“电磁场工程应用”高阶课堂探索

2021-04-02谭阳红帅智康

电气电子教学学报 2021年1期

谭阳红, 帅智康, 汪沨，李勇

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410082)

0 引言

灌输课堂、封闭课堂、重知轻行、重学轻思是典型的低阶课堂[1,2]。与之相对应，高阶课堂的典型特点是对话课堂、开放课堂、知行合一、学思结合[2]。在认知过程的6个层次中，从“记忆、理解、应用”向“分析、评价、创造”转变。在低阶课堂中，学生学会“是什么”、“为什么”和“怎么样”即可[2]。因此，学生只需要 “张嘴”，只需要即聆听、理解和记忆即可。而高阶课堂教会的是学生“觅食”的能力，培养学生的策略性思维，即教会学生如何实现从已知状态向目标状态的转化、如何分析解决复杂工程任务等。培养学生的问题分析、获取隐性知识、方案决策、创新思维、团队协作、工程伦理、项目管理和自主学习能力等[3]。

因此，淘汰低阶性、陈旧性和不用心的“水课”，提升大学生的学业挑战度，合理增加课程难度、拓展课程深度、扩大课程的可选择性，激发学生的学习动力和专业志趣。建设有深度、有难度、有挑战度的“金课”，是每个教师都面临的挑战。我校电气工程学院一直坚持“以学生位中心”，课程内容具有前沿性和挑战度，采用探究性教学方法，坚持知识、能力和素质“三位一体”的培养模式，培养学生解决复杂电气工程问题的综合能力和创新思维。我校“电磁场工程应用”是湖南省国家精品在线开放课程，正在申请国家精品在线开放课程。本文以该课程的“电导和接地电阻”为例，介绍其高阶课堂的探索过程。

1 课程的教学目标

“电磁场工程应用”是电类专业的基础课之一，通过本课程的教学使学生具备下列能力：

(1) 工程分析能力：培养学生的工程实践学习能力，鼓励学生在教师的引导下自主查阅电磁场工程实例，研究得到工程问题的单元或模块分解，给出解决思路和方案；

(2) 建模和求解能力：能够运用矢量代数和场的思维方法，定量分析场的特性，确定场满足的方程和边界条件，建立场和波的数学模型，并正确求解；

(3)团队合作和仿真能力：能够和团队进行问题分解和任务分配，使用Maxwell对单元模块或系统进行仿真，并对结果进行分析，得到模型参数或完成系统的仿真或测试；

(4)文字表达和沟通能力：能够将自己的方案和思路、实现过程、仿真和实验测试等过程撰写成符合规范要求的技术报告与文档，并在课堂表述自己的观点和意见、与同学互动和讨论；

(5)项目影响评价能力：能正确认识和评价电磁场工程项目的实施对社会、健康、安全、环境的影响，理解应承担的责任。

2 课程教学的设计和特点

在课程教学中，采取线上线下混合式教学模式。在线下课程中，采取“思考+ 讨论”的“问号课堂”，激发学生思考和讨论。让学生尽量做到“思中学”、“做中学”。同时，更加注重抛出问题，在一定程度上采取“吊胃口”的方式，达到“既疑又懂”的效果，培养学生主动学习的兴趣，结合课后的实作演练，提高学生的主动学习能力和实践创新能力。和传统课堂相比，其特点有：

1)对话课堂

传统课堂中，教师的任务是做PPT，念PPT，学生的任务是聆听、理解和记忆[1]，只须“张口”等待教师“喂食”即可。在“问号课堂”中，教师是导演，学生是演员。教师以精心设计的“问号”引导学生思考和讨论，课堂内容一直在师生对话中完成。

2)开放课堂

传统课堂的时间、地点、教学内容都是固定的，而在“问号课堂”中，时间上从课内延伸至课外、空间上从教室拓展至包括图书馆和实验室在内的多个空间组合、教学内容上从教材扩充至各种参考资料。在设计这些问号的时候，需采取“吊胃口”的方式，课堂上，一方面需引导学生解决问号的能力，更重要的是激发学生主动“觅食”的兴趣。

3)学思合一

传统课堂中，教师解决教材上的重点、难点和疑点，成功画出一个个“句号”，学生“张口”等待教师“喂食”过程中深信不疑。“问号课堂”中，通过教师不断画“问号”，引导学生主动思考，鼓励学生自己将“问号”变成“句号”。让学生“既懂又疑”，不安所学，敢于向传统挑战。让学生做到“学中思、思中学”，培养学生的创新意识和创新思维。

4)知行合一

传统课堂存在重知轻行，理论与实践部分脱节的现象，部分学生甚至是“听”实践、“看”实践、“抄”实践。“问号课堂”将“坐中学”转化为“做中学”。培养学生主动思考和主动实践能力。将课堂上的疑问、新观点、一时难以解决的内容等记录下来，在课后通过与同学讨论、查阅资料、仿真或者实验等方式，解决疑问、加深理解，做到“学中做、做中学”，提高分析和实践能力。

3 课程教学改革探索示例

“电导和接地电阻”是“电磁场工程应用”课程中的一个很重要的内容，在传统教材和教学中，只强调典型电导的计算与应用。学生对电导和接地电阻的应用和设计规范并不理解；也没有深入理解：接地体的形状、尺寸和埋入深度对接地电阻的影响，以及在设计中如何考虑这些因素。

在教学中，从工程应用出发，引入漏电导的概念，说明工程问题中电导和接地电阻的建计算方法，分析典型工程应用和设计规范。并要求学生在课后对典型工程应用进行分析和设计，利用软件Maxwell进行仿真分析和验证。

线下教学采用全“问号”方式，课堂全程为对话方式。具体过程分成4个步骤：MOOC检查拓展、延伸思考、深入讨论和课后实践。MOOC检查拓展是针对课前布置的MOOC内容，设计针对性的问题，对MOOC实施效果进行检查和拓展。

延伸思考指的是针对MOOC的内容，提出若干思考题。在2019年春季学期的“电导和接地电阻”教学中，提出了以下思考题，各思考题之间层层递进。

(1)电导的计算思路有哪几种？每种方法的应用条件是什么？各自有何优缺点？

(2)这里计算的电阻和R=ρL/S表示的电阻有何异同？

(3)什么是“漏电阻”？如何打算？

(4)漏电阻能不能用欧姆表测量？应该如何测量？

(5)什么是接地？举例说明接地有何作用?

(6)接地电阻的组成

在讨论完这些思考题后，进入深入讨论环节。“电导和接地电阻”的深入讨论内容包括：接地电阻的计算、接地电阻的计算方法总结、接地电阻的应用和接地电阻的实际设计。其中，最重要的是接地电阻的计算。以深埋的球形接地器作为实例，首先讨论埋入深度不同时的接地电阻的异同，求得浅埋球形接地器的接地电阻。接着讨论接地器形状的不同对接地电阻的影响：包括半球形、棒形和其他形状分别在浅埋和深埋时的接地电阻计算，如图1所示。

图1 接地电阻计算的讨论内容

接地电阻的应用包含三个实例，如图2所示。

图2 接地电阻应用的讨论内容

(1)别墅起火：包括起火原因分析、如何解决、如何防范等内容；

(2)油层探测和地震预测：包括探测(预测)原理分析、需要的设备分析以及探测结果(油层所在位置的深度、地震预测结果)分析等内容。

(3)跨步电压：包含跨步电压存在的原因分析、安全半径分析、如何减少跨步电压、日常市场生活需要注意的事项分析等。

在讨论接地电阻的实际设计时，大多近似计算、一般以无穷远处为参考电位，且实际接地电阻不宜太大，具体数值需要参考各种设计规范，如《建筑物防雷设计规范》、《智能变电站防雷技术规程》等。同时，给学生三道提，各题难度递进：

(1)某1kV大电流设备线路接地电阻要求R<0.5Ω。若使用球形接地器，设土壤电导率为10-2S/m，问其半径应多大？

(2)半径为a的两半球形接地器系统中，接地器间的距离为D,D≫a，两接地器间加电压U，设大地的电导率为γ0。求其接地电阻(理论分析)，如果将它用于民用建筑物，是否符合设计规范?

(3)分析雷击输配电杆塔时的电流、电场和磁场，设雷电流可用双指数函数的数学模型表述，即，i(t)=AIm(e-αt-e-βt)，采用T1/T2模式，如8/20μs具体的雷电流参数如表1所示，波形如图3所示。其中，I是峰值电流(幅值)、T1、T2分别是波头时间和半值时间，α，β是衰减系数。

表1 雷电流参数

图3 雷电流波形

要求：

(1)分析雷击输配电杆塔时(不同接地器)的电流(密度)、电场和磁场分布，并和理论分析进行对比。

(2) 杆塔附近有生物(池塘的鱼，民房的人和动物等)，离接地体不同距离，不同规格(如池塘的半径，民房的size等)情况下，生物的电流(密度)、电场和磁场分布。

(3)改善措施及其效果分析。

每组侧重1-2个点(每组不一样)，进行深入研究，下次课前先进行答辩和讨论。

例如，其中一组学生研究了接地体的5种不同材料、5种不同尺寸以及3种不同埋入深度对鱼塘内的电流密度和电场分布的影响，其中雷电流在Maxwell中的表达式为1.058*30000*(exp(-1500*time)-exp(-1860000*time))。为了节省篇幅，这里只给出其中的一种情况。

当鱼塘、杆塔、土壤和接地体的参数如表2所示时，在地面下1m处,电流密度随时间和距离的分布图如图4所示。

表2 鱼塘、杆塔、土壤和接地体的参数

图4 电流密度随时间和距离的分布

在地面下1m处,电流密度和电场随距离的分布如图5、6所示。

图5 电流密度随时间和距离的分布(横纵坐标的单位分别m和A/m)

图6 电场随时间和距离的分布(横纵坐标的单位分别m和V/m)

可以看出，接地体的边缘处，电流密度的值最大，然后，在接地体内减少，但是，它不是简单的单调递减函数。分别在鱼塘和接地体边缘，电流密度和电场都会出现突变。

4 教学效果分析

为了进行对比分析，我们从2016-2018年进行了改革和跟踪分析：全院四个专业，共500人，分成16个班，全体学生都自由选课。每年保持了8个班级的传统教学， 8个班级是改革班级。采用统一的期末试卷，流水式改卷方式，其对比如图7所示。

从图7上可以看出，改革班级的卷面平均成绩比传统授课班级的卷面7-11分，传统授课班级的总评成绩和卷面成绩之差一般维持在9分左右，而改革班级则只有3分。因此，改革班级的总评成绩和卷面成绩更接近，说明改革班级的形成性评价更能反映学生的真实水平。且对学生的调查分析表明，95%以上的改革班级学生认为自己主动学习和主动实践能力提高了。