“電磁場工程應用”高階課堂探索

譚陽紅, 帥智康, 汪 沨， 李 勇

(湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

灌輸課堂、封閉課堂、重知輕行、重學輕思是典型的低階課堂[1,2]。與之相對應，高階課堂的典型特點是對話課堂、開放課堂、知行合一、學思結合[2]。在認知過程的6個層次中，從“記憶、理解、應用”向“分析、評價、創造”轉變。在低階課堂中，學生學會“是什么”、“為什么”和“怎么樣”即可[2]。因此，學生只需要 “張嘴”，只需要即聆聽、理解和記憶即可。而高階課堂教會的是學生“覓食”的能力，培養學生的策略性思維，即教會學生如何實現從已知狀態向目標狀態的轉化、如何分析解決復雜工程任務等。培養學生的問題分析、獲取隱性知識、方案決策、創新思維、團隊協作、工程倫理、項目管理和自主學習能力等[3]。

因此，淘汰低階性、陳舊性和不用心的“水課”，提升大學生的學業挑戰度，合理增加課程難度、拓展課程深度、擴大課程的可選擇性，激發學生的學習動力和專業志趣。建設有深度、有難度、有挑戰度的“金課”，是每個教師都面臨的挑戰。我校電氣工程學院一直堅持“以學生位中心”，課程內容具有前沿性和挑戰度，采用探究性教學方法，堅持知識、能力和素質“三位一體”的培養模式，培養學生解決復雜電氣工程問題的綜合能力和創新思維。我校“電磁場工程應用”是湖南省國家精品在線開放課程，正在申請國家精品在線開放課程。本文以該課程的“電導和接地電阻”為例，介紹其高階課堂的探索過程。

1 課程的教學目標

“電磁場工程應用”是電類專業的基礎課之一，通過本課程的教學使學生具備下列能力：

(1) 工程分析能力：培養學生的工程實踐學習能力，鼓勵學生在教師的引導下自主查閱電磁場工程實例，研究得到工程問題的單元或模塊分解，給出解決思路和方案；

(2) 建模和求解能力：能夠運用矢量代數和場的思維方法，定量分析場的特性，確定場滿足的方程和邊界條件，建立場和波的數學模型，并正確求解；

(3)團隊合作和仿真能力：能夠和團隊進行問題分解和任務分配，使用Maxwell對單元模塊或系統進行仿真，并對結果進行分析，得到模型參數或完成系統的仿真或測試；

(4)文字表達和溝通能力：能夠將自己的方案和思路、實現過程、仿真和實驗測試等過程撰寫成符合規范要求的技術報告與文檔，并在課堂表述自己的觀點和意見、與同學互動和討論；

(5)項目影響評價能力：能正確認識和評價電磁場工程項目的實施對社會、健康、安全、環境的影響，理解應承擔的責任。

2 課程教學的設計和特點

在課程教學中，采取線上線下混合式教學模式。在線下課程中，采取“思考+ 討論”的“問號課堂”，激發學生思考和討論。讓學生盡量做到“思中學”、“做中學”。同時，更加注重拋出問題，在一定程度上采取“吊胃口”的方式，達到“既疑又懂”的效果，培養學生主動學習的興趣，結合課后的實作演練，提高學生的主動學習能力和實踐創新能力。和傳統課堂相比，其特點有：

1)對話課堂

傳統課堂中，教師的任務是做PPT，念PPT，學生的任務是聆聽、理解和記憶[1]，只須“張口”等待教師“喂食”即可。在“問號課堂”中，教師是導演，學生是演員。教師以精心設計的“問號”引導學生思考和討論，課堂內容一直在師生對話中完成。

2)開放課堂

傳統課堂的時間、地點、教學內容都是固定的，而在“問號課堂”中，時間上從課內延伸至課外、空間上從教室拓展至包括圖書館和實驗室在內的多個空間組合、教學內容上從教材擴充至各種參考資料。在設計這些問號的時候，需采取“吊胃口”的方式，課堂上，一方面需引導學生解決問號的能力，更重要的是激發學生主動“覓食”的興趣。

3)學思合一

傳統課堂中，教師解決教材上的重點、難點和疑點，成功畫出一個個“句號”，學生“張口”等待教師“喂食”過程中深信不疑。“問號課堂”中，通過教師不斷畫“問號”，引導學生主動思考，鼓勵學生自己將“問號”變成“句號”。讓學生“既懂又疑”，不安所學，敢于向傳統挑戰。讓學生做到“學中思、思中學”，培養學生的創新意識和創新思維。

4)知行合一

傳統課堂存在重知輕行，理論與實踐部分脫節的現象，部分學生甚至是“聽”實踐、“看”實踐、“抄”實踐。“問號課堂”將“坐中學”轉化為“做中學”。培養學生主動思考和主動實踐能力。將課堂上的疑問、新觀點、一時難以解決的內容等記錄下來，在課后通過與同學討論、查閱資料、仿真或者實驗等方式，解決疑問、加深理解，做到“學中做、做中學”，提高分析和實踐能力。

3 課程教學改革探索示例

“電導和接地電阻”是“電磁場工程應用”課程中的一個很重要的內容，在傳統教材和教學中，只強調典型電導的計算與應用。學生對電導和接地電阻的應用和設計規范并不理解；也沒有深入理解：接地體的形狀、尺寸和埋入深度對接地電阻的影響，以及在設計中如何考慮這些因素。

在教學中，從工程應用出發，引入漏電導的概念，說明工程問題中電導和接地電阻的建計算方法，分析典型工程應用和設計規范。并要求學生在課后對典型工程應用進行分析和設計，利用軟件Maxwell進行仿真分析和驗證。

線下教學采用全“問號”方式，課堂全程為對話方式。具體過程分成4個步驟：MOOC檢查拓展、延伸思考、深入討論和課后實踐。MOOC檢查拓展是針對課前布置的MOOC內容，設計針對性的問題，對MOOC實施效果進行檢查和拓展。

延伸思考指的是針對MOOC的內容，提出若干思考題。在2019年春季學期的“電導和接地電阻”教學中，提出了以下思考題，各思考題之間層層遞進。

(1)電導的計算思路有哪幾種？每種方法的應用條件是什么？各自有何優缺點？

(2)這里計算的電阻和R=ρL/S表示的電阻有何異同？

(3)什么是“漏電阻”？如何打算？

(4)漏電阻能不能用歐姆表測量？應該如何測量？

(5)什么是接地？舉例說明接地有何作用?

(6)接地電阻的組成

在討論完這些思考題后，進入深入討論環節。“電導和接地電阻”的深入討論內容包括：接地電阻的計算、接地電阻的計算方法總結、接地電阻的應用和接地電阻的實際設計。其中，最重要的是接地電阻的計算。以深埋的球形接地器作為實例，首先討論埋入深度不同時的接地電阻的異同，求得淺埋球形接地器的接地電阻。接著討論接地器形狀的不同對接地電阻的影響：包括半球形、棒形和其他形狀分別在淺埋和深埋時的接地電阻計算，如圖1所示。

圖1 接地電阻計算的討論內容

接地電阻的應用包含三個實例，如圖2所示。

圖2 接地電阻應用的討論內容

(1)別墅起火：包括起火原因分析、如何解決、如何防范等內容；

(2)油層探測和地震預測：包括探測(預測)原理分析、需要的設備分析以及探測結果(油層所在位置的深度、地震預測結果)分析等內容。

(3)跨步電壓：包含跨步電壓存在的原因分析、安全半徑分析、如何減少跨步電壓、日常市場生活需要注意的事項分析等。

在討論接地電阻的實際設計時，大多近似計算、一般以無窮遠處為參考電位，且實際接地電阻不宜太大，具體數值需要參考各種設計規范，如《建筑物防雷設計規范》、《智能變電站防雷技術規程》等。同時，給學生三道提，各題難度遞進：

(1)某1kV大電流設備線路接地電阻要求R<0.5Ω。若使用球形接地器，設土壤電導率為10-2S/m，問其半徑應多大？

(2)半徑為a的兩半球形接地器系統中，接地器間的距離為D,D?a，兩接地器間加電壓U，設大地的電導率為γ0。求其接地電阻(理論分析)，如果將它用于民用建筑物，是否符合設計規范?

(3)分析雷擊輸配電桿塔時的電流、電場和磁場，設雷電流可用雙指數函數的數學模型表述，即，i(t)=AIm(e-αt-e-βt)，采用T1/T2模式，如8/20μs具體的雷電流參數如表1所示，波形如圖3所示。其中，I是峰值電流(幅值)、T1、T2分別是波頭時間和半值時間，α，β是衰減系數。

表1 雷電流參數

圖3 雷電流波形

要求：

(1)分析雷擊輸配電桿塔時(不同接地器)的電流(密度)、電場和磁場分布，并和理論分析進行對比。

(2) 桿塔附近有生物(池塘的魚，民房的人和動物等)，離接地體不同距離，不同規格(如池塘的半徑，民房的size等)情況下，生物的電流(密度)、電場和磁場分布。

(3)改善措施及其效果分析。

每組側重1-2個點(每組不一樣)，進行深入研究，下次課前先進行答辯和討論。

例如，其中一組學生研究了接地體的5種不同材料、5種不同尺寸以及3種不同埋入深度對魚塘內的電流密度和電場分布的影響，其中雷電流在Maxwell中的表達式為1.058*30000*(exp(-1500*time)-exp(-1860000*time))。為了節省篇幅，這里只給出其中的一種情況。

當魚塘、桿塔、土壤和接地體的參數如表2所示時，在地面下1m處,電流密度隨時間和距離的分布圖如圖4所示。

表2 魚塘、桿塔、土壤和接地體的參數

圖4 電流密度隨時間和距離的分布

在地面下1m處,電流密度和電場隨距離的分布如圖5、6所示。

圖5 電流密度隨時間和距離的分布(橫縱坐標的單位分別m和A/m)

圖6 電場隨時間和距離的分布(橫縱坐標的單位分別m和V/m)

可以看出，接地體的邊緣處，電流密度的值最大，然后，在接地體內減少，但是，它不是簡單的單調遞減函數。分別在魚塘和接地體邊緣，電流密度和電場都會出現突變。

4 教學效果分析

為了進行對比分析，我們從2016-2018年進行了改革和跟蹤分析：全院四個專業，共500人，分成16個班，全體學生都自由選課。每年保持了8個班級的傳統教學， 8個班級是改革班級。采用統一的期末試卷，流水式改卷方式，其對比如圖7所示。

從圖7上可以看出，改革班級的卷面平均成績比傳統授課班級的卷面7-11分，傳統授課班級的總評成績和卷面成績之差一般維持在9分左右，而改革班級則只有3分。因此，改革班級的總評成績和卷面成績更接近，說明改革班級的形成性評價更能反映學生的真實水平。且對學生的調查分析表明，95%以上的改革班級學生認為自己主動學習和主動實踐能力提高了。

圖7 改革班級和傳統班級的對比分析

5 結語

在“電磁場工程應用”課程教學中，采取線上線下混合式教學模式。在線下課程中，采取“思考+討論”的“問號課堂”，激發學生思考和討論。對比分析表明，改革班級的卷面成績高于其他班7-11分，總評成績和卷面成績更接近，說明改革班級的形成性評價更能反映學生的真實水平。(譚陽紅等文)

采取適當“吊胃口”的方式，達到讓學生“既疑又懂”的效果，盡量做到“思中學”、“做中學”， 有利于培養學生主動學習和主動實踐能力，提高學習的 興趣，增強學習的積極性和主動性，培養學生分析問題和解決問題的綜合研究能力，這對應用型人才和創新型人才的培養都將是非常有益的。