工程教育专业认证下“电磁场与电磁波”课程的改革

刘雯景 王 骥 徐国保

(广东海洋大学 电子与信息工程学院， 湛江 524088)

经过十多年的发展，我国工程教育专业认证已逐步明确和建立了“成果导向、以学生为中心、持续改进”这三大核心理念。成果导向教育(Outcomes based education，简称OBE)强调依据期望学生达到的顶峰成果来反向设计教学[1]。以学生为中心是指教学的主体、目的和效果分别取决于学什么、怎么学和学的怎么样[2]。持续改进是指应按照“计划(Plan)——执行(Do)——检查(Check)——处理(Action)”的“PDCA”螺旋式上升循环来改进和解决教学质量问题[3]。围绕这三个核心理念，各大高校都以工程教育专业认证为契机，对专业和课程进行了相应的改革。

“电磁场与电磁波”是电子与信息工程专业的一门重要基础理论课。此外，电磁波作为信息传输的载体，成为当今发布和获取信息、探测未知世界的一种重要手段。从理论和实践二个维度出发，学好本课程都十分重要。

秉承工程教育专业认证的三大核心理念，对该课程进行了研究和改革，构建“行业需求决定课程目标，课程目标支撑毕业要求，毕业要求指导课程设计、课程设计产出学习效果、学习效果引导持续改进，持续改进服务行业需求”的闭环教学体系，旨在探究如何在“新工科”形势下培养高水平应用型人才。

1 构建具有OBE理念的课程目标

OBE教学理念以成果为导向，逆向教学设计。人才培养的最终目的是满足社会行业需求，因此反向设计是从需求出发，由需求来决定课程目标。当今行业均要求高校将理论知识和工程能力同时作为学习产出，因而教学目标的制定应该在理论和实践两个维度的平衡下，保证学生获得的知识转化为实用技能。此外，根据OBE教学理念，教学目标处于主导地位，教学内容、教学方法、考核评价方式等都应围绕预期目标展开。因此，为了让课程目标真正发挥其指导作用，除了要充分考虑社会行业对人才培养的需求，还要将其与其他课程要素协同考虑，让课程目标既要能体现OBE理念下的以能力为核心的产出导向，又要作为建构教学设计的逻辑主线。“电磁场与电磁波”课程的课程教学目标细分如下：

基础知识学习目标1：掌握宏观电磁场与电磁波的基本属性、运动规律和基本分析方法；理解麦克斯韦方程组的内涵；了解宏观电磁场与电磁波的主要应用领域及其工作原理；

解决工程应用问题的能力目标2：能够运用麦克斯韦方程组去观察、分析和计算一些简单、典型的静态以及时变电磁场的基本问题；

具备工程实践的能力目标3：使学生能借助电磁仿真软件对天线、微波元器件等进行建模、仿真、数据提取及分析，具备工程实践的能力；

课程思政价值目标4：通过案例教学、科技成果引导等构建德育课堂，激发学生的历史使命感和民族自豪感，激励学生的创新创造精神[4]；使学生充分了解电磁辐射对生物体的影响，电磁环境污染的危害等。

通过列出课程目标与毕业要求指标的支撑关系来反映社会行企业需求在制定课程目标时的导向作用，如表1所示。

表1 课程目标对毕业要求指标的支撑关系

2 构建以学生为中心的教学设计

我国工程教育专业认证的通用标准依次是学生、培养目标、毕业要求、持续改进、课程体系、师资队伍和支持条件，这些指标的设置充分体现了以学生为中心的教学理念，学生是首要指标，其他指标都是围绕使学生达到毕业要求、进而达成培养目标设置的[2]。因此，我们应当把以学生为中心的教学理念贯穿到整个教学设计中，把传统的“教什么、怎么教、教的怎么样”以教师为主导的教学模式彻底转化为以学生为中心的“学什么、怎么学、学的怎么样”。

2.1 以学生为中心的教学内容的设计

以学生为中心的教学内容的设计应该将理论知识和工程能力同时作为学习产出，夯实基础，突出重点，鼓励提升。对于电子与信息工程专业的学生而言，掌握电磁场有关的定理、定律、麦克斯韦方程等的物理意义及数学表达式是基础，学会电磁波的求解方法以及用“场”的观点分析解决实际的电磁问题是重点，能借助电磁仿真软件对天线、微波元器件等进行建模、仿真、数据提取及分析是提升。课程内容结构图如图1所示。

图1 课程内容结构图

首先引入矢量场、矢量的基本运算，同时，矢量场的分析联系电磁场概念展开，即梯度结合电位、散度结合电场强度、旋度结合磁场强度，将数学方法和电磁场理论有机结合；接着，在了解场的基本概念之后，先静态场后时变场，从电磁学的三大实验定律(库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律)出发，归纳出麦克斯韦方程组，导出这门课的理论核心；随后，利用麦克斯韦方程组导出波动方程，讨论时变场和坡应廷定理，并通过重点分析无限大均匀线性各向同性理想介质中沿z方向传播的电磁波性质和传播特性，让学生形象的理解电磁波；最后，考虑到该课程的延续性，为后续的“微波技术与天线”“无线通信”等课程做铺垫，可以简单介绍传输线理论、导行电磁波和电磁辐射理论等。

2.2 以学生为中心的教学方法的设计

(1)基于PBL(problem-based learning，以问题为导向)教学方法，借助MOOC平台进行线上线下混合式教学。PBL教学法是以学生为中心、以问题为基础，鼓励学生围绕问题主动学习，发现问题，解决问题，培养学生自主学习能力和创新能力。此外，随着近年来与互联网技术相适应的各种课程建设平台的兴起与逐步完善，大家都在摸索转向借助相关平台的在线课程资源开展混合式教学，以此打破学习空间的限制、激发学习的互动性和积极性，并能及时得到学生的反馈。在新冠肺炎疫情特殊时期，基于PBL教学方法，借助MOOC平台，以学生为主体，以教师为主导，为“电磁场与电磁波”课程开展了混合式教学，并取得了较为不错的教学效果。具体的教学设计流程如图2所示，教师以问题为导向驱动学生线上自主学习，并借助网络教学平台实现答疑、作业、测验、专题研讨、实验设计等师生互动交流环节，线下教学则主要是根据线上反馈的学习效果及时对所学知识进行加强和巩固。

图2 基于MOOC平台的教学方法流程图

(2)充分借鉴CDIO(构思、设计、实现、运作)工程教育模式，采用项目驱动教学，通过设置课程专题讨论和设计研究型仿真实验，让学生以主动的、实践的、课程直接有机联系的方式学习工程，培养其实际动手能力，独立创新能力和团队合作能力[5]。

在课程专题讨论方面，让学生以小组为单位搜集资料讨论与理论知识相关的工程应用问题，譬如半波振子天线的设计和分析、隐形飞机中隐含的电磁场与电磁波技术、电磁场与电磁波卫星通信中的应用、5G通信面临的电磁兼容问题、5G时代下如何注意电磁辐射污染等。使学生从工程问题的分析中体验电磁场与电磁波的理论内核，启发正确的学习动机。在研究性仿真实验方面，使用了Matlab计算软件及Ansoft HFSS电磁仿真软件，引导学生分析、编程、仿真，得可视化结果。通过Matlab软件计算及描绘电场分布、磁场分布、电势分布以及电磁波传播等物理现象[6]；利用 HFSS软件设计对称振子天线、仿真电磁波在矩形波导中的动态传播、研究高频电路中的电磁干扰与电磁兼容问题等。这些都能加深学生对抽象的“场”和“波”的理解，有效激发学生的学习兴趣。

3 构建多元化课程考核评价体系，促进持续性课程改革机制

持续性课程改革机制应具有“评价——反馈——改进”反复循环特征。课程的改进是基于对课程的评价反馈之上，因此首先要构建合理、全面、系统的考核评价体系来量化课程目标和毕业要求指标点的符合度和达成度、教学设计的合理性和有效性。该考核评价体系应该包括两个方面，一个是面向课程教学产出的课程目标符合度、毕业要求指标点符合度以及教学设计合理性和有效性的评价，即衡量课程教学效果；一个是面向学生学习产出的课程目标达成度和毕业要求指标点达成度的评价，即衡量学生的学习效果。

3.1 面向课程教学产出的考核评价体系

面向课程教学产出的考核评价体系由学生评教、校内督导组及同行评教，院系教学检查和教学质量监控等构成。学生评教由教务处通过网页调查问卷的形式组织实施，了解学生对教师教学态度、教学内容、教学方法、教学手段的评价，有助于教师进行教学反思；校内督导组及同行评教主要通过听课的形式了解教师的上课情况进行评价，评价指标包括备课与定位、教学环节设备、教学过程控制、教学方法手段运用、教学能力，有助于教师清楚课程设计的优缺点；院系教学检查是分阶段的根据教学计划对教学活动和其效果进行检查验定，包括查备课、查课堂(线上和线下)和查作业等，对课程设计的方式方法和实施过程等方面存在的问题进行反馈，来帮助教师提高教学工作能力；院系教学质量监控主要是对教学设计是否支撑毕业要求指标点、毕业要求指标点是否符合课程培养目标、课程培养目标达成度是否达到预期和毕业要求指标点达成度是否达到预期进行评价及监控，推动教学管理的科学化、规范化和信息化。

3.2 面向学生学习产出的考核评价体系

“电磁场与电磁波”课程关于学生产出结果传统的考核方式一般是“一考定所有”的“总结性评价”方式，仅仅考核学生对知识点的掌握程度，忽略了对学生学习过程和学习能力的评价，缺乏阶段性反馈，不利于教师在教学活动中及时调整和优化教学内容和教学方法。此外，平时成绩和期末成绩的考核主体均是教师，太过单一。因此，我们依据教学设计构建形成性评价指标，并引入学生互评、学生自评等多维化的考核评价方式，使考核机制“全程化、多元化、多维化”。形成性考核机制决定了整个教学过程都要贯穿考核评价，具体包括课堂表现(10%)、作业测验(15%)、专题研讨(10%)、仿真实验(15%)、期末考试(50%)。课堂表现考查沟通表达能力和团队协作能力；作业测验考查对理论知识的掌握情况；专题研讨考查对理论知识的综合应用能力和科技论文写作能力；仿真实验考查理论联系实际的工程实践能力。多元化考核评价体系与课程目标的对应关系如表2所示。

通过面向课程设计产出的考核评价体系，形成《学生评教表》《课堂教学质量评价表》《教学工作检测记录表》《课程目标符合度分析表》《毕业要求指标点达成度分析表》等；通过面向学生学习产出的考核评价体系，形成《试卷分析表》《课程目标达成度分析表》《毕业要求指标点达成度分析表》等。这一系列的评价反馈结果，给持续改进指明方向，使教学质量管理进入“评价——反馈——改进”螺旋式上升的良性循环。

4 结语

基于工程教育专业认证遵循的三个基本理念：成果导向、以学生为中心、持续改进，对“电磁场与电磁波”课程的改革问题进行了探讨。在教学目标制定上，根据OBE反向设计的原则，充分考虑社会行业需求，将理论知识和工程能力同时作为学习产出；在教学方法设计上，基于PBL理念，借助MOOC平台，以问题为驱动，实施线上线下混合教学；并充分借鉴CDIO工程教育模式，采用项目驱动教学，培养学生的工程实践能力和创新意识；在课程考核评价方式上，结合课程教学产出和学生学习产出考核评价体系，构建具有“评价——反馈——改进”反复循环特征的教学质量管理体系。

表2 多元化考核与课程目标之间的关系