曹斌照， 費宏明， 楊毅彪， 薛萍萍

(太原理工大學 物理與光電工程學院， 山西 太原 030024)

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微課題融入“電動力學”相關(guān)課程教學實踐

曹斌照， 費宏明， 楊毅彪， 薛萍萍

(太原理工大學 物理與光電工程學院， 山西 太原 030024)

摘要：本文提出在我院專業(yè)基礎課程“電動力學”的本科教學中有機融入微課題的改革思路；具體介紹了實施過程中如何結(jié)合教學內(nèi)容凝練題目、引導學生入門以及取得的初步成效。本文的探索對于其它相關(guān)課程的教學改革具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：微課題；教學改革；人才培養(yǎng)

0引言

“電動力學”是物理學“四大力學”之一，也是光電信息類、應用物理等專業(yè)的必修專業(yè)基礎課程。該課程概念抽象，理論性強，定理繁多，公式復雜、方法靈活，不易掌握，并與“電磁學”、“數(shù)學物理方法”等課程互為滲透，學生在學習中感到困難，被公認為是難教、難學的一門課程[1,2]。

近年來在“電動力學”課程的教學過程中, 國內(nèi)一些高校從提高教學質(zhì)量和培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)等方面作了許多積極的探索與改革，并取得了顯著的成效。例如，南京師范大學“電動力學”課程教學組提出“培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新能力，使之逐步適應21世紀高素質(zhì)人才的需求”的設想[2]；中山大學“電動力學”課程教學組提出“基礎理論教學與科研實踐訓練、文獻研讀與討論結(jié)合”的改革思路[3]；文獻[4]提出了“電磁學”與“電動力學”兩課關(guān)聯(lián)的教學嘗試，取得了較好的教學效果。

隨著微課題在基礎教育中的應用，這一教學方式越來越受到了各類教育工作者的普遍重視[5]。從廣義上講，微課題研究是指教師把日常教育教學過程中遇到的問題即時梳理和提煉，使之成為一些小課題開展研究。主要研究教學實踐中碰到的真問題、實問題、小問題。研究時要用到課題研究方法，并有一定的學術(shù)性。適用于各種層次的教學。從狹義上講，高校微課題研究可以引伸為將教學中的某些核心內(nèi)容與科學前沿問題結(jié)合起來，用學到的知識解決科研中出現(xiàn)的新且小的問題，用學術(shù)的思想理解課本知識。與文獻[3]的改革思路相比，微課題引入課程教學的思路是將基礎理論教學內(nèi)容延伸，與科研實踐訓練融為一體，學生更容易達到“跳一跳就夠得著”的境界。因此，結(jié)合我院光電信息與工程專業(yè)本科生的培養(yǎng)目標，我們嘗試將微課題有機融入“電動力學”及相關(guān)的“數(shù)學物理方法”、“電磁學”課程的教學中，以期達到學生理論知識與實踐活動有機結(jié)合、知識建構(gòu)與能力提升同步推進的教學目標，從而實現(xiàn)創(chuàng)造性學習、創(chuàng)新性實踐的教育目的。這一嘗試是一種融合教學、科研與實踐為一體的新型教學法，本質(zhì)上是一種研究型與實踐型相結(jié)合的教學模式。

1凝練微課題題目

在進行嘗試的過程中，我們根據(jù)“電動力學”教學大綱要求，一方面將教學中遇到的一些探究性問題整理、匯總；另一方面，遴選科研中與教學內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的問題，設立微課題。例如，在講授電磁場邊值問題時，先后介紹了圓柱坐標系、球坐標系以及矩形波導中幾種不同類型的邊值問題后，結(jié)合近些年來倍受人們關(guān)注的零折射率超材料波導系統(tǒng)植入矩形、圓柱型缺陷時對波的調(diào)控，確立了一個如何在常用坐標系中求解非齊次邊值問題的微課題。該問題在本科教材中從未遇到過，但基于本科“數(shù)學物理方法”的基礎，通過引導學生開動腦筋，舉一反三，最終得到了解決。再如，我們發(fā)現(xiàn)在處理零折射率超材料波導系統(tǒng)植入圓柱型缺陷問題時，已報道的文獻中存在一些瑕疵，將此問題作為另一個微課題。從上述兩例中讓學生不僅認識到學習基礎知識的重要性，而且感受到即使科學前沿的知識也并不是遙不可及的，其實離我們只有一步之遙，觸手可及。這樣，學生學習的信心倍增，學習熱情得到了提高。從而大大促進教學效果的提升。在“電動力學”教學過程中，我們選定的部分微課題題目如下：

從麥克斯韋方程組→達朗貝爾公式→波的輻射的思想縱覽；等效媒質(zhì)理論在一維金屬-介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)的應用；光子晶體的矩陣轉(zhuǎn)移法→復雜條件下的亥姆霍茲邊值問題；電磁波在左、右手介質(zhì)界面相移特性的分析；二維超材料諧振腔問題等等。

2培養(yǎng)學生從事微課題研究的能力

培養(yǎng)本科學生具備一定的微課題素質(zhì)，不是一朝一夕的事，要循序漸進，量力而行。我們在“電動力學”教學中，著重從以下幾個方面進行了嘗試。

2.1仿真實驗的引入

“電動力學”作為基礎課和專業(yè)基礎課，學習內(nèi)容主要圍繞理論知識，但由于課程又涉及到許多光電工程應用的基礎，因此，為了加強與后續(xù)課程的融會貫通，開設一定數(shù)量的仿真實驗是很有必要的。利用HFSS(由美國Ansoft公司開發(fā)的、基于電磁場有限元法分析電磁工程問題的全波三維電磁仿真軟件)、COMSOL Multiphysics(COMSOL公司開發(fā)的、以有限元法為基礎，通過求解偏微分方程或偏微分方程組來實現(xiàn)真實物理現(xiàn)象的仿真，被譽為第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件。)等業(yè)界廣泛應用的電磁仿真軟件，通過仿真實驗，進一步增加學生對講授內(nèi)容的感性認識，提高興趣，加強理解，熟悉仿真軟件的使用，并為今后就業(yè)或繼續(xù)深造打下基礎。我們選定的部分仿真實驗題目如表1所示。

表1　 部分實驗及仿真實驗題目一覽

為了不占用課時，仿真實驗安排在課后完成。

2.2科技前沿熱點的適時補充

科研興趣是需要逐步培養(yǎng)的。通過在課堂上介紹科技前沿熱點，能激發(fā)學生的學習熱情和求知欲。我們在教學實踐中，先后將與“電動力學”課程密切相關(guān)的左手材料超常特性、零折射率電磁材料的反射與折射、光子晶體帶隙、光保角變換、表面等離激元等最新科技成果有機地融入課堂教學中，進一步增強了學生學好 “電動力學”，投身科研的興趣及信心。表2給出了課題組補充進課堂的最新科技進展和對應的教材章節(jié)。需要注意的是，在教學中補充的前沿、熱點問題不宜過多，否則會喧賓奪主，適得其反。

表2　課堂教學中增加的一些最新科技進展內(nèi)容

2.3課堂講授與課外科技活動的密切結(jié)合

探索理論教學與大學生課外科技活動的融合，是提高學生從事微課題能力的另一個重要途徑。就我校的學生而言，目前能夠參與的活動有“國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目、全國大學生電子設計競賽、山西省“挑戰(zhàn)杯”競賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽等等。課程組經(jīng)常向?qū)W生簡要介紹這些課外科技活動，并要求學生主動將課外科技活動與課程的學習結(jié)合，將活動與本課程的科技小論文結(jié)合，尋找突破點。此外，學院建設有大學生開放實驗室—將專業(yè)實驗室開放，供感興趣的學生在業(yè)余時間開發(fā)一些課堂上未做過的實驗，不僅充分利用了實驗設備，而且增強學生的動手能力與創(chuàng)新思想，將自己所學所想付諸于實際，從而提高學生的創(chuàng)新和實踐能力。學生在實驗、實踐中遇到的問題，都由專門負責的教師答疑解惑。這種做法既可以提高了學生學習與科研的主動性，也能夠鍛煉其科研素養(yǎng)。

2.4改革考核方式

課程教學中微課題最終是通過撰寫科技小論文的形式進行考核的。開學初就向?qū)W生公布與課程相關(guān)的微課題題目，鼓勵學生組隊對這些微課題進行研究，或者自己提出相關(guān)題目，并提交教師審核。題目設計要緊扣課堂教學內(nèi)容，密切聯(lián)系科研前沿，兼顧各種大學生課外科技活動項目。從2013-2014第一學期開始嘗試這一做法，已有三個學期。不少學生在完成過程中提出種種具體問題，與授課老師深入探討。也有部分學生積極參與改革，提出了一些建設性的建議。我們計劃將在以后的運行中選出一些比較好的習作，在課堂上進行點評。這種方法可以充分調(diào)動廣大學生學習的主觀能動性和創(chuàng)造性，強化其理論與實踐相結(jié)合的意識，克服死記硬背的學習方式，在講授知識的同時，也傳授了科技論文寫作的基本能力。

3初步成效及體會

經(jīng)過近三年的不斷實踐，已取得了初步的成效。本文第一作者在蘭州大學工作期間，教學團隊曾獲省、校級教學成果獎各兩項；指導本科生完成2012'國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“基于探地雷達的糧庫智能監(jiān)測系統(tǒng)”1項，順利通過驗收；本文第三作者指導2011級本科生完成的2014年度大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目“一維光子晶體的LED放射器研究”被評為我校優(yōu)秀項目；并申請(公開)發(fā)明專利2項。

在微課題開展過程中，盡管學生一開始感到棘手，甚至個別學生存在一定的畏懼心理，但由于所選的微課題既與科技前沿相關(guān)，又與其他相關(guān)課程有聯(lián)系，所以總體上還是受歡迎的。為了保證不影響課程的正常進度，我們主要安排學生利用課余時間完成訓練，課堂上只占用少量課時做交流和點評。鼓勵學生變壓力為動力，積極引導學生循序漸進。在實踐過程中，我們深深體會到：在本科生階段，學生對于科研的態(tài)度基本情況是：有動機，缺主動；有靈感，迷方向；有潛能，乏實力。所以還離不開教師的引領。而我們將微課題滲透到本科教學，使學生在學習功課的過程中漸漸接觸到了科研的精髓—“前所未有，意義非凡”。這對于培養(yǎng)本科學生的創(chuàng)新能力無疑有著深遠的影響。

4結(jié)語

本文通過將“電動力學”及其相關(guān)課程教學有機融入微課題研究，不僅使相關(guān)知識點融為一體，更能夠培養(yǎng)學生科研興趣，開闊學生的視野，激發(fā)其探索未知世界的求知欲，從而為學好與本課程相關(guān)的一些后續(xù)課程奠定良好的基礎。通過這些環(huán)節(jié)使學生對專業(yè)基礎課和專業(yè)課的關(guān)系認識到位，從而激勵學生熱愛專業(yè)。同時，將考核方式與科技前沿相結(jié)合，打破了原來單一的考核方式，從而扭轉(zhuǎn)了學生期末突擊的風氣，更能夠綜合反映學生掌握知識、運用知識的能力。通過教學、實踐、研究模式的有機結(jié)合，既給學生傳授了基本知識，又提升了實踐動手能力，達到培養(yǎng)本科學生的科研創(chuàng)新素養(yǎng)之目的。

(曹斌照等文)

參考文獻：

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[2]熊萬杰, 陸建隆. 對“電動力學”課程改革的探索[J].蘭州;高等理科教育，2003, 52 (6): 72-75.

[3]黃迺本, 李志兵, 林瓊桂,等. 電動力學研究性教學探索與實踐[J]. 北京:大學物理，2009，28 (10):51-53.

[4]崔燕嶺, 婁元成, 張培峰.電磁學與電動力學的關(guān)聯(lián)教學[J].北京: 物理通報,2010,10: 12-14.

[5]肖望, 涂紅艷. 基于“微課題研究”的植物生理學實驗教學探索[J].蘭州:高等理科教育,2014,117(5):102-105.

Teaching Practice on Integrating Mini-Scientific into Related Courses of Electrodynamics

CAO Bin-zhao, FEI Hong-ming, YANG Yi-biao, XUE Ping-ping

(CollegeofPhysicsandOptoelectronics,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Abstract:The idea of integrating mini-scientific into the course of Electrodynamics is proposedcombing with training goal of specialty of optoelectronic information science and engineering in our school. It is introduced how to select subject which is combinedwith teaching contents andto guide the students for starting.Some initial resultsare obtained, too. It has certain guiding significance to the exploration of teaching reform for other related courses.

Keywords:mini-scientific; teaching reform; talent training

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0686(2016)01-0099-04

中圖法分類號：G642.421

收稿日期:2015-04-28;修回日期:2015-06- 16基金項目:2014年度太原理工大學“本科教育教學改革項目”；2014年度高等學?！皵?shù)學物理方法”課程專業(yè)教學指導委員會研究項目[JZW-14-SL-12]。

第一作者：曹斌照(1967-)男，副教授，博士. 主要從事電磁理論、數(shù)學物理方法的教學與研究，E-mail: caobinzhao@tyut.edu.cn