论文部分内容阅读
摘要：依据工程教育专业认证标准，分析工程电磁场课程自身特点以及当前教学存在的问题。从学生能力全面提高和工程应用创新能力培养出发来组织和持续改进课程教学，提出了改进教学措施和教学方法，以期提高课程教学效果的同时达到专业认证对课程的要求。
关键词：工程电磁场 工程教育专业认证 课程改革
DOI：
10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2016.07.247
2013年我国加入了《华盛顿协议》，意味着已通过我国认证的专业培养出的学生可以得到签约国家和地区的认可。加强工程应用背景，高质量工程技术人才成为高等院校教育发展中的重要培养目标。工程教育专业认证将先进的教育理念融入该制度，是提高培养工程技术人才的重要保证，也是国内高校教育参与国际竞争的平台和重要基础[1]。我们应充分认识到专业认证的重要性，特别是具有工程实践背景要求的电气专业，更应以专业认证标准为模板结合本校实际教学情况和资源制定具有专业特色的人才培养方案，深化教学改革。
工程电磁场是电类专业一门重要的、理论性较强的专业基础课程，要求学生在熟练掌握高等数学、大学物理、电路等前期基础理论课程的前提下，与电机学、电器学等同时进行学习的一门课程。课程涉及的知识面广，与各专业课程联系紧密，在几门基础理论课程的基础上，增强培养学生的抽象思维、空间想象和逻辑推理能力等。为后期的专业课如电机学、电器学和电机设计等课程提供必备的理论基础，建立培养学生综合工程技术能力的专业课体系。该课程讲解理论知识的同时以典型电磁设备和器件为案例，为学生解决实际的工程问题奠定初步理论基础和分析方法。
一、工程电磁场课程教学现状和特点
工程电磁场课程是设计知识面广、理论性强的课程。该课程中公式较多且抽象，在教师讲解的基础上要求学生不仅具有一定的高等数学和物理基础，课程中含有的公式推导多，牵涉到矢量的点乘、叉乘、散度、旋度、线面体积分及其积分之间的相互转化，矢量恒等式的灵活应用等，大部分学生对公式的推导和含义不感兴趣，教学效果不够理想[2，3]。该课程存在主要问题有：1.教学内容更新速度太慢，仍以老教材为依据，课程内容安排上仍以静电场为主，针对目前市场上流行的电磁材料、工业装备中涉及的课程知识、生活总接触到的电磁现象、产品等基本没有介绍，无法全面反映该专业的发展现状及其趋势，不利于培养学生的工程技术能力和创新性思维的发展。2.以教师理论授课为主的教学方式。教师要在有限的时间内把大量的知识和信息传递给学生，对学生的理解和接受能力提出了更高要求。课堂上能保持长时间精力集中的学生比例较少，容易造成同节课上公式定理推导前面没跟上，后面听不懂的现象。3.学生理论知识的应用机会少、能力差。由于实践机会少，对学到的定理现象没有结合实际问题进行学习、锻炼，仍停留在书本理论的层面。4.考核机制相对单一，只要卷面成绩达到及格，总成绩就会通过。这样容易造成考试前突击现象严重，通过期末考试前答疑等对知识点死记硬背，无法深入学习和掌握电磁场的应用和分析方法，无法达到工程创新型人才的培养。
针对电气工程及其自动化专业开设的《工程电磁场》课程又具有自身的鲜明特点，主要体现在：（1）以电气工程学科实际问题为学习背景。讲授内容包括电气工程中典型的电磁场问题，如电路电磁特性问题、变压器的磁场、电机的磁场、电力电器电磁受力问题分析、绝缘子的电场、三相输电线路的工频电磁环境以及三相输电线路的电容和电感参数计算等。讲解具有一定的针对性，强调对知识的应用性。（2）揭示电气工程科学本质且与其他专业课程联系紧密。工程电磁场授课过程紧密围绕经典的麦克斯韦方程组展开，深刻反映了各种电路现象的“场”本质，对电气工程系列课程具有重要指导作用。同时，该课程与电气工程其他课程联系紧密，为多门课程提供理论指导，如《电路》《电机学》《电机设计》《电器学》《电力系统分析》《供电系统及电力网》等。（3）讲述方式具有鲜明特色。引入不同物理场的概念，通过“场”的角度去分析、解释问题，将电气工程中的问题归结为“场”的自身特性及相互作用。课程内容主要包括库仑定律、电荷守恒定律、安培定律、法拉第定律和麦克斯韦位移电流假设、静电场、恒定电场、恒定磁场和时变电磁场的基本方程及其边值问题、镜像法的基本原理、基于加权余量的工程中常用的有限元法和边界元法、电磁场的能量和力、平面电磁波和电路参数计算原理等。
可见，电气工程学科所学专业内容几乎全部涉及电磁场理论及其应用，同时电磁学还是新学科和交叉学科的孕育点，如生物电磁学、微波化学等。对电磁学的学习能够培养学生严谨的作风、科学的方法及抽象思维能力和创新精神。因此，我国和世界先进工业国家的各高等学校均把电磁场系列课程列为电气工程专业必修的专业基础课，该课程在电气工程专业认证中最为专业基础课具有重要地位和分量。应针对课程教学存在问题和特点对其进行教学改革探索。
二、专业认证背景下工程电磁场教学改革探索
为适应工程专业认证，达到电气专业培养目标，在《工程电磁场》课程的教学中应充分依托和利用教师所在课题组和研究所的科研优势和特色，以工程应用创新能力培养为主线和“优化基础理论，注重工程思维，强化实践能力，培养创新精神”的课程建设原则[4]，建立符合专业认证标准对电气工程专业《工程电磁场》课程知识点、培养目标、通过课程学生需要达到能力的要求，把该门课构建成具有工程基础知识，技术知识，能力模块三部分特点鲜明的课程。
（一）以工程教育专业认证对电气工程专
业的具体要求为导向，改进《工程电磁场》课程的培养目标、教学大纲、教学评价、实践内容等
依据专业认证标准（课程大纲、试题、课程考核方法、实验内容及效果）建立符合本校实情、具有专业特性的《工程电磁场》课程的培养目标、教学大纲、教学评价、实践内容等。逐步满足将来专业认证过程中的各项要求，采用“以学生为中心，以工程问题为引导”的课程教学，强调课程体系中具体课程与总体培养目标的关系，具体课程知识点的分布与课程体系中其他课程的关系，与对应掌握知识和能够培养的能力相互交叉，共同实现教学目标。 学院启动专业认证教学计划后，我校工程电磁场课程的学时由60调整为45。课时减少了1/4，但随着科技的发展，电气工程中各学科如电工装备、电力系统以及大型控制系统中涉及的工程电磁场问题越来越多，客观上要求学生掌握更多理论知识。为解决内容和学时减少的矛盾，减少静电场的内容，该部分在大学物理上有接触，可简化数学推导，讲清分析思路，将重点放在结论认识和应用上。在讲授内容的同时增加应用背景内容，讨论生活生产中的实际应用，如防辐射服能不能做到全屏蔽，无线电能传输如何实现，微波炉能不能加热金属器皿，核磁共振采用什么原理进行人体检查等，使学生在该课程的学习中意识到内容的实用性、重要性，强化理论与实际应用的联系，从而提高学生课程学习的主动性和积极性。
（二）教学方式、实验内容的优化
采用板书和多媒体同时进行的课堂教学方式。由于该门课程有大量的数学公式，并且有复杂的图形，若全用板书会浪费很多时间。若单纯使用多媒体课件，由于理论推导较难理解，学生通过观看学不到对应知识。所以，应该将板书和多媒体两种教学方式结合起来，采用多媒体软件，借助电磁计算软件，将很多工程中比较复杂电磁场的分布显示出来，增加学生对基本概念和实际问题的理解，激发学习的兴趣。另外，本课程在教学中保留大部分的板书，维持板书的逻辑严密性，增加学生跟进，使学生较容易掌握这门课程中的知识点。
在改进教学方式的同时，为加深对理论知识的理解、掌握和应用，进一步拓宽课程实验教学内容，分为上机仿真、实验测量分析和学生自主设计几种方式实现。为培养具有创新精神的高素质人才，本课程在教学过程中增加了8学时的上机仿真，分别针对典型的静电场、恒定电场、恒定磁场和交变磁场进行上机计算。是学生现代电气工程技术发展对学生知识结构和能力的要求，通过自己操作掌握所求解具体问题的计算原理、计算方法和计算结果。利用上机仿真对不同场进行静态、动态地显示，增强学生对场在空间的理解和实现工程问题的途径。针对工程中常用电工装备如变压器、电机的电磁场计算分析，在掌握工程电磁场基本理论知识点的同时为电机学、供配电、电力系统分析及校验等相关领域的课程学习奠定认识性基础，为培养综合创新型人才打下坚实的基础。
在理论讲授和中间上机仿真的基础上，本课程在后期安排了4学时的课程综合实验实践教学环节，采用分组形式，着力培养学生的专业技能和初步工程实践能力，使学生了解专业知识，掌握解决工程问题的方法。
（三）借鉴CDIO教育理念，提升学生的工程实践能力
CDIO教育模式指的是构思（Conceiving）、设计（Designing）、实现（Implementing）和运作（Operating）四个过程。CDIO教育理念是近年来国际工程教育改革的最新成果，是工程人才培养模式的一次重大探索。该教育理念要求学生在学习中动手，在实际操作中学习，形成理论与实践紧密结合的学习过程。
电气工程专业具有很强的实践性，在培养高素质创新性工程技术人才中，更应同时并重课程实践和理论教学。在教学过程中应借鉴CDIO教育理念，以专业工程系统或CDIO为载体，培养学生解决工程问题的能力。结合电气专业“强弱电结合”的特色，制定电工设备的电磁场计算、测量与分析一体化的实践体系，并提供学生自主开发设计的实验平台。在该课程理论教学和实践教学的过程中，时刻发挥学生主动性;鼓励学生参加科研项目的工作，接触课题组学科前沿，增加学生科研的深度和广度;加强校企合作，聘请电气专业有实践经验的工程技术人员进行指导，增加学生工程实践，有效提升学生的工程设计能力、工程创新能力，培养出符合社会需求的专业技术人才。
三、结束语
以专业认证为契机，加强专业建设的同时大力推进课程的教育改革，建立符合社会经济发展需要的电气工程人才培养框架和知识体系。针对工程电磁场课程，需要加强实践性环节，面向工程实际，以工程实际问题为导向，引出相关理论知识，并进一步回归到解决工程问题，使课程以专业认证要求为导向进行改革，以培养社会需求的技术人才。
参考文献：
[1]李明.专业认证视域下的国外高校工程教育改革及反思[J].国家教育行政学院学报，2015（8）：83-89.
[2]祝丽花，刘雪莉.电机虚拟仿真在工程电磁场教学中的应用[J].天津工业大学学报，2014（12）：143-144.
[3]聂相举.电气工程及其自动化专业“工程电磁场”课程教学改革探索[J].中国电力教育，2014（32）：69-70.
[4]程明.电气工程本科教育专业认证的实践与思考[N].第四届全国高校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集：5-8.
基金项目：本文得到天津工业大学教学改革项目（编号：2014-3-20）的支持。
作者简介：
祝丽花（1984- ），女，天津工业大学电气工程与自动化学院，讲师。
（责编 赵建荣）
关键词：工程电磁场 工程教育专业认证 课程改革
DOI：
10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2016.07.247
2013年我国加入了《华盛顿协议》，意味着已通过我国认证的专业培养出的学生可以得到签约国家和地区的认可。加强工程应用背景，高质量工程技术人才成为高等院校教育发展中的重要培养目标。工程教育专业认证将先进的教育理念融入该制度，是提高培养工程技术人才的重要保证，也是国内高校教育参与国际竞争的平台和重要基础[1]。我们应充分认识到专业认证的重要性，特别是具有工程实践背景要求的电气专业，更应以专业认证标准为模板结合本校实际教学情况和资源制定具有专业特色的人才培养方案，深化教学改革。
工程电磁场是电类专业一门重要的、理论性较强的专业基础课程，要求学生在熟练掌握高等数学、大学物理、电路等前期基础理论课程的前提下，与电机学、电器学等同时进行学习的一门课程。课程涉及的知识面广，与各专业课程联系紧密，在几门基础理论课程的基础上，增强培养学生的抽象思维、空间想象和逻辑推理能力等。为后期的专业课如电机学、电器学和电机设计等课程提供必备的理论基础，建立培养学生综合工程技术能力的专业课体系。该课程讲解理论知识的同时以典型电磁设备和器件为案例，为学生解决实际的工程问题奠定初步理论基础和分析方法。
一、工程电磁场课程教学现状和特点
工程电磁场课程是设计知识面广、理论性强的课程。该课程中公式较多且抽象，在教师讲解的基础上要求学生不仅具有一定的高等数学和物理基础，课程中含有的公式推导多，牵涉到矢量的点乘、叉乘、散度、旋度、线面体积分及其积分之间的相互转化，矢量恒等式的灵活应用等，大部分学生对公式的推导和含义不感兴趣，教学效果不够理想[2，3]。该课程存在主要问题有：1.教学内容更新速度太慢，仍以老教材为依据，课程内容安排上仍以静电场为主，针对目前市场上流行的电磁材料、工业装备中涉及的课程知识、生活总接触到的电磁现象、产品等基本没有介绍，无法全面反映该专业的发展现状及其趋势，不利于培养学生的工程技术能力和创新性思维的发展。2.以教师理论授课为主的教学方式。教师要在有限的时间内把大量的知识和信息传递给学生，对学生的理解和接受能力提出了更高要求。课堂上能保持长时间精力集中的学生比例较少，容易造成同节课上公式定理推导前面没跟上，后面听不懂的现象。3.学生理论知识的应用机会少、能力差。由于实践机会少，对学到的定理现象没有结合实际问题进行学习、锻炼，仍停留在书本理论的层面。4.考核机制相对单一，只要卷面成绩达到及格，总成绩就会通过。这样容易造成考试前突击现象严重，通过期末考试前答疑等对知识点死记硬背，无法深入学习和掌握电磁场的应用和分析方法，无法达到工程创新型人才的培养。
针对电气工程及其自动化专业开设的《工程电磁场》课程又具有自身的鲜明特点，主要体现在：（1）以电气工程学科实际问题为学习背景。讲授内容包括电气工程中典型的电磁场问题，如电路电磁特性问题、变压器的磁场、电机的磁场、电力电器电磁受力问题分析、绝缘子的电场、三相输电线路的工频电磁环境以及三相输电线路的电容和电感参数计算等。讲解具有一定的针对性，强调对知识的应用性。（2）揭示电气工程科学本质且与其他专业课程联系紧密。工程电磁场授课过程紧密围绕经典的麦克斯韦方程组展开，深刻反映了各种电路现象的“场”本质，对电气工程系列课程具有重要指导作用。同时，该课程与电气工程其他课程联系紧密，为多门课程提供理论指导，如《电路》《电机学》《电机设计》《电器学》《电力系统分析》《供电系统及电力网》等。（3）讲述方式具有鲜明特色。引入不同物理场的概念，通过“场”的角度去分析、解释问题，将电气工程中的问题归结为“场”的自身特性及相互作用。课程内容主要包括库仑定律、电荷守恒定律、安培定律、法拉第定律和麦克斯韦位移电流假设、静电场、恒定电场、恒定磁场和时变电磁场的基本方程及其边值问题、镜像法的基本原理、基于加权余量的工程中常用的有限元法和边界元法、电磁场的能量和力、平面电磁波和电路参数计算原理等。
可见，电气工程学科所学专业内容几乎全部涉及电磁场理论及其应用，同时电磁学还是新学科和交叉学科的孕育点，如生物电磁学、微波化学等。对电磁学的学习能够培养学生严谨的作风、科学的方法及抽象思维能力和创新精神。因此，我国和世界先进工业国家的各高等学校均把电磁场系列课程列为电气工程专业必修的专业基础课，该课程在电气工程专业认证中最为专业基础课具有重要地位和分量。应针对课程教学存在问题和特点对其进行教学改革探索。
二、专业认证背景下工程电磁场教学改革探索
为适应工程专业认证，达到电气专业培养目标，在《工程电磁场》课程的教学中应充分依托和利用教师所在课题组和研究所的科研优势和特色，以工程应用创新能力培养为主线和“优化基础理论，注重工程思维，强化实践能力，培养创新精神”的课程建设原则[4]，建立符合专业认证标准对电气工程专业《工程电磁场》课程知识点、培养目标、通过课程学生需要达到能力的要求，把该门课构建成具有工程基础知识，技术知识，能力模块三部分特点鲜明的课程。
（一）以工程教育专业认证对电气工程专
业的具体要求为导向，改进《工程电磁场》课程的培养目标、教学大纲、教学评价、实践内容等
依据专业认证标准（课程大纲、试题、课程考核方法、实验内容及效果）建立符合本校实情、具有专业特性的《工程电磁场》课程的培养目标、教学大纲、教学评价、实践内容等。逐步满足将来专业认证过程中的各项要求，采用“以学生为中心，以工程问题为引导”的课程教学，强调课程体系中具体课程与总体培养目标的关系，具体课程知识点的分布与课程体系中其他课程的关系，与对应掌握知识和能够培养的能力相互交叉，共同实现教学目标。 学院启动专业认证教学计划后，我校工程电磁场课程的学时由60调整为45。课时减少了1/4，但随着科技的发展，电气工程中各学科如电工装备、电力系统以及大型控制系统中涉及的工程电磁场问题越来越多，客观上要求学生掌握更多理论知识。为解决内容和学时减少的矛盾，减少静电场的内容，该部分在大学物理上有接触，可简化数学推导，讲清分析思路，将重点放在结论认识和应用上。在讲授内容的同时增加应用背景内容，讨论生活生产中的实际应用，如防辐射服能不能做到全屏蔽，无线电能传输如何实现，微波炉能不能加热金属器皿，核磁共振采用什么原理进行人体检查等，使学生在该课程的学习中意识到内容的实用性、重要性，强化理论与实际应用的联系，从而提高学生课程学习的主动性和积极性。
（二）教学方式、实验内容的优化
采用板书和多媒体同时进行的课堂教学方式。由于该门课程有大量的数学公式，并且有复杂的图形，若全用板书会浪费很多时间。若单纯使用多媒体课件，由于理论推导较难理解，学生通过观看学不到对应知识。所以，应该将板书和多媒体两种教学方式结合起来，采用多媒体软件，借助电磁计算软件，将很多工程中比较复杂电磁场的分布显示出来，增加学生对基本概念和实际问题的理解，激发学习的兴趣。另外，本课程在教学中保留大部分的板书，维持板书的逻辑严密性，增加学生跟进，使学生较容易掌握这门课程中的知识点。
在改进教学方式的同时，为加深对理论知识的理解、掌握和应用，进一步拓宽课程实验教学内容，分为上机仿真、实验测量分析和学生自主设计几种方式实现。为培养具有创新精神的高素质人才，本课程在教学过程中增加了8学时的上机仿真，分别针对典型的静电场、恒定电场、恒定磁场和交变磁场进行上机计算。是学生现代电气工程技术发展对学生知识结构和能力的要求，通过自己操作掌握所求解具体问题的计算原理、计算方法和计算结果。利用上机仿真对不同场进行静态、动态地显示，增强学生对场在空间的理解和实现工程问题的途径。针对工程中常用电工装备如变压器、电机的电磁场计算分析，在掌握工程电磁场基本理论知识点的同时为电机学、供配电、电力系统分析及校验等相关领域的课程学习奠定认识性基础，为培养综合创新型人才打下坚实的基础。
在理论讲授和中间上机仿真的基础上，本课程在后期安排了4学时的课程综合实验实践教学环节，采用分组形式，着力培养学生的专业技能和初步工程实践能力，使学生了解专业知识，掌握解决工程问题的方法。
（三）借鉴CDIO教育理念，提升学生的工程实践能力
CDIO教育模式指的是构思（Conceiving）、设计（Designing）、实现（Implementing）和运作（Operating）四个过程。CDIO教育理念是近年来国际工程教育改革的最新成果，是工程人才培养模式的一次重大探索。该教育理念要求学生在学习中动手，在实际操作中学习，形成理论与实践紧密结合的学习过程。
电气工程专业具有很强的实践性，在培养高素质创新性工程技术人才中，更应同时并重课程实践和理论教学。在教学过程中应借鉴CDIO教育理念，以专业工程系统或CDIO为载体，培养学生解决工程问题的能力。结合电气专业“强弱电结合”的特色，制定电工设备的电磁场计算、测量与分析一体化的实践体系，并提供学生自主开发设计的实验平台。在该课程理论教学和实践教学的过程中，时刻发挥学生主动性;鼓励学生参加科研项目的工作，接触课题组学科前沿，增加学生科研的深度和广度;加强校企合作，聘请电气专业有实践经验的工程技术人员进行指导，增加学生工程实践，有效提升学生的工程设计能力、工程创新能力，培养出符合社会需求的专业技术人才。
三、结束语
以专业认证为契机，加强专业建设的同时大力推进课程的教育改革，建立符合社会经济发展需要的电气工程人才培养框架和知识体系。针对工程电磁场课程，需要加强实践性环节，面向工程实际，以工程实际问题为导向，引出相关理论知识，并进一步回归到解决工程问题，使课程以专业认证要求为导向进行改革，以培养社会需求的技术人才。
参考文献：
[1]李明.专业认证视域下的国外高校工程教育改革及反思[J].国家教育行政学院学报，2015（8）：83-89.
[2]祝丽花，刘雪莉.电机虚拟仿真在工程电磁场教学中的应用[J].天津工业大学学报，2014（12）：143-144.
[3]聂相举.电气工程及其自动化专业“工程电磁场”课程教学改革探索[J].中国电力教育，2014（32）：69-70.
[4]程明.电气工程本科教育专业认证的实践与思考[N].第四届全国高校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集：5-8.
基金项目：本文得到天津工业大学教学改革项目（编号：2014-3-20）的支持。
作者简介：
祝丽花（1984- ），女，天津工业大学电气工程与自动化学院，讲师。
（责编 赵建荣）