工程教育专业认证背景下“工程电磁场”课程教学改革探索

(北京林业大学工学院，北京 100083)

工程教育专业认证是保障高等院校工科专业教育质量的重要机制和手段，也是实现工程教育国际化的主要途径。自2006年以来，我国高等教育部门就启动了工程教育专业认证工作[1-2]。截止2017年，华北电力大学、浙江大学、西安交通大学等26所高校已通过了电气工程及其自动化专业的工程教育专业认证。北京林业大学工学院于2007年创办电气工程及其自动化专业，因为专业创办时间相对较晚，与一些电气工程及其自动化专业名校相比，在师资队伍、实验室平台建设等方面均有很大发展空间，但从学生招生和就业情况来看，北京林业大学电气工程及其自动化专业第一志愿率近年保持在63%左右，就业率接近100%，约33.3%的学生在电力或电器领域就业。因此，为了提高北京林业大学电气工程及其自动化专业知名度，符合国际先进教育标准，提高学生的培养质量，北京林业大学相关部门正筹备申请电气工程及其自动化专业的工程教育专业认证。而“工程电磁场”课程作为电气工程及其自动化专业本科生必修的一门专业基础课程，它与“电路理论”课程构成了电气工程及其自动化专业的“场”与“路”的2大基础理论[4]。“工程电磁场”课程不仅为后续其他专业课程提供必要的知识储备，比如“电机学”“电力拖动与控制”“电力系统分析”“电力系统继电保护”等，而且还为学生将来从事电气工程设计、电力设备安装及维修、林区监测与控制等领域的工作奠定了基础[5]。因此，“工程电磁场”课程教学实践是否成功，直接影响学生专业基础知识的掌握[6]。但是，“工程电磁场”课程由于其自身复杂性与抽象性，导致“教”与“学”都是一个很艰难的过程[7-8]，如何建立满足工程教育专业认证标准要求的“工程电磁场”课程教学体系，是电气工程及其自动化专业教师急需解决的问题。

一、“工程电磁场”课程教学存在的问题

“工程电磁场”课程包括大量的抽象概念和复杂公式，大部分学生根本无法深入理解所学知识，导致教师“教”的过程和学生“学”的过程都变得十分艰难。从目前的情况看，“工程电磁场”课程教学存在如下问题。

(一)教学内容无法满足实际工程的需求

当前“工程电磁场”课程教学内容主要包括以静电场、恒定电场和恒定磁场为主的静态电磁场。而在实际电气工程和林区生态监测与控制工程等领域涉及较多的是动态电磁现象的相关问题，这使得学生无法将该课程知识用于指导实际工程。

(二)单一的“填鸭式”教学方法造成大部分学生无法深入理解课堂教学内容

在“工程电磁场”课程课堂教学上，教师需要在短短的100分钟内将大量理论知识灌输给学生；而学生则需要具有较好的空间想象力和抽象思维能力，才能掌握这些理论知识。但是，对于电气工程及其自动化专业的学生来说，在平时的学习过程中并没有相关方面的能力训练，所以课堂上大部分学生都无法一直紧跟教师的思路，致使学生无法深入理解课堂教学内容。

(三)课程考核方式单一，过于注重对理论知识掌握情况的考核

目前，“工程电磁场”课程考核主要采用闭卷考试的方式。其考试内容集中于对课堂上理论知识的考核，造成学生考试前突击学习、死记硬背理论知识，但并未能深入理解电磁场在工程实际中的应用，致使学生分析、解决实际问题的能力下降。

二、“工程电磁场”课程教学改革的措施

笔者针对“工程电磁场”课程在教学过程中存在的问题，并结合北京林业大学电气工程及其自动化专业特色，为达到培养工程创新型人才的目标，以林业电气化工程应用创新能力培养为主线，并遵循优化基础理论、注重工程思维、强化实践能力、培养创新精神的原则[9-10]，从教学内容、方法、考核方式3方面提出了具体的教学改革方案。

(一)优化课程教学内容

为符合工程教育专业认证的要求，2017年5月北京林业大学工学院对“工程电磁场”课程教学计划进行了优化，调整后的电气工程及其自动化专业“工程电磁场”课程的课时为40学时。目前，在实际电力系统、林区自动监测与控制系统等工程领域中涉及的电磁场问题越来越多，从工程需求角度看，学生应该掌握更多的电磁场知识，这就与有限的40学时之间形成了鲜明的矛盾。因此，针对这个矛盾，笔者将“工程电磁场”课程教学内容进行了如下调整，见表1。

表1 “工程电磁场”课程教学内容调整方案

1.适当删减静态电磁场方面的内容

将静态电磁场中部分与“大学物理”课程重复的内容进行删减，并将静电场、恒定电场和恒定磁场中相似部分内容略讲。同时，在每部分知识点讲解过程中，着重强调“源-媒质-场”的逻辑关系，将学生从“大学物理”课程中建立的零散电磁内容整合统一为“场”的思想。

2.增加动态电磁场方面的内容

将动态电磁场部分内容作为“工程电磁场”课程的重点教学内容，结合麦克斯韦方程组将动态电磁场与静态电磁场之间建立起有机的联系。同时，采用对比讲授的方法，重点介绍动态电磁场的特殊性，并在此基础上，给出动态电磁场与静态电磁场在理论上具有的一致性结论，从而建立完整的电磁场理论体系。

3.结合林业应用特点，增加电磁场应用背景方面的内容

在静态和动态电磁场理论内容讲授过程中，应尽量以实际林区工程应用和实际生活为背景，引出“工程电磁场”课程内容，目的是强化理论与实际工程应用之间的联系。比如，教师提出电磁探测采用什么原理、生物电磁场的特性是什么、探地雷达采用什么原理、防辐射服能不能做到电磁信号全屏蔽等问题，使学生在该课程学习中意识到所学内容的实用性，从而提高学生学习该课程的主动性和积极性。

(二)改革课程教学方法

为了充分调动学生学习的积极性，笔者针对“填鸭式”单一的教学方法存在的问题，根据不同教学内容，采用了多样化的教学方法和手段。在理论知识教学部分，笔者仍以板书、多媒体等方式开展教师主讲的教学活动；在实践教学部分，采用以学生为中心的“翻转式”教学方法开展教学活动。

1.理论知识教学以多媒体与板书相结合的教学方法为主

为了使学生更容易理解抽象、复杂的电磁场基础理论知识，笔者采用多媒体、板书等教学方式开展课堂教学活动。首先，笔者利用多媒体课件，将抽象的电磁场理论知识以静图、动图等形式直观地体现出来，增加课堂的生动性，使学生对电磁场理论知识一目了然；其次，采用板书方式，一步步地对该课程中的大量理论公式进行推导与解释，增加与学生之间的互动，加深学生对相关知识的理解；最后，借助ANYSIS软件，演示电力工程和林区生态监测与控制系统中涉及的电磁场现象，激发学生学习的兴趣。

2.实践教学采用以学生为中心的“翻转式”教学方法

为了使学生加深对理论知识的理解与应用，笔者安排了4学时的“工程电磁场”课程综合实践教学活动，主要借助ANYSIS软件，对电力工程或林业监测与控制工程中典型电磁场问题进行上机计算与分析。在该实践教学环节中，笔者采用以学生为中心的“翻转式”教学方法，主要是围绕实际工程问题，设立学习研究专题，并给出问题分析的切入点与研究路径，让学生查找相关的学习资料和参考文献，开展以学生为中心的课堂讨论。学生通过分析、研究得出解决问题的方案与建议，并在“工程电磁场”课堂上以PPT形式讲解、演示该方案，充分体现学生的主体地位。

(三)调整课程考核内容，采取多样化考核形式

以往“工程电磁场”课程的考核方式由闭卷考试和平时成绩2部分组成。在闭卷考试过程中，学生如果某个公式或知识点没有掌握好，就有可能导致整个计算题做不出来，这很容易诱导学生采取死记硬背的方式复习，造成学生根本无法深入理解和掌握理论知识。为此，笔者采用开卷考核的方式对“工程电磁场”课程知识点进行考核，不仅不要求学生对公式进行死记硬背，而且对考试题目也做了适当调整，增加了实际工程应用的题目，让学生借助ANYSIS软件对实际工程进行算法编程和计算分析。另外，笔者还对考试分值比重做了改革，卷面成绩采用百分制，占比由原来的70%降低为60%；平时成绩由原来的30%提高到40%。平时成绩的考核内容除包括以前的出勤率、作业完成情况等之外，还增加了学生查阅相关文献资料情况、撰写实际工程中电磁问题的调研报告，以及结合大学生创新创业类实践项目开展的针对工程电磁问题的设计工作。

三、“工程电磁场”课程教学改革的效果

以工程教育专业认证为标准，笔者结合北京林业大学电气化与自动化专业特色，对“工程电磁场”课程的教学内容、教学方法和考核方式进行了改革，取得了良好的教学效果。笔者问卷调查发现，与改革之前的教学情况相比，学生对“工程电磁场”课程的教学改革持肯定态度，对电磁场理论知识有了更深入的理解，学生分析、解决实际问题的能力得到了提高，能够利用所学知识解决实际生活中碰到的问题。2017年12月组织的“工程电磁场”课程期末考试情况表明，学生的考试通过率由原来的75%提高到90%，卷面考试成绩90分及以上的比例由原来的3%上升到12%。