面向新工科的“电磁场理论”课程建设与实践

寇志伟，刘利强，王 刚

（内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051）

2021年4月，习近平总书记在清华大学考察时指出：党和国家事业发展对高等教育的需要，对科学知识和优秀人才的需要，比以往任何时候都更为迫切，高等教育需要心怀“国之大者”，把握大势，为服务国家富强、民族复兴、人民幸福贡献力量[1-2]。全球范围的新一轮科技革命和产业变革正在兴起，各国之间的经济竞争、科技竞争、军事竞争与人才竞争愈演愈烈，对工程科技人才提出了更高要求。新工科建设与实施是高等教育主动应对新一轮科技革命与产业变革的战略计划与行动。自2017年教育部发布《高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》以来，“复旦共识”“天大行动”“北京指南”先后明确了新工科建设内涵，即以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养适应未来的多元化、创新型工程人才，为高等学院的新工科建设指明了方向[3-4]。

新工科的建设与实施不仅是高等教育教学的改革，更是国家对学校人才培养体系与模式的战略性规划与布局[5]。内蒙古工业大学的“电磁场理论”课程是电气大类专业自动化、智能电网信息工程、电气工程及其自动化的一门重要学科基础课，而且是许多新兴交叉学科的理论基础。“电磁场理论”课程与数学联系紧密，具有较强的理论性与逻辑性，对培养学生的专业实践能力及科学创新能力具有重要作用。

因此，在新形势下建设并实践“电磁场理论”新工科课程对于构建符合时代特色的工程教育体系与专业人才培养方案，培养堪当民族复兴重任的时代新人具有重要的意义。

一、新工科课程建设

（一）融合课程思政元素

课程思政教育是贯彻高等院校为党育人、为国育才根本任务的主要方式[6]。课程思政是以课程为载体，以立德树人为根本，充分挖掘蕴含在专业知识中的思政元素，将专业内容与思政教育深度融合，并贯穿到教学全过程的教学环节。电磁场理论知识支持了诸多的大国核心技术，如雷达、通信、导航、航空、电力等。因此，课程组从电磁场理论的发展历程、课程内容与课程应用等角度设计了思政元素，并按照知识点的关联性深度融合到课程的教学内容和教学体系中。

例如，在电磁场理论的定理定律学习中，可介绍亥姆霍兹、斯托克斯、高斯库仑、拉普拉斯、奥斯特、泊松、安培、欧姆、法拉第、基尔霍夫、麦克斯韦、赫兹等科学家在电磁学领域的杰出贡献，以及他们探索科学与追求真理的历程，训练学生的科学思维。在讲解章节内容时，可融入中国自行研制的北斗全球卫星定位系统（第1章场论基础）、在中国空间站科学实验的基于静电悬浮技术无容器材料实验柜（第2章静电场）、中国航母的电磁弹射器（第4章恒定磁场）、世界最大单口径射电天文望远镜（第5章时变电磁场）、中国华为公司的5G技术（第6章电磁波），体现从“中国制造”到“中国创造”“中国智造”的提升，激发学生追求真理、钻研科学的责任感和使命感。

课程通过深度融入思政元素，突出了新工科的“以立德树人为引领”内涵，实现了学生价值塑造、能力培养和知识传授的统一，强调了学生科学思维的训练和科学伦理的教育，激发了学生追求真理、钻研科学的责任感，坚定了学生科技报国的家国情怀和使命担当。

（二）确立工程导向理念

“新工科”是实现我国从工程教育大国跨入工程教育强国的战略性教育理念，对高等工科专业的教育理念、培养体系与教学思路等提出了全新的要求。电磁场理论不仅是日趋发展的电气、电子、通信与物联网技术的理论基础，也旁及了电力、国防、医疗、航天、探测等诸多领域，有着非常广泛的应用。因此，课程组深入挖掘电磁理论知识在电气学科的工程应用与技术背景，将具体的工程案例、工程应用、工程技术与工程前沿融入到课程体系中，强调了课程的工程应用导向，如图1所示。

图1 工程应用导向的教学内容

例如，在静电场教学中，先以静电屏蔽技术与基于静电悬浮技术的无容器材料实验柜导入静电场内容教学。在学习了静电场的基本知识后，重点学习静电场的应用，包含电容器及其储能、静电力、静电能量等。此章的工程技术分析作业要求学生按小组查阅资料，研究分析分裂导线、架空地线、静电屏蔽等工程技术或前沿问题，并且按照科技论文的格式撰写、提交报告。

课程通过工程与思政导学、工程应用教学、工程技术分析与工程前沿探究等工程导向型教学内容设计，突出了新工科“以应对变化、塑造未来为建设理念”的建设内涵，增加了课程内容的高阶性，提升了学生应用工程知识解决复杂电气工程问题的能力。

（三）注重工程探究学习

“电磁场理论”课程的内容已成为一切与电磁相关工程技术的理解、研究与工程实践的知识本源。在教学过程中，课程组依照电磁场形态设置了相应的工程探究性学习环节，要求学生按照图1所示的工程前沿探究问题自行选题，完成研究作业。该环节以工程前沿问题为探究点，引导学生应用理论知识去探索并研究问题。学生通过文献检索、实验实践、建模仿真与推理分析，探究问题机理，获知电磁场理论与工程技术前沿的结合点，扩展学生知识面，培养学生的自主探究意识、科学研究能力和学术交流能力，突出了新工科“以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径”的建设内涵，有力地支撑了新工科多元化、创新型工程人才培养目标。

（四）强调场论分析思维

电磁场理论体系完整，包含了场论基础、静电场、恒定电场、恒定磁场、交变电磁场、平面电磁波等内容，其数学模型与基础理论涉及了高等数学、大学物理、数理方程、矢量分析与场论、线性代数等多门数理课程的知识。课程内容应用较多的数学语言描述了宏观的电磁现象，具有场量公式繁多、数学推导复杂、物理过程抽象等特点，而且对教师与学生的数学公式推导与物理过程描述能力有较高的要求，这给“电磁场理论”课程的教学带来了较大的挑战。因此，课程组在教学时，以亥姆霍茨定理为突破口，强调了场论数学与定理的基础性，引导学生以场论数学思维为主线，以麦克斯韦方程为基础学习与分析电磁场问题，如图2所示。

图2 场论数学为主线的电磁场形态

由图可知，场论数学的矢量场散度（通量性质）与矢量场旋度（环量性质）科学地揭示了电磁场的源，并由亥姆霍茨定理确定了电磁场的形态，形成了电磁场理论学习鲜明的主线。而且，根据场源与时间的关系由麦克斯韦方程组得到了时变场与静态场的基本方程、边值问题，以及场量在分界面的衔接条件。应用场论分析思维与麦克斯韦方程有效地确定了电磁场的形态与特性，很好地解决了电磁场理论知识难教、难学、难懂的问题。

（五）引入虚拟仿真实验

电磁场是一个时空矢量场，其可以是与时间无关的三维静态场，也可以是与时间相关的四维时变场。电磁场理论的所有基本内容都是基于实验基础上的模型定义与数学推导，由推导的结论反映宏观物理现象。如果能够应用现代虚拟技术将其抽象的空间矢量场形象化地模拟并直观地展现基本物理量随空间、时间的变化，使得抽象的概念具象化，从而激发学生学习研究电磁场的兴趣，促进学生知识的吸收与转化，提高学生的探究与思考能力。

因此，课程组在教学过程中融入了虚拟可视化实验案例，包括基本场量与典型模型的可视化演示实验、复杂工程模型的虚拟仿真实验。例如在静电场的教学中，应用MATLAB软件绘制了单个点电荷的电位与场强分布、多个点电荷的电位与场强分布、无限长带电导线的电位与场强分布、无限大带电平面的电位与场强分布、无限长带电双线的电位与场强分布以及电偶极子的电位与场强分布等。在静电场的项目作业中，要求学生应用COMSOL Multiphysics软件建立同轴电缆的有限元模型，并分析其电场分布、电容参数与电场能量。通过虚拟实验技术的引入，将抽象的理论转化为具体的问题，将复杂的数学公式转化为可视物理现象，提升了课程的创新性与挑战度，加深了学生对电磁场理论内容的理解，培养了学生的创新能力和工程素养。

二、新工科课程实践与效果

（一）四深融合的新工科课程教学模式

根据上述课程建设思路，课程组基于教育信息技术构建了思政与专业深度融合，工程与理论深度融合，线上与线下深度融合，课内与课外深度融合的四深融合新工科课程教学模式，具体包含了教学设计、工程与思政导学、课前教学、课堂教学、课后教学、考核评价以及总结分析七个环节，如图3所示。

图3 四深融合的新工科课程教学模式

首先是教学设计环节，教师根据课程目标与上学期目标达成情况进行教学设计。工程与思政导学环节是教师在线发布工程背景、思政元素与课程重点内容，引导学生在课前环节进行有针对性的课外知识储备与自主学习。其次，学生在线完成预习内容与知识点测试，教师根据学生预习情况开展学情分析，并修改课堂教学设计。课堂教学环节以学生为主体实施混合式教学，教师基于雨课堂组织教学内容依次逐项进行，采用演示、讨论、讲解、探究等方式引入工程案例与虚拟仿真，引导学生对知识点进行学习、理解并掌握，然后由教师补充、小结。课后教学环节是教师发布讨论问题、课后作业、项目作业与探究作业，并在线答疑、讨论，学生完成在线作业并在线参与讨论，提出问题，加深知识点的理解与巩固。在考核评价环节教师根据课程目标与考核方式组织学生参与知识、能力与素养等方面的考核，学生参加考核并对课程、教师与教学方式等进行评价。最后环节是教师的总结与分析，并根据学生考核成绩、目标达成度与学生的反馈评价进行总结与反思，并动态地调整教学设计，持续改进教学模式。

（二）课程实施效果

“电磁场理论”课程通过课程建设与四深融合的新工科课程教学模式实施（2019级开始实施）后，学生的能力与素质目标分数（占总成绩50%）有了较大幅度的提升，如图4所示。由图可知，0~59分数段的学生人数占比由16.2%（2018级）下降为6.5%（2020级），90~100分数段的学生人数占比由4%（2018级）上升为12.2%（2020级），能力与素质目标分数提升比例比较明显。

图4 学生的能力与素质目标分数占比

三、结论

在新工科背景下，课程的新工科建设与教学实施是高等教育面临的重要课题。本文从新工科建设背景与内涵出发，分析了新工科课程建设的必要性，并且结合所在学校的“电磁场理论”课程课情与学情，提出了新工科课程建设思路，构建了新工科课程建设支撑体系，基于教育信息技术构建了四深融合的新工科课程教学模式。教学实践显示该新工科课程支撑体系与教学模式可以有效地激发学生掌握工程技术与探索科学原理的兴趣，有力地支撑了学生能力与素质目标的达成，对于新工科课程的建设与教学实施具有较大地意义。