寇志偉 李永亭 劉利強(qiáng) 王 剛

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院,呼和浩特 010051)

新工科是國(guó)家基于世界格局的新變化、國(guó)家發(fā)展的新形勢(shì)與立德樹(shù)人新要求而提出的,是實(shí)現(xiàn)我國(guó)從工程教育大國(guó)走向工程教育強(qiáng)國(guó)的工程教育改革戰(zhàn)略[1]。其著力于培養(yǎng)具有全球視野、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的復(fù)合型人才與能夠擔(dān)當(dāng)民族復(fù)興大任的時(shí)代新人[2]。為此教育部在2017年2月發(fā)布了《高等教育司關(guān)于開(kāi)展“新工科”研究與實(shí)踐的通知》,并組織實(shí)施了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”及“北京指南”。2019年10月,高等教育司吳巖司長(zhǎng)在國(guó)際機(jī)械工程教育大會(huì)上指出在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)的背景下,“新工科”必須主動(dòng)擁抱現(xiàn)代信息技術(shù),加快發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+高等教育”和“智能+高等教育”新形態(tài),加快建設(shè)慕課、虛擬仿真等教學(xué)資源,以現(xiàn)代信息技術(shù)提升教學(xué)效果,培養(yǎng)學(xué)生智能時(shí)代的核心競(jìng)爭(zhēng)力[3]。2019 年12月教育部將具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的“金課”統(tǒng)一為實(shí)施一流課程的“雙萬(wàn)”計(jì)劃,其是新工科課程建設(shè)的重要內(nèi)容和持續(xù)環(huán)節(jié),是體現(xiàn)“以學(xué)生發(fā)展為中心”理念的“最后一公里”,是實(shí)現(xiàn)中國(guó)高等教育質(zhì)量特別是人才培養(yǎng)質(zhì)量“變軌超車(chē)”的關(guān)鍵一招。隨后國(guó)內(nèi)高校相繼開(kāi)展了基于新工科背景的課程研究與建設(shè)活動(dòng),探索構(gòu)建新興工科和傳統(tǒng)工科相結(jié)合的新工科教學(xué)模式[4]。

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的“電磁場(chǎng)理論”課程是自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、智能電網(wǎng)信息工程專(zhuān)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課,對(duì)于學(xué)生培養(yǎng)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力,樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度、掌握正確思維方法、提高基本工程素養(yǎng)具有重要的作用。因此,基于新工科背景研究“電磁場(chǎng)理論”課程的建設(shè)與教學(xué)模式對(duì)于構(gòu)建符合時(shí)代特色的新工科教學(xué)體系與專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)體系,提高課程的“兩性一度”,踐行立德樹(shù)人根本教育任務(wù),培養(yǎng)能夠適應(yīng)時(shí)代和未來(lái)變化的卓越工程人才具有重要的意義。

1 課程特點(diǎn)與建設(shè)思路

“電磁場(chǎng)理論”課程體系完整,內(nèi)涵豐富,概念抽象,與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密,具有較強(qiáng)的理論性與工程性。“電磁場(chǎng)理論”不僅是日趨發(fā)展的電工、電子和信息技術(shù)的理論基礎(chǔ),也旁及了軍事、醫(yī)療、航天、地質(zhì)等眾多領(lǐng)域,有著非常廣泛的應(yīng)用。

新工科是實(shí)現(xiàn)我國(guó)從工程教育大國(guó)走向工程教育強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略性教育理念,對(duì)高等工科專(zhuān)業(yè)的教育理念、培養(yǎng)體系與教學(xué)思路等提出了全新的要求。因此對(duì)于“電磁場(chǎng)理論”課程的建設(shè)與教學(xué),需要突出新工科“以立德樹(shù)人為引領(lǐng),以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念,以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑,培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才”的內(nèi)涵[1,5],根據(jù)新時(shí)期專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)對(duì)課程的要求,融合應(yīng)用教育信息技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)建設(shè)符合時(shí)代特色的新工科課程體系,創(chuàng)新課程評(píng)價(jià)考核指標(biāo),構(gòu)建以學(xué)生發(fā)展為中心的工程導(dǎo)向型閉環(huán)教學(xué)模式,可以更加有效地激發(fā)學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的積極性與掌握工程技術(shù)的能動(dòng)性,培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展要求的電氣類(lèi)工程技術(shù)人才。

2 課程建設(shè)

2.1 注重場(chǎng)論基礎(chǔ),重構(gòu)課程框架

矢量分析與場(chǎng)論基礎(chǔ)是“電磁場(chǎng)理論”的主要分析工具與方法,涉及了基本數(shù)學(xué)工具、坐標(biāo)系定義、場(chǎng)的本質(zhì)與分析、場(chǎng)量關(guān)系與應(yīng)用、理論辯證與實(shí)驗(yàn)描述等方面。因此在課程的教學(xué)中要注重場(chǎng)論基礎(chǔ)對(duì)電磁場(chǎng)整體知識(shí)體系的建構(gòu)。結(jié)合內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)“電磁場(chǎng)理論”課程(課內(nèi)40學(xué)時(shí),課外20學(xué)時(shí))的專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo),按照新工科課程建設(shè)的思路,將課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重構(gòu),如圖1所示。

圖1 “電磁場(chǎng)理論”課程知識(shí)體系

場(chǎng)論數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與物理基礎(chǔ)奠定了“電磁場(chǎng)理論”的基石,其分別從數(shù)學(xué)工具與物理本質(zhì)引出了靜態(tài)場(chǎng)與時(shí)變場(chǎng)的研究思路與方法。例如矢量場(chǎng)的散度(通量性質(zhì))與旋度(環(huán)量性質(zhì))科學(xué)地揭示了電磁場(chǎng)的源,并由亥姆霍茲定理唯一地確定了電磁場(chǎng)的基本方程,形成了電磁場(chǎng)學(xué)習(xí)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(chǎng)的基本性質(zhì)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(chǎng)的特性,并且通過(guò)散度定理與斯托克斯定理實(shí)現(xiàn)了相互導(dǎo)出。麥克斯韋方程組高度概括了電磁場(chǎng)的基本性質(zhì),奠定了電磁學(xué)理論體系的基礎(chǔ),闡明了電磁場(chǎng)的本質(zhì),并且通過(guò)場(chǎng)源與時(shí)間的關(guān)系確定了時(shí)變場(chǎng)與靜態(tài)場(chǎng)的基本方程。

2.2 注重價(jià)值引領(lǐng),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(guó)育才根本任務(wù)以及把理想信念教育和社會(huì)主義核心價(jià)值觀教育融入教學(xué)過(guò)程的主要方式。“電磁場(chǎng)理論”課程支撐了諸多大國(guó)重器技術(shù),如無(wú)線充電、直流輸電、雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、航天、電子對(duì)抗、電磁干擾等。結(jié)合“電磁場(chǎng)理論”知識(shí)體系,從課程地位、課程內(nèi)容與學(xué)科領(lǐng)域等角度將思政元素有機(jī)融合到教學(xué)內(nèi)容中,突出新工科的立德樹(shù)人作用,使學(xué)生樹(shù)立崇高理想并具備科學(xué)辯證思維,堅(jiān)定專(zhuān)業(yè)信念,培養(yǎng)科學(xué)精神與工程素養(yǎng),厚植家國(guó)情懷,具備時(shí)代特色的全球視野與責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

2.3 注重問(wèn)題探究,導(dǎo)入工程問(wèn)題

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電磁場(chǎng)在工程科技領(lǐng)域應(yīng)用更加寬廣,在電氣學(xué)科應(yīng)用發(fā)展以及相關(guān)學(xué)科的交叉滲透過(guò)程中成為了諸多新興科技的生長(zhǎng)點(diǎn)與大國(guó)重器研發(fā)的突破點(diǎn),電磁場(chǎng)的研究對(duì)技術(shù)發(fā)展與工程實(shí)踐的指導(dǎo)具有重要意義。

因此,課程組在“電磁場(chǎng)理論”的教學(xué)過(guò)程中,提出了工程導(dǎo)向型新工科課程教學(xué)思路,如圖2所示。根據(jù)課程內(nèi)容按章導(dǎo)入工程實(shí)踐問(wèn)題,引出基本教學(xué)內(nèi)容,聯(lián)系工程應(yīng)用,研究實(shí)踐問(wèn)題,探究技術(shù)前沿,充分發(fā)揮學(xué)生主體、教師主導(dǎo)的作用。

工程應(yīng)用內(nèi)容為電磁場(chǎng)知識(shí)在電氣學(xué)科相關(guān)課程的聯(lián)系與應(yīng)用,也是電磁場(chǎng)課程的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容,可以培養(yǎng)學(xué)生基本的工程實(shí)踐能力。課程創(chuàng)新性地引入了學(xué)科工程與前沿探究?jī)?nèi)容。學(xué)科工程內(nèi)容為電磁場(chǎng)在電氣學(xué)科的典型應(yīng)用,并且引入了虛擬仿真工具M(jìn)atlab與Comsol Multiphysics,通過(guò)幾何建模與仿真分析的科學(xué)研究方法,使得學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)工程問(wèn)題的思考更加深入,突出了課程的高階性與創(chuàng)新性,培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法研究科學(xué)問(wèn)題的能力。前沿探究?jī)?nèi)容為以技術(shù)前沿或工程實(shí)踐為依托,提出基本的課題方向,引導(dǎo)學(xué)生以小組自主學(xué)習(xí),分析研究,并以課題研究的形式撰寫(xiě)研究報(bào)告最終展示匯報(bào),突出了課程的挑戰(zhàn)度,培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與創(chuàng)新意識(shí)。工程導(dǎo)向型的教學(xué)思路很好地激發(fā)了學(xué)生的工程意識(shí)、探究意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí),培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力與問(wèn)題解決能力。

2.4 注重具象教學(xué),引入虛擬仿真

電磁場(chǎng)是一個(gè)空間矢量場(chǎng),既可以是與時(shí)間無(wú)關(guān)的靜態(tài)場(chǎng),也可以是隨時(shí)間變化的時(shí)變場(chǎng)。如果應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)將這個(gè)抽象的空間矢量場(chǎng)形象化地模擬出來(lái),直觀地展現(xiàn)電磁物理量隨空間、時(shí)間的變化規(guī)律,使得抽象的概念具象化,則能顯著增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象的概念和理論的理解。從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)研究電磁場(chǎng)的興趣,促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的吸收與能力的提高。因此,課程組基于虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了“電磁場(chǎng)理論”的虛擬仿真教學(xué)結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 “電磁場(chǎng)理論”課程的虛擬仿真教學(xué)

仿真演示模塊基于Matlab軟件,將電磁場(chǎng)內(nèi)容中抽象的場(chǎng)量、模型等理論知識(shí)可視化,并嵌入到對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容中,將抽象難懂的知識(shí)具象化、直觀化,從而加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,提升教學(xué)效果。工程分析模塊基于Comsol Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件,對(duì)同軸電纜、直流雙線、三相架空線纜、三相異步電動(dòng)機(jī)與同步發(fā)電機(jī)等典型電氣工程設(shè)備建模,并簡(jiǎn)單分析其電場(chǎng)與磁場(chǎng)環(huán)境,建立“電磁場(chǎng)理論”教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的課程體系。從而培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐、綜合分析與解決問(wèn)題能力,提高課程的高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度,突出了課程的新工科特征。

2.5 注重信息技術(shù),優(yōu)化教學(xué)資源

教育信息化支撐教育現(xiàn)代化,新一代信息技術(shù)高效地推動(dòng)了教育質(zhì)量的提升,“新工科”必須融合“互聯(lián)網(wǎng)+”和“智能+”新形態(tài),才能更好地實(shí)現(xiàn)中國(guó)工程教育的“變軌超車(chē)”,提升工程教育教學(xué)效果,培養(yǎng)學(xué)生智能時(shí)代的核心競(jìng)爭(zhēng)力[6]。“電磁場(chǎng)理論”課程基于新工科內(nèi)涵與教育信息技術(shù),依托優(yōu)慕課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)與雨課堂智慧教學(xué)平臺(tái),建設(shè)了思政與專(zhuān)業(yè)融合、工程與理論融合、線上與線下融合的新工科在線教學(xué)資源,內(nèi)容包含了電磁工匠、學(xué)科工程、大國(guó)重器、實(shí)驗(yàn)探索與虛擬仿真等新工科資源模塊。

2.6 注重工科思維,構(gòu)建新工科考評(píng)指標(biāo)

課程的考核與評(píng)價(jià)結(jié)果是課程教學(xué)理念評(píng)價(jià)與教學(xué)效果考核的主要體現(xiàn)?？茖W(xué)有效的考核與評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠更加客觀地反映學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)的達(dá)成情況,促進(jìn)教育目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此,圍繞高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略“三問(wèn)三構(gòu)建”思路[7],課程組設(shè)計(jì)了基于信息教育技術(shù)與新工科思維的學(xué)習(xí)考核與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,構(gòu)建了以學(xué)生發(fā)展為中心的多維度動(dòng)態(tài)考核與教學(xué)評(píng)價(jià)方式,如圖4所示。

圖4 多維度考核與教學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

課程的多維度考核指標(biāo)包含了教學(xué)過(guò)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(lèi)一級(jí)指標(biāo)。其中,學(xué)生的課程成績(jī)主要由前三類(lèi)指標(biāo)考核,第四類(lèi)為延伸考核指標(biāo)。

教學(xué)過(guò)程考核是以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心的考核方式,包含了課前、課中、課后與單元測(cè)試等環(huán)節(jié),融合應(yīng)用了優(yōu)慕課與雨課堂智慧教學(xué)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了教學(xué)過(guò)程的全程在線考核。工程研究考核是針對(duì)探究學(xué)習(xí)與虛擬仿真設(shè)置的考核指標(biāo)。探究學(xué)習(xí)與虛擬仿真均以小組為單位,按照?qǐng)D2的學(xué)科工程與前沿探究選題或自主選題的電磁場(chǎng)問(wèn)題開(kāi)展原理與應(yīng)用探究,以及電氣學(xué)科工程問(wèn)題的虛擬仿真,將工程應(yīng)用與前沿技術(shù)中的電磁場(chǎng)問(wèn)題引入到教學(xué)中,激發(fā)學(xué)生對(duì)掌握工程技術(shù)與探索科學(xué)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(chǎng)理論”的基本概念、基本原理、重要定理的內(nèi)涵與應(yīng)用,可以系統(tǒng)全面地檢測(cè)學(xué)生的知識(shí)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(xué)生“電磁場(chǎng)理論”課程的學(xué)習(xí)延伸,探究相關(guān)科學(xué)問(wèn)題,申報(bào)相關(guān)研究項(xiàng)目,訓(xùn)練科學(xué)研究能力。該考評(píng)方式的實(shí)施,有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,保障了學(xué)生的主體地位,全面考核了學(xué)生的綜合能力,有力促進(jìn)了學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)的全面發(fā)展。

3 教學(xué)實(shí)踐與評(píng)價(jià)

3.1 課程教學(xué)實(shí)施

根據(jù)課程建設(shè)思路,課程組經(jīng)過(guò)多年的探索與實(shí)踐,構(gòu)建了基于教育信息技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)的線上線下深度融合的工程導(dǎo)向型動(dòng)態(tài)閉環(huán)教學(xué)模式,包含了教學(xué)設(shè)計(jì)、工程導(dǎo)學(xué)、課前教學(xué)、課堂教學(xué)、課后教學(xué)與考核評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié),如圖5所示。

圖5 工程導(dǎo)向型動(dòng)態(tài)閉環(huán)教學(xué)模式

首先是課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),教師根據(jù)課程目標(biāo)與考核評(píng)價(jià)分析進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并動(dòng)態(tài)調(diào)整。在工程導(dǎo)學(xué)與課前教學(xué)環(huán)節(jié),教師在線發(fā)布工程案例與課程導(dǎo)學(xué),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)與針對(duì)性自主學(xué)習(xí),學(xué)生在線完成學(xué)習(xí)與預(yù)習(xí)測(cè)試。課堂教學(xué)環(huán)節(jié)以學(xué)生為主體實(shí)施混合式教學(xué),教師根據(jù)學(xué)生線上預(yù)習(xí)與測(cè)試情況以及學(xué)生課堂互動(dòng)確定教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)實(shí)施教學(xué)。教師基于雨課堂組織教學(xué)內(nèi)容逐項(xiàng)進(jìn)行,并采用仿真、討論、講解、探究等方式,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行理解、描述與講解,然后由教師補(bǔ)充、小結(jié)。課后教學(xué)環(huán)節(jié)是教師發(fā)布作業(yè)、在線答疑并參與知識(shí)點(diǎn)討論,學(xué)生在線參與討論,提出問(wèn)題,并且完成作業(yè),鞏固并加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。在考核評(píng)價(jià)環(huán)節(jié),教師根據(jù)課程目標(biāo)與考核方式組織學(xué)生參與工程研究考核、期末考試考核與延伸拓展考核,學(xué)生參與考核并對(duì)課程、教師以及教學(xué)模式進(jìn)行評(píng)價(jià)。教師進(jìn)行課程總結(jié),對(duì)考核成績(jī)、目標(biāo)達(dá)成度、課程延伸度、學(xué)生滿意度與學(xué)生反饋進(jìn)行分析思考,并動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì),持續(xù)改進(jìn)教學(xué)模式。

3.2 課程實(shí)施效果

1)課程目標(biāo)達(dá)成度

線上線下深度融合的新工科課程動(dòng)態(tài)閉環(huán)教學(xué)模式實(shí)施以來(lái),課程目標(biāo)達(dá)成度變化如圖6、圖7所示。其中,課程目標(biāo)1(知識(shí)目標(biāo))的達(dá)成度由2018級(jí)的0.73提升到了2020級(jí)的0.76(圖6散點(diǎn)圖),課程目標(biāo)2 (能力與素質(zhì)目標(biāo))的達(dá)成度由2018級(jí)的0.59提升到了2020級(jí)的0.69(圖7散點(diǎn)圖)。由圖可知,能力與素質(zhì)目標(biāo)的提升比較明顯。

圖6 知識(shí)目標(biāo)達(dá)成度散點(diǎn)圖

圖7 能力與素質(zhì)目標(biāo)達(dá)成度散點(diǎn)圖

2)課程延伸參與度

課程的新工科建設(shè)有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與科學(xué)探究積極性,課程延伸效果非常明顯。特別是學(xué)生參加電磁場(chǎng)方向的課外創(chuàng)新實(shí)踐、學(xué)科競(jìng)賽與大學(xué)生科技項(xiàng)目獲批人數(shù)逐年上升,如圖8所示,延伸支撐了課程目標(biāo)的達(dá)成,突出了新工科課程的創(chuàng)新性與高階性,較好地發(fā)揮了課程育人功能,較好地實(shí)現(xiàn)了能力培養(yǎng)與價(jià)值塑造的培養(yǎng)目標(biāo)。

圖8 課程的延伸參與度柱狀圖

4 結(jié)語(yǔ)

在新工科背景下,研究與建設(shè)符合時(shí)代特色的課程教學(xué)模式是高等教育面臨的重要課題。本文分析了新形勢(shì)下“電磁場(chǎng)理論”課程的特點(diǎn),基于新工科建設(shè)內(nèi)涵與專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)對(duì)課程的要求,提出了課程的建設(shè)思路。通過(guò)重構(gòu)課程知識(shí)框架,融合課程思政,導(dǎo)入工程問(wèn)題,引入虛擬仿真,優(yōu)化在線資源,設(shè)計(jì)新工科考評(píng)方式,構(gòu)建了基于教育信息技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)的線上線下深度融合的工程導(dǎo)向型動(dòng)態(tài)閉環(huán)教學(xué)模式,并且在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)踐與反饋改進(jìn)。教學(xué)實(shí)踐表明,課程的建設(shè)與新模式的實(shí)施提升了教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度與延伸參與度,很好地實(shí)踐了新工科的建設(shè)內(nèi)涵,對(duì)于新形勢(shì)下新工科課程建設(shè)、實(shí)踐與持續(xù)改進(jìn)具有重要的意義。