工程教育專業(yè)認證下“電磁場與電磁波”課程的改革

劉雯景 王 驥 徐國保

(廣東海洋大學 電子與信息工程學院， 湛江 524088)

經(jīng)過十多年的發(fā)展，我國工程教育專業(yè)認證已逐步明確和建立了“成果導向、以學生為中心、持續(xù)改進”這三大核心理念。成果導向教育(Outcomes based education，簡稱OBE)強調(diào)依據(jù)期望學生達到的頂峰成果來反向設(shè)計教學[1]。以學生為中心是指教學的主體、目的和效果分別取決于學什么、怎么學和學的怎么樣[2]。持續(xù)改進是指應按照“計劃(Plan)——執(zhí)行(Do)——檢查(Check)——處理(Action)”的“PDCA”螺旋式上升循環(huán)來改進和解決教學質(zhì)量問題[3]。圍繞這三個核心理念，各大高校都以工程教育專業(yè)認證為契機，對專業(yè)和課程進行了相應的改革。

“電磁場與電磁波”是電子與信息工程專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)理論課。此外，電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當今發(fā)布和獲取信息、探測未知世界的一種重要手段。從理論和實踐二個維度出發(fā)，學好本課程都十分重要。

秉承工程教育專業(yè)認證的三大核心理念，對該課程進行了研究和改革，構(gòu)建“行業(yè)需求決定課程目標，課程目標支撐畢業(yè)要求，畢業(yè)要求指導課程設(shè)計、課程設(shè)計產(chǎn)出學習效果、學習效果引導持續(xù)改進，持續(xù)改進服務行業(yè)需求”的閉環(huán)教學體系，旨在探究如何在“新工科”形勢下培養(yǎng)高水平應用型人才。

1 構(gòu)建具有OBE理念的課程目標

OBE教學理念以成果為導向，逆向教學設(shè)計。人才培養(yǎng)的最終目的是滿足社會行業(yè)需求，因此反向設(shè)計是從需求出發(fā)，由需求來決定課程目標。當今行業(yè)均要求高校將理論知識和工程能力同時作為學習產(chǎn)出，因而教學目標的制定應該在理論和實踐兩個維度的平衡下，保證學生獲得的知識轉(zhuǎn)化為實用技能。此外，根據(jù)OBE教學理念，教學目標處于主導地位，教學內(nèi)容、教學方法、考核評價方式等都應圍繞預期目標展開。因此，為了讓課程目標真正發(fā)揮其指導作用，除了要充分考慮社會行業(yè)對人才培養(yǎng)的需求，還要將其與其他課程要素協(xié)同考慮，讓課程目標既要能體現(xiàn)OBE理念下的以能力為核心的產(chǎn)出導向，又要作為建構(gòu)教學設(shè)計的邏輯主線?！半姶艌雠c電磁波”課程的課程教學目標細分如下：

基礎(chǔ)知識學習目標1：掌握宏觀電磁場與電磁波的基本屬性、運動規(guī)律和基本分析方法；理解麥克斯韋方程組的內(nèi)涵；了解宏觀電磁場與電磁波的主要應用領(lǐng)域及其工作原理；

解決工程應用問題的能力目標2：能夠運用麥克斯韋方程組去觀察、分析和計算一些簡單、典型的靜態(tài)以及時變電磁場的基本問題；

具備工程實踐的能力目標3：使學生能借助電磁仿真軟件對天線、微波元器件等進行建模、仿真、數(shù)據(jù)提取及分析，具備工程實踐的能力；

課程思政價值目標4：通過案例教學、科技成果引導等構(gòu)建德育課堂，激發(fā)學生的歷史使命感和民族自豪感，激勵學生的創(chuàng)新創(chuàng)造精神[4]；使學生充分了解電磁輻射對生物體的影響，電磁環(huán)境污染的危害等。

通過列出課程目標與畢業(yè)要求指標的支撐關(guān)系來反映社會行企業(yè)需求在制定課程目標時的導向作用，如表1所示。

表1 課程目標對畢業(yè)要求指標的支撐關(guān)系

2 構(gòu)建以學生為中心的教學設(shè)計

我國工程教育專業(yè)認證的通用標準依次是學生、培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、持續(xù)改進、課程體系、師資隊伍和支持條件，這些指標的設(shè)置充分體現(xiàn)了以學生為中心的教學理念，學生是首要指標，其他指標都是圍繞使學生達到畢業(yè)要求、進而達成培養(yǎng)目標設(shè)置的[2]。因此，我們應當把以學生為中心的教學理念貫穿到整個教學設(shè)計中，把傳統(tǒng)的“教什么、怎么教、教的怎么樣”以教師為主導的教學模式徹底轉(zhuǎn)化為以學生為中心的“學什么、怎么學、學的怎么樣”。

2.1 以學生為中心的教學內(nèi)容的設(shè)計

以學生為中心的教學內(nèi)容的設(shè)計應該將理論知識和工程能力同時作為學習產(chǎn)出，夯實基礎(chǔ)，突出重點，鼓勵提升。對于電子與信息工程專業(yè)的學生而言，掌握電磁場有關(guān)的定理、定律、麥克斯韋方程等的物理意義及數(shù)學表達式是基礎(chǔ)，學會電磁波的求解方法以及用“場”的觀點分析解決實際的電磁問題是重點，能借助電磁仿真軟件對天線、微波元器件等進行建模、仿真、數(shù)據(jù)提取及分析是提升。課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

首先引入矢量場、矢量的基本運算，同時，矢量場的分析聯(lián)系電磁場概念展開，即梯度結(jié)合電位、散度結(jié)合電場強度、旋度結(jié)合磁場強度，將數(shù)學方法和電磁場理論有機結(jié)合；接著，在了解場的基本概念之后，先靜態(tài)場后時變場，從電磁學的三大實驗定律(庫侖定律、安培定律和法拉第電磁感應定律)出發(fā)，歸納出麥克斯韋方程組，導出這門課的理論核心；隨后，利用麥克斯韋方程組導出波動方程，討論時變場和坡應廷定理，并通過重點分析無限大均勻線性各向同性理想介質(zhì)中沿z方向傳播的電磁波性質(zhì)和傳播特性，讓學生形象的理解電磁波；最后，考慮到該課程的延續(xù)性，為后續(xù)的“微波技術(shù)與天線”“無線通信”等課程做鋪墊，可以簡單介紹傳輸線理論、導行電磁波和電磁輻射理論等。

2.2 以學生為中心的教學方法的設(shè)計

(1)基于PBL(problem-based learning，以問題為導向)教學方法，借助MOOC平臺進行線上線下混合式教學。PBL教學法是以學生為中心、以問題為基礎(chǔ)，鼓勵學生圍繞問題主動學習，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，培養(yǎng)學生自主學習能力和創(chuàng)新能力。此外，隨著近年來與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相適應的各種課程建設(shè)平臺的興起與逐步完善，大家都在摸索轉(zhuǎn)向借助相關(guān)平臺的在線課程資源開展混合式教學，以此打破學習空間的限制、激發(fā)學習的互動性和積極性，并能及時得到學生的反饋。在新冠肺炎疫情特殊時期，基于PBL教學方法，借助MOOC平臺，以學生為主體，以教師為主導，為“電磁場與電磁波”課程開展了混合式教學，并取得了較為不錯的教學效果。具體的教學設(shè)計流程如圖2所示，教師以問題為導向驅(qū)動學生線上自主學習，并借助網(wǎng)絡(luò)教學平臺實現(xiàn)答疑、作業(yè)、測驗、專題研討、實驗設(shè)計等師生互動交流環(huán)節(jié)，線下教學則主要是根據(jù)線上反饋的學習效果及時對所學知識進行加強和鞏固。

圖2 基于MOOC平臺的教學方法流程圖

(2)充分借鑒CDIO(構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作)工程教育模式，采用項目驅(qū)動教學，通過設(shè)置課程專題討論和設(shè)計研究型仿真實驗，讓學生以主動的、實踐的、課程直接有機聯(lián)系的方式學習工程，培養(yǎng)其實際動手能力，獨立創(chuàng)新能力和團隊合作能力[5]。

在課程專題討論方面，讓學生以小組為單位搜集資料討論與理論知識相關(guān)的工程應用問題，譬如半波振子天線的設(shè)計和分析、隱形飛機中隱含的電磁場與電磁波技術(shù)、電磁場與電磁波衛(wèi)星通信中的應用、5G通信面臨的電磁兼容問題、5G時代下如何注意電磁輻射污染等。使學生從工程問題的分析中體驗電磁場與電磁波的理論內(nèi)核，啟發(fā)正確的學習動機。在研究性仿真實驗方面，使用了Matlab計算軟件及Ansoft HFSS電磁仿真軟件，引導學生分析、編程、仿真，得可視化結(jié)果。通過Matlab軟件計算及描繪電場分布、磁場分布、電勢分布以及電磁波傳播等物理現(xiàn)象[6]；利用 HFSS軟件設(shè)計對稱振子天線、仿真電磁波在矩形波導中的動態(tài)傳播、研究高頻電路中的電磁干擾與電磁兼容問題等。這些都能加深學生對抽象的“場”和“波”的理解，有效激發(fā)學生的學習興趣。

3 構(gòu)建多元化課程考核評價體系，促進持續(xù)性課程改革機制

持續(xù)性課程改革機制應具有“評價——反饋——改進”反復循環(huán)特征。課程的改進是基于對課程的評價反饋之上，因此首先要構(gòu)建合理、全面、系統(tǒng)的考核評價體系來量化課程目標和畢業(yè)要求指標點的符合度和達成度、教學設(shè)計的合理性和有效性。該考核評價體系應該包括兩個方面，一個是面向課程教學產(chǎn)出的課程目標符合度、畢業(yè)要求指標點符合度以及教學設(shè)計合理性和有效性的評價，即衡量課程教學效果；一個是面向?qū)W生學習產(chǎn)出的課程目標達成度和畢業(yè)要求指標點達成度的評價，即衡量學生的學習效果。

3.1 面向課程教學產(chǎn)出的考核評價體系

面向課程教學產(chǎn)出的考核評價體系由學生評教、校內(nèi)督導組及同行評教，院系教學檢查和教學質(zhì)量監(jiān)控等構(gòu)成。學生評教由教務處通過網(wǎng)頁調(diào)查問卷的形式組織實施，了解學生對教師教學態(tài)度、教學內(nèi)容、教學方法、教學手段的評價，有助于教師進行教學反思；校內(nèi)督導組及同行評教主要通過聽課的形式了解教師的上課情況進行評價，評價指標包括備課與定位、教學環(huán)節(jié)設(shè)備、教學過程控制、教學方法手段運用、教學能力，有助于教師清楚課程設(shè)計的優(yōu)缺點；院系教學檢查是分階段的根據(jù)教學計劃對教學活動和其效果進行檢查驗定，包括查備課、查課堂(線上和線下)和查作業(yè)等，對課程設(shè)計的方式方法和實施過程等方面存在的問題進行反饋，來幫助教師提高教學工作能力；院系教學質(zhì)量監(jiān)控主要是對教學設(shè)計是否支撐畢業(yè)要求指標點、畢業(yè)要求指標點是否符合課程培養(yǎng)目標、課程培養(yǎng)目標達成度是否達到預期和畢業(yè)要求指標點達成度是否達到預期進行評價及監(jiān)控，推動教學管理的科學化、規(guī)范化和信息化。

3.2 面向?qū)W生學習產(chǎn)出的考核評價體系

“電磁場與電磁波”課程關(guān)于學生產(chǎn)出結(jié)果傳統(tǒng)的考核方式一般是“一考定所有”的“總結(jié)性評價”方式，僅僅考核學生對知識點的掌握程度，忽略了對學生學習過程和學習能力的評價，缺乏階段性反饋，不利于教師在教學活動中及時調(diào)整和優(yōu)化教學內(nèi)容和教學方法。此外，平時成績和期末成績的考核主體均是教師，太過單一。因此，我們依據(jù)教學設(shè)計構(gòu)建形成性評價指標，并引入學生互評、學生自評等多維化的考核評價方式，使考核機制“全程化、多元化、多維化”。形成性考核機制決定了整個教學過程都要貫穿考核評價，具體包括課堂表現(xiàn)(10%)、作業(yè)測驗(15%)、專題研討(10%)、仿真實驗(15%)、期末考試(50%)。課堂表現(xiàn)考查溝通表達能力和團隊協(xié)作能力；作業(yè)測驗考查對理論知識的掌握情況；專題研討考查對理論知識的綜合應用能力和科技論文寫作能力；仿真實驗考查理論聯(lián)系實際的工程實踐能力。多元化考核評價體系與課程目標的對應關(guān)系如表2所示。

通過面向課程設(shè)計產(chǎn)出的考核評價體系，形成《學生評教表》《課堂教學質(zhì)量評價表》《教學工作檢測記錄表》《課程目標符合度分析表》《畢業(yè)要求指標點達成度分析表》等；通過面向?qū)W生學習產(chǎn)出的考核評價體系，形成《試卷分析表》《課程目標達成度分析表》《畢業(yè)要求指標點達成度分析表》等。這一系列的評價反饋結(jié)果，給持續(xù)改進指明方向，使教學質(zhì)量管理進入“評價——反饋——改進”螺旋式上升的良性循環(huán)。

4 結(jié)語

基于工程教育專業(yè)認證遵循的三個基本理念：成果導向、以學生為中心、持續(xù)改進，對“電磁場與電磁波”課程的改革問題進行了探討。在教學目標制定上，根據(jù)OBE反向設(shè)計的原則，充分考慮社會行業(yè)需求，將理論知識和工程能力同時作為學習產(chǎn)出；在教學方法設(shè)計上，基于PBL理念，借助MOOC平臺，以問題為驅(qū)動，實施線上線下混合教學；并充分借鑒CDIO工程教育模式，采用項目驅(qū)動教學，培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識；在課程考核評價方式上，結(jié)合課程教學產(chǎn)出和學生學習產(chǎn)出考核評價體系，構(gòu)建具有“評價——反饋——改進”反復循環(huán)特征的教學質(zhì)量管理體系。

表2 多元化考核與課程目標之間的關(guān)系