以能力培养为导向的“电机学”课程 教学改革研究与实践

【摘""要】针对新工科背景下“电机学”课程教学中存在的问题，课程团队以培养自主学习能力、知识应用能力、实践创新能力和实现价值塑造为目标，从课程知识体系、教学模式、评价体系等方面对课程进行了优化、设计与构建。结果表明，优化重构课程知识体系、逐层细化课程目标、采用立体化闭环式教学模式和多元化考核评价体系，对提升课程整体质量效果较好。课程团队坚持持续改进理念，针对课程改革后仍存在的问题提出了改进方向和措施，为持续提升课程质量提供思路。【关键词】课程体系优化；教学模式设计；考核评价；持续改进；“电机学”课程一、引言新工科建设是我国高等教育“质量革命”的重要举措之一[1]。当前，传统电气工程及其自动化专业人才培养已不能适应我国电力行业正逐步与新能源、人工智能、信息技术等的深度融合[2]，以及向智能化、清洁化、可持续化方向发展对人才知识、能力和素质的需求。为适应这一发展趋势，重构传统电气专业课程体系，提升课程质量，成为培养具有较强实践创新能力的高素质复合应用型人才的必由之路。“电机学”课程是电气工程及其自动化专业一门综合性较强的专业核心课程[3]，在课程体系中具有承上启下的关键作用。为此，对该课程的教学内容、教学模式、评价体系等进行改革，对提高课程质量和支撑专业人才培养具有重要的意义。二、“电机学”课程教学现状（一）课程的知识、能力和价值未能同步提升“电机学”课程具有知识覆盖面广、理论性强、概念抽象等特征，课程内容涉及变压器、交流电机、直流电机、同步电机和异步电机，学习时需要数学、电路、电磁场、机械等多个学科的基础知识，其中变压器和各种电机的结构、原理、运行特性等内容是教学的重点。针对2019级及之前的学生开设的“电机学”课程的总学时为48学时，且全部为理论学时，因课时较少，主要采用学生自学与教师讲解重难点相结合的方式开展教学。该方式虽能保证课程内容的覆盖面，但学习效果并不能达到预期，主要原因是学生理论基础不扎实、学习能力不足、没有良好的学习习惯、缺乏耐心和积极性，因而不能较好地完成自学内容，导致对课程知识的掌握不深入、不全面、不系统；加之授课进度较快，重难点知识讲解不深不透，出现了“潜进潜出”现象，且学生对自学内容的理解掌握不到位，“似懂非懂”现象普遍，尤其在课程的一些基本概念和原理上表现得较突出，这既影响了学生的学习兴趣和积极性，又不能较好地实现知识和能力的提升。此外，授课过程中未充分挖掘知识体系中蕴含的思想价值和精神内涵并有机地融入课程教学，价值未能得到同步提升。（二）理论教学与实践脱节课程教学未结合其理论性和工程应用性强的特点开设与理论配套的实验、课程设计、虚拟仿真等实践类课程或项目，仅通过理论讲解和分析不能很好地建立理论与实际应用之间的联系。授课过程中虽引入了一些与工程实际相关的动画、视频、案例等辅助教学，但效果不明显，对培养学生的工程思维、实践创新能力和解决实际工程问题能力的支撑不足。例如，电机的结构、复杂的电磁关系、运行特性等，仅从理论层面叙述电机结构，从数学角度描述电压、磁链、转矩和运动方程、运行特性等，学生很难理解，经常一头雾水。（三）考核方式不能全面科学地评价学习效果课程考核由过程考核和期末考核组成。其中，过程考核占比为30%，从考勤、作业、课堂表现3方面进行评价，但存在考核占比低、不够多元等问题，不能很好地激发学生学习兴趣，调动学生学习的积极性、主动性和参与度，不能全面评价学生的学习效果，且没有制定各考核项目的详细评分体系或标准，评分随意，主观性强，考核缺乏科学性。期末考核占比为70%，比重偏高，且在试题中主观题占比偏低，学生高度依赖记忆和应试能力，“突击过关”现象普遍，不能有效支撑综合能力培养效果的评价，不利于学生综合素质和创新能力的培养。三、“电机学”课程教学改革策略及成效分析（一）构建模块化教学体系以新工科建设为指导，以支撑专业人才培养目标和毕业要求为任务，结合课程特点、学校办学定位和行业人才需求，进一步明确了教学目标。突破章节定式，将电机学知识进行模块化分类整合，厘清每个模块的教学重点和难点，围绕特定主体或教学单元组织教学，并融入思政元素和学科前沿技术，整合优化教学内容。①优化确立课程知识、能力和价值“三位一体”目标，并支撑工程知识（H）、设计/开发解决方案（H）和研究（M）3个毕业要求。目标1：理解并掌握各类电机的基本结构、原理、理论模型和分析方法；目标2：能建立电机数学模型，并计算其相关性能参数，能根据参数对电机的性能进行分析、优化和验算；目标3：具备分析、研究电机在工程中的应用的能力，培养自学能力、思辨能力、创新精神和职业素养。②将课程内容按相关知识点模块化。按基础理论、变压器、交流电机、异步电机、同步电机、直流电机课程内容分为6个模块。基础理论模块补充了电机材料及其特性知识；变压器模块补充变压器参数归算、等效电路与相量图、参数测定等基本理论，以及变压器运行特性参数和运行方式等内容；交流电机模块强化交流电机基础理论，异步电机和同步电机的共同问题整合到该部分，补充电机发热与温升、交流绕组磁动势内容；异步电机和同步电机模块增加案例和实验；直流电机模块将内容整合为直流电机概述、磁场、电动机、发电机4部分内容。③厘清课程知识体系逻辑，增加学时。厘清每个模块的重难点，遵循“由简入繁、先概念原理后分析应用”原则，按“结构→物理模型→数学模型→特性→应用”顺序授课[4]，课程学时从48学时（理论）优化为60学时（理论）+4学时（实验）。④思政融入教学。将课程目标按“课程→课程模块→章节→知识点”逐层细化分解，结合教学内容特点确立思政目标，挖掘思政元素，构建思政资源和案例库，遵循“潜移默化，润物细无声”原则，把知识的理解、掌握和综合应用与价值的提升有机结合起来，实现“知识传授、能力培养、价值塑造”三者融为一体。（二）理实结合，突出能力培养遵循“电机学”课程各模块的知识逻辑和学生的认知规律，为进一步提高学生对各类电机的结构和工作原理的理解掌握，突出学生应用能力的培养，在课程中可采用图片、动画、视频、实验等多种方式展示实物，提高抽象性较强知识点的可理解性，强化学生应用知识分析解决问题的能力和实践创新能力的培养。例如，用图片展示各类电机和变压器在工程实际中的应用，用三维动画或拆装视频学习各类电机和变压器的结构和工作原理，用实验强化各类电机的运行特性、机械特性及其控制。此外，围绕变压器、异步电机、同步电机、直流电机4个模块设计了多个实验项目（表1），授课时结合理论学习的薄弱环节，用2～4学时实验进行强化。此外，还可将虚拟仿真技术应用到课程教学中[5]，如电机的启动、运行、调速和控制，可以采用Simulink工具箱构建虚拟仿真实验，通过改变参数直观感受电机输出特性的变化情况。（三）构建立体化闭环教学模式教学模式在教学中发挥着重要的功能和作用，是提高教学效果的有效途径[6]。针对以理论讲授为主的“电机学”课程存在的学生学习兴趣和积极性难调动、知识点理解掌握不透彻、问题分析思路不清晰、解决问题能力和价值塑造提升不明显等问题，课程团队设计了“线下为主、线上辅助，多种教学方法和手段融合应用，课前、课中和课后全过程融入思政教学”的立体化闭环教学模式（图1、表2）。课前通过布置任务将学习目标和存在问题具体化，课中理论知识深度讲解、虚拟仿真、实验等将理论知识内化于心、外化于行，课后完成检测、作业、拓展阅读、反思总结等以巩固理论知识，提升综合应用能力与素养，实现以“学生为中心”的知识传授、能力培养、价值塑造三者融为一体的同步提升。式（1）中，Xi、Te、Yj、分别为第i种过程考核、实验考核和期末考核第j个模块的全班平均得分，其中Xi、Te按百分制计，Yj按实际得分计；ai、aET、aPE分别为第i种过程考核、实验考核和期末考核在综合成绩中的占比；Zj、bj为期末考核中第j个模块的满分和第j个模块的学时占比。（五）改革成效分析上述改革策略在电气工程及其自动化专业2020级和2021级中进行了实施，并与2019级（改革前）进行了对比，考核成绩分布和达成度情况如表3所示。①改革对提高课程整体教学质量效果较好。2020级、2021级优良率较2019级分别提升了约10.97%、7.41%，中等及以上学生占比分别达到34.70%和63.83%，较2019级分别提升了6.13%和35.26%，其中2020级的提升效果不是很明显，主要原因是课程团队改革措施尚未完善，落实改革理念和措施存在偏差，且学生对新的教学模式、考核方案等尚未完全适应。经过一轮授课后，课程团队对改革中存在的问题进行了反思、总结，并遵循持续改进原则，不断优化课程教学内容和考核方案，完善实验，授课中思想政治教育的融入不断深入，使得2021级较2019级和2020级改革效果明显，不及格率降到了5.0%以内。（四）重构考核评价体系课程考核是检查教学质量、评价学习效果的重要环节。针对以往“电机学”课程考核存在的问题，课程团队对课程考核的组成、内容、占比等进行了改革。一是为提升学生知识应用能力和实践创新能力[7]，独立设置实验考核，构建“过程+实验+期末”相结合的考核方式。二是降低期末考核比重，强化过程考核，通过优化多元化考核项目比重，并制定详细的评价标准，实现学生知识、能力、价值的一体化多维度考核评价。过程考核仍占30%，其中考勤、互动与讨论、检测的考核占比分别降低至1.5%、4.5%和1.5%，作业和线上学习考核占比分别提升至18%和4.5%，并遵循“减低阶、增高阶”的原则持续优化讨论、检测和作业内容，以突出学生学习能力和分析解决问题能力的培养。三是增加实验考核环节，占比为10%，以突出学生分析解决问题能力和实践创新能力的培养。四是期末考核占比降低至60%，降低期末试题中记忆类、理解类题目，增加与工程实际有关的情景设计、开放性、探究性和综合性题目，以突出学生综合应用能力的考核，提升期末考核质量。五是设计课程目标达成度ACH计算方法。②2020级、2021级过程考核、实验考核、期末考核及课程综合的达成度分别为0.892、0.835、0.486、0.643，0.860、0.854、0.585和0.694，其中过程考核和实验达成效果较好，达成度均达到0.8以上，说明改革对提高学生学习积极性、主动性和提升课堂氛围效果较好。相对于理论知识学习，学生对实验更有兴趣，因此，结合理论开设实验有助于学生理解、掌握理论知识。如在2020级中开设了同步电机模块实验，期末测试中该模块的达成度较2021级高出0.135。③在期末考核中增加了与工程实际有关的开放性、探究性和综合性试题，其对学生存在一定的挑战和难度。2020级、2021级期末考核达成度均小于0.6，说明学生综合应用知识分析解决工程实际问题的能力仍需进一步提高，教学方式和过程考核需进一步优化。四、持续改进思路针对课程改革后仍存在的问题，后续将从以下几方面进行持续改进。①课程团队方面。将通过研讨交流、培训、教学技能竞赛等方式拓宽教师知识面，更新知识体系，创新教学模式，提升教学能力和水平。②理实结合方面。持续完善课程体系与实验，按“结构→物理模型→数学模型→特性→应用”流程深入优化各类型电机内容，形成思维导图和学习指导大纲，提高实验部分学时占比，在变压器、直流电机、异步电机和同步电机4模块中均开设一定学时的实物实验或虚拟仿真实验，以突出学生综合应用能力和实践创新能力的培养。③资源建设方面。利用好线上学习平台（微助教、学习通、B站等），按“模块化、层次化”原则建设课程教学资源，即资源库设计了教学文档（大纲、课件、参考书目）、视频、动画、仿真实验、技术前沿、主题讨论、习题、思政案例等模块。资源按从高到低的逻辑设置为“基础（记忆理解）、提高（分析评估）、拓展（评估创造）”3个层级，以提高对课前预习、课后强化练习的支撑度。④课程思政方面。深入研读课程内容，结合产业需求，持续开展课程思政资源建设，提高思政元素与课程知识内容的关联性，坚持教学全过程多渠道融入思政元素，以提升课程价值塑造质量。⑤考核评价方面。继续采用“过程+实验+期末”的考核设计形式，持续优化考核项目、占比和内容。过程考核将原方案中的考勤、讨论、课题互动、线上学习整合为依据课堂表现进行考核，占比为10%，作业和章节检测考核占比分别优化为10%、10%，作业部分提高高阶性思维能力训练题目的比例，强化知识应用能力和创新能力的训练，增加思政实践考核，占比为5%，进一步激发学生学习的积极性和主动性，强化能力训练和价值塑造。实验考核占比提升至15%，从实验操作和报告2个维度进行考核，分别占5%、10%，突出培养学生的问题分析能力和实践创新能力。期末考核占比优化至50%，以强化过程考核，持续优化突出能力培养和价值塑造的试题。五、结束语课程团队坚持“学生中心、产出导向、持续改进”理念，对“电机学”课程教学进行了改革实践，具体如下。①以支撑人才培养目标和毕业要求达成为根本任务，结合课程内容特点和产业需求，优化完成的知识、能力和价值“三位一体”的课程目标和构建的课程知识体系符合新工科背景下电气工程领域人才对该课程的需求，64学时能够保障不降低质量地完成课程知识内容教学。②按“课程→课程模块→章节→知识点”逐层细化分解课程