論,提出問題,并且完成作業,鞏固并加深對知識點的理解。在考核評價環節,教師根據課程目標與考核方式組織學生參與工程研究考核、期末考試考核與延伸拓展考核,學生參與考核并對課程、教師以及教學模式進行評價。教師進行課程總結,對考核成績、目標達成度、課程延伸度、學生滿意度與學生反饋進行分析思考,并動態調整教學設計,持續改進教學模式。

3.2 課程實施效果

1)課程目標達成度

線上線下深度融合的新工科課程動態閉環教學模式實施以來,課程目標達成度變化如圖6、圖7所示。其中,課程目標1(知識目標)的達成度由2018級的0.73提升到了2020級的0.76(圖6散點圖),課程目標2 (能力與素質目標)的達成度由2018級的0.59提升到了2020級的0.69(圖7散點圖)。由圖可知,能力與素質目標的提升比較明顯。

圖6 知識目標達成度散點圖

圖7 能力與素質目標達成度散點圖

2)課程延伸參與度

課程的新工科建設有效激發了學生的學習興趣與科學探究積極性,課程延伸效果非常明顯。特別是學生參加電磁場方向的課外創新實踐、學科競賽與大學生科技項目獲批人數逐年上升,如圖8所示,延伸支撐了課程目標的達成,突出了新工科課程的創新性與高階性,較好地發揮了課程育人功能,較好地實現了能力培養與價值塑造的培養目標。

圖8 課程的延伸參與度柱狀圖

4 結語

在新工科背景下,研究與建設符合時代特色的課程教學模式是高等教育面臨的重要課題。本文分析了新形勢下“電磁場理論”課程的特點,基于新工科建設內涵與專業人才培養對課程的要求,提出了課程的建設思路。通過重構課程知識框架,融合課程思政,導入工程問題,引入虛擬仿真,優化在線資源,設計新工科考評方式,構建了基于教育信息技術與虛擬仿真技術的線上線下深度融合的工程導向型動態閉環教學模式,并且在教學過程中進行了實踐與反饋改進。教學實踐表明,課程的建設與新模式的實施提升了教學目標達成度與延伸參與度,很好地實踐了新工科的建設內涵,對于新形勢下新工科課程建設、實踐與持續改進具有重要的意義。