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(xué) 電子與信息工程學(xué)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(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進”這三大核心理念。成果導(dǎo)向教育(Outcomes based education，簡稱OBE)強調(diào)依據(jù)期望學(xué)生達到的頂峰成果來反向設(shè)計教學(xué)[1]。以學(xué)生為中心是指教學(xué)的主體、目的和效果分別取決于學(xué)什么、怎么學(xué)和學(xué)的怎么樣[2]。持續(xù)改進是指應(yīng)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(xué)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(yīng)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(dāng)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(xué)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(biāo)，課程目標(biāo)支撐畢業(yè)要求，畢業(yè)要求指導(dǎo)課程設(shè)計、課程設(shè)計產(chǎn)出學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)效果引導(dǎo)持續(xù)改進，持續(xù)改進服務(wù)行業(yè)需求”的閉環(huán)教學(xué)體系，旨在探究如何在“新工科”形勢下培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才。

1 構(gòu)建具有OBE理念的課程目標(biāo)

OBE教學(xué)理念以成果為導(dǎo)向，逆向教學(xué)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(biāo)。當(dāng)今行業(yè)均要求高校將理論知識和工程能力同時作為學(xué)習(xí)產(chǎn)出，因而教學(xué)目標(biāo)的制定應(yīng)該在理論和實踐兩個維度的平衡下，保證學(xué)生獲得的知識轉(zhuǎn)化為實用技能。此外，根據(jù)OBE教學(xué)理念，教學(xué)目標(biāo)處于主導(dǎo)地位，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核評價方式等都應(yīng)圍繞預(yù)期目標(biāo)展開。因此，為了讓課程目標(biāo)真正發(fā)揮其指導(dǎo)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(biāo)既要能體現(xiàn)OBE理念下的以能力為核心的產(chǎn)出導(dǎo)向，又要作為建構(gòu)教學(xué)設(shè)計的邏輯主線。“電磁場與電磁波”課程的課程教學(xué)目標(biāo)細分如下：

基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)目標(biāo)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(yīng)用領(lǐng)域及其工作原理；

解決工程應(yīng)用問題的能力目標(biāo)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(biāo)3：使學(xué)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(biāo)4：通過案例教學(xué)、科技成果引導(dǎo)等構(gòu)建德育課堂，激發(fā)學(xué)生的歷史使命感和民族自豪感，激勵學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造精神[4]；使學(xué)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(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)的支撐關(guān)系來反映社會行企業(yè)需求在制定課程目標(biāo)時的導(dǎo)向作用，如表1所示。

表1 課程目標(biāo)對畢業(yè)要求指標(biāo)的支撐關(guān)系

2 構(gòu)建以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計

我國工程教育專業(yè)認證的通用標(biāo)準(zhǔn)依次是學(xué)生、培養(yǎng)目標(biāo)、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(biāo)的設(shè)置充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，學(xué)生是首要指標(biāo)，其他指標(biāo)都是圍繞使學(xué)生達到畢業(yè)要求、進而達成培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)置的[2]。因此，我們應(yīng)當(dāng)把以學(xué)生為中心的教學(xué)理念貫穿到整個教學(xué)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(dǎo)的教學(xué)模式徹底轉(zhuǎn)化為以學(xué)生為中心的“學(xué)什么、怎么學(xué)、學(xué)的怎么樣”。

2.1 以學(xué)生為中心的教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

以學(xué)生為中心的教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計應(yīng)該將理論知識和工程能力同時作為學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)表達式是基礎(chǔ)，學(xué)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(xué)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(xué)的三大實驗定律(庫侖定律、安培定律和法拉第電磁感應(yīng)定律)出發(fā)，歸納出麥克斯韋方程組，導(dǎo)出這門課的理論核心；隨后，利用麥克斯韋方程組導(dǎo)出波動方程，討論時變場和坡應(yīng)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(xué)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(dǎo)行電磁波和電磁輻射理論等。

2.2 以學(xué)生為中心的教學(xué)方法的設(shè)計

(1)基于PBL(problem-based learning，以問題為導(dǎo)向)教學(xué)方法，借助MOOC平臺進行線上線下混合式教學(xué)。PBL教學(xué)法是以學(xué)生為中心、以問題為基礎(chǔ)，鼓勵學(xué)生圍繞問題主動學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)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(yīng)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(xué)，以此打破學(xué)習(xí)空間的限制、激發(fā)學(xué)習(xí)的互動性和積極性，并能及時得到學(xué)生的反饋。在新冠肺炎疫情特殊時期，基于PBL教學(xué)方法，借助MOOC平臺，以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，為“電磁場與電磁波”課程開展了混合式教學(xué)，并取得了較為不錯的教學(xué)效果。具體的教學(xué)設(shè)計流程如圖2所示，教師以問題為導(dǎo)向驅(qū)動學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)，并借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)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(xué)則主要是根據(jù)線上反饋的學(xué)習(xí)效果及時對所學(xué)知識進行加強和鞏固。

圖2 基于MOOC平臺的教學(xué)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(xué)，通過設(shè)置課程專題討論和設(shè)計研究型仿真實驗，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程直接有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(xué)習(xí)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(dǎo)學(xué)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(dǎo)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(xué)生對抽象的“場”和“波”的理解，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(yīng)具有“評價——反饋——改進”反復(fù)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(biāo)和畢業(yè)要求指標(biāo)點的符合度和達成度、教學(xué)設(shè)計的合理性和有效性。該考核評價體系應(yīng)該包括兩個方面，一個是面向課程教學(xué)產(chǎn)出的課程目標(biāo)符合度、畢業(yè)要求指標(biāo)點符合度以及教學(xué)設(shè)計合理性和有效性的評價，即衡量課程教學(xué)效果；一個是面向?qū)W生學(xué)習(xí)產(chǎn)出的課程目標(biāo)達成度和畢業(yè)要求指標(biāo)點達成度的評價，即衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3.1 面向課程教學(xué)產(chǎn)出的考核評價體系

面向課程教學(xué)產(chǎn)出的考核評價體系由學(xué)生評教、校內(nèi)督導(dǎo)組及同行評教，院系教學(xué)檢查和教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控等構(gòu)成。學(xué)生評教由教務(wù)處通過網(wǎng)頁調(diào)查問卷的形式組織實施，了解學(xué)生對教師教學(xué)態(tài)度、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段的評價，有助于教師進行教學(xué)反思；校內(nèi)督導(dǎo)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(biāo)包括備課與定位、教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)備、教學(xué)過程控制、教學(xué)方法手段運用、教學(xué)能力，有助于教師清楚課程設(shè)計的優(yōu)缺點；院系教學(xué)檢查是分階段的根據(jù)教學(xué)計劃對教學(xué)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(xué)工作能力；院系教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控主要是對教學(xué)設(shè)計是否支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點、畢業(yè)要求指標(biāo)點是否符合課程培養(yǎng)目標(biāo)、課程培養(yǎng)目標(biāo)達成度是否達到預(yù)期和畢業(yè)要求指標(biāo)點達成度是否達到預(yù)期進行評價及監(jiān)控，推動教學(xué)管理的科學(xué)化、規(guī)范化和信息化。

3.2 面向?qū)W生學(xué)習(xí)產(chǎn)出的考核評價體系

“電磁場與電磁波”課程關(guān)于學(xué)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(xué)生對知識點的掌握程度，忽略了對學(xué)生學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)能力的評價，缺乏階段性反饋，不利于教師在教學(xué)活動中及時調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)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(xué)設(shè)計構(gòu)建形成性評價指標(biāo)，并引入學(xué)生互評、學(xué)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(xué)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(yīng)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(biāo)的對應(yīng)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(xué)生評教表》《課堂教學(xué)質(zhì)量評價表》《教學(xué)工作檢測記錄表》《課程目標(biāo)符合度分析表》《畢業(yè)要求指標(biāo)點達成度分析表》等；通過面向?qū)W生學(xué)習(xí)產(chǎn)出的考核評價體系，形成《試卷分析表》《課程目標(biāo)達成度分析表》《畢業(yè)要求指標(biāo)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(xué)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(dǎo)向、以學(xué)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(xué)目標(biāo)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(xué)習(xí)產(chǎn)出；在教學(xué)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(xué)；并充分借鑒CDIO工程教育模式，采用項目驅(qū)動教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)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(xué)產(chǎn)出和學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出考核評價體系，構(gòu)建具有“評價——反饋——改進”反復(fù)循環(huán)特征的教學(xué)質(zhì)量管理體系。

表2 多元化考核與課程目標(biāo)之間的關(guān)系