微課題融入“電動(dòng)力學(xué)”相關(guān)課程教學(xué)實(shí)踐

曹斌照， 費(fèi)宏明， 楊毅彪， 薛萍萍

(太原理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

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微課題融入“電動(dòng)力學(xué)”相關(guān)課程教學(xué)實(shí)踐

曹斌照， 費(fèi)宏明， 楊毅彪， 薛萍萍

(太原理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

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

關(guān)鍵詞：微課題；教學(xué)改革；人才培養(yǎng)

0引言

“電動(dòng)力學(xué)”是物理學(xué)“四大力學(xué)”之一，也是光電信息類、應(yīng)用物理等專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程概念抽象，理論性強(qiáng)，定理繁多，公式復(fù)雜、方法靈活，不易掌握，并與“電磁學(xué)”、“數(shù)學(xué)物理方法”等課程互為滲透，學(xué)生在學(xué)習(xí)中感到困難，被公認(rèn)為是難教、難學(xué)的一門課程[1,2]。

近年來(lái)在“電動(dòng)力學(xué)”課程的教學(xué)過(guò)程中, 國(guó)內(nèi)一些高校從提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)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(xué)“電動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)組提出“培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力，使之逐步適應(yīng)21世紀(jì)高素質(zhì)人才的需求”的設(shè)想[2]；中山大學(xué)“電動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)組提出“基礎(chǔ)理論教學(xué)與科研實(shí)踐訓(xùn)練、文獻(xiàn)研讀與討論結(jié)合”的改革思路[3]；文獻(xiàn)[4]提出了“電磁學(xué)”與“電動(dòng)力學(xué)”兩課關(guān)聯(lián)的教學(xué)嘗試，取得了較好的教學(xué)效果。

隨著微課題在基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用，這一教學(xué)方式越來(lái)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(xué)過(guò)程中遇到的問(wèn)題即時(shí)梳理和提煉，使之成為一些小課題開展研究。主要研究教學(xué)實(shí)踐中碰到的真問(wèn)題、實(shí)問(wèn)題、小問(wèn)題。研究時(shí)要用到課題研究方法，并有一定的學(xué)術(shù)性。適用于各種層次的教學(xué)。從狹義上講，高校微課題研究可以引伸為將教學(xué)中的某些核心內(nèi)容與科學(xué)前沿問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，用學(xué)到的知識(shí)解決科研中出現(xiàn)的新且小的問(wèn)題，用學(xué)術(shù)的思想理解課本知識(shí)。與文獻(xiàn)[3]的改革思路相比，微課題引入課程教學(xué)的思路是將基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容延伸，與科研實(shí)踐訓(xùn)練融為一體，學(xué)生更容易達(dá)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(biāo)，我們嘗試將微課題有機(jī)融入“電動(dòng)力學(xué)”及相關(guān)的“數(shù)學(xué)物理方法”、“電磁學(xué)”課程的教學(xué)中，以期達(dá)到學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)踐活動(dòng)有機(jī)結(jié)合、知識(shí)建構(gòu)與能力提升同步推進(jìn)的教學(xué)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性學(xué)習(xí)、創(chuàng)新性實(shí)踐的教育目的。這一嘗試是一種融合教學(xué)、科研與實(shí)踐為一體的新型教學(xué)法，本質(zhì)上是一種研究型與實(shí)踐型相結(jié)合的教學(xué)模式。

1凝練微課題題目

在進(jìn)行嘗試的過(guò)程中，我們根據(jù)“電動(dòng)力學(xué)”教學(xué)大綱要求，一方面將教學(xué)中遇到的一些探究性問(wèn)題整理、匯總；另一方面，遴選科研中與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，設(shè)立微課題。例如，在講授電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題時(shí)，先后介紹了圓柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系以及矩形波導(dǎo)中幾種不同類型的邊值問(wèn)題后，結(jié)合近些年來(lái)倍受人們關(guān)注的零折射率超材料波導(dǎo)系統(tǒng)植入矩形、圓柱型缺陷時(shí)對(duì)波的調(diào)控，確立了一個(gè)如何在常用坐標(biāo)系中求解非齊次邊值問(wèn)題的微課題。該問(wèn)題在本科教材中從未遇到過(guò)，但基于本科“數(shù)學(xué)物理方法”的基礎(chǔ)，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生開動(dòng)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(dǎo)系統(tǒng)植入圓柱型缺陷問(wèn)題時(shí)，已報(bào)道的文獻(xiàn)中存在一些瑕疵，將此問(wèn)題作為另一個(gè)微課題。從上述兩例中讓學(xué)生不僅認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的重要性，而且感受到即使科學(xué)前沿的知識(shí)也并不是遙不可及的，其實(shí)離我們只有一步之遙，觸手可及。這樣，學(xué)生學(xué)習(xí)的信心倍增，學(xué)習(xí)熱情得到了提高。從而大大促進(jìn)教學(xué)效果的提升。在“電動(dòng)力學(xué)”教學(xué)過(guò)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(dá)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(yīng)用；光子晶體的矩陣轉(zhuǎn)移法→復(fù)雜條件下的亥姆霍茲邊值問(wèn)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(wèn)題等等。

2培養(yǎng)學(xué)生從事微課題研究的能力

培養(yǎng)本科學(xué)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(jìn)，量力而行。我們?cè)凇半妱?dòng)力學(xué)”教學(xué)中，著重從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了嘗試。

2.1仿真實(shí)驗(yàn)的引入

“電動(dòng)力學(xué)”作為基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)內(nèi)容主要圍繞理論知識(shí)，但由于課程又涉及到許多光電工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此，為了加強(qiáng)與后續(xù)課程的融會(huì)貫通，開設(shè)一定數(shù)量的仿真實(shí)驗(yàn)是很有必要的。利用HFSS(由美國(guó)Ansoft公司開發(fā)的、基于電磁場(chǎng)有限元法分析電磁工程問(wèn)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(chǔ)，通過(guò)求解偏微分方程或偏微分方程組來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真，被譽(yù)為第一款真正的任意多物理場(chǎng)直接耦合分析軟件。)等業(yè)界廣泛應(yīng)用的電磁仿真軟件，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步增加學(xué)生對(duì)講授內(nèi)容的感性認(rèn)識(shí)，提高興趣，加強(qiáng)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(chǔ)。我們選定的部分仿真實(shí)驗(yàn)題目如表1所示。

表1　 部分實(shí)驗(yàn)及仿真實(shí)驗(yàn)題目一覽

為了不占用課時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)安排在課后完成。

2.2科技前沿?zé)狳c(diǎn)的適時(shí)補(bǔ)充

科研興趣是需要逐步培養(yǎng)的。通過(guò)在課堂上介紹科技前沿?zé)狳c(diǎn)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲。我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中，先后將與“電動(dòng)力學(xué)”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(jī)地融入課堂教學(xué)中，進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)好 “電動(dòng)力學(xué)”，投身科研的興趣及信心。表2給出了課題組補(bǔ)充進(jìn)課堂的最新科技進(jìn)展和對(duì)應(yīng)的教材章節(jié)。需要注意的是，在教學(xué)中補(bǔ)充的前沿、熱點(diǎn)問(wèn)題不宜過(guò)多，否則會(huì)喧賓奪主，適得其反。

表2　課堂教學(xué)中增加的一些最新科技進(jìn)展內(nèi)容

2.3課堂講授與課外科技活動(dòng)的密切結(jié)合

探索理論教學(xué)與大學(xué)生課外科技活動(dòng)的融合，是提高學(xué)生從事微課題能力的另一個(gè)重要途徑。就我校的學(xué)生而言，目前能夠參與的活動(dòng)有“國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、山西省“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽、“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽等等。課程組經(jīng)常向?qū)W生簡(jiǎn)要介紹這些課外科技活動(dòng)，并要求學(xué)生主動(dòng)將課外科技活動(dòng)與課程的學(xué)習(xí)結(jié)合，將活動(dòng)與本課程的科技小論文結(jié)合，尋找突破點(diǎn)。此外，學(xué)院建設(shè)有大學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)室—將專業(yè)實(shí)驗(yàn)室開放，供感興趣的學(xué)生在業(yè)余時(shí)間開發(fā)一些課堂上未做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，不僅充分利用了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而且增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新思想，將自己所學(xué)所想付諸于實(shí)際，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐中遇到的問(wèn)題，都由專門負(fù)責(zé)的教師答疑解惑。這種做法既可以提高了學(xué)生學(xué)習(xí)與科研的主動(dòng)性，也能夠鍛煉其科研素養(yǎng)。

2.4改革考核方式

課程教學(xué)中微課題最終是通過(guò)撰寫科技小論文的形式進(jìn)行考核的。開學(xué)初就向?qū)W生公布與課程相關(guān)的微課題題目，鼓勵(lì)學(xué)生組隊(duì)對(duì)這些微課題進(jìn)行研究，或者自己提出相關(guān)題目，并提交教師審核。題目設(shè)計(jì)要緊扣課堂教學(xué)內(nèi)容，密切聯(lián)系科研前沿，兼顧各種大學(xué)生課外科技活動(dòng)項(xiàng)目。從2013-2014第一學(xué)期開始嘗試這一做法，已有三個(gè)學(xué)期。不少學(xué)生在完成過(guò)程中提出種種具體問(wèn)題，與授課老師深入探討。也有部分學(xué)生積極參與改革，提出了一些建設(shè)性的建議。我們計(jì)劃將在以后的運(yùn)行中選出一些比較好的習(xí)作，在課堂上進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。這種方法可以充分調(diào)動(dòng)廣大學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性，強(qiáng)化其理論與實(shí)踐相結(jié)合的意識(shí)，克服死記硬背的學(xué)習(xí)方式，在講授知識(shí)的同時(shí)，也傳授了科技論文寫作的基本能力。

3初步成效及體會(huì)

經(jīng)過(guò)近三年的不斷實(shí)踐，已取得了初步的成效。本文第一作者在蘭州大學(xué)工作期間，教學(xué)團(tuán)隊(duì)曾獲省、校級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)各兩項(xiàng)；指導(dǎo)本科生完成2012'國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于探地雷達(dá)的糧庫(kù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”1項(xiàng)，順利通過(guò)驗(yàn)收；本文第三作者指導(dǎo)2011級(jí)本科生完成的2014年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目“一維光子晶體的LED放射器研究”被評(píng)為我校優(yōu)秀項(xiàng)目；并申請(qǐng)(公開)發(fā)明專利2項(xiàng)。

在微課題開展過(guò)程中，盡管學(xué)生一開始感到棘手，甚至個(gè)別學(xué)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(jìn)度，我們主要安排學(xué)生利用課余時(shí)間完成訓(xùn)練，課堂上只占用少量課時(shí)做交流和點(diǎn)評(píng)。鼓勵(lì)學(xué)生變壓力為動(dòng)力，積極引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)。在實(shí)踐過(guò)程中，我們深深體會(huì)到：在本科生階段，學(xué)生對(duì)于科研的態(tài)度基本情況是：有動(dòng)機(jī)，缺主動(dòng)；有靈感，迷方向；有潛能，乏實(shí)力。所以還離不開教師的引領(lǐng)。而我們將微課題滲透到本科教學(xué)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)功課的過(guò)程中漸漸接觸到了科研的精髓—“前所未有，意義非凡”。這對(duì)于培養(yǎng)本科學(xué)生的創(chuàng)新能力無(wú)疑有著深遠(yuǎn)的影響。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)將“電動(dòng)力學(xué)”及其相關(guān)課程教學(xué)有機(jī)融入微課題研究，不僅使相關(guān)知識(shí)點(diǎn)融為一體，更能夠培養(yǎng)學(xué)生科研興趣，開闊學(xué)生的視野，激發(fā)其探索未知世界的求知欲，從而為學(xué)好與本課程相關(guān)的一些后續(xù)課程奠定良好的基礎(chǔ)。通過(guò)這些環(huán)節(jié)使學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的關(guān)系認(rèn)識(shí)到位，從而激勵(lì)學(xué)生熱愛(ài)專業(yè)。同時(shí)，將考核方式與科技前沿相結(jié)合，打破了原來(lái)單一的考核方式，從而扭轉(zhuǎn)了學(xué)生期末突擊的風(fēng)氣，更能夠綜合反映學(xué)生掌握知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)的能力。通過(guò)教學(xué)、實(shí)踐、研究模式的有機(jī)結(jié)合，既給學(xué)生傳授了基本知識(shí)，又提升了實(shí)踐動(dòng)手能力，達(dá)到培養(yǎng)本科學(xué)生的科研創(chuàng)新素養(yǎng)之目的。

(曹斌照等文)

參考文獻(xiàn)：

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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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0686(2016)01-0099-04

中圖法分類號(hào)：G642.421

收稿日期:2015-04-28;修回日期:2015-06- 16基金項(xiàng)目:2014年度太原理工大學(xué)“本科教育教學(xué)改革項(xiàng)目”；2014年度高等學(xué)?！皵?shù)學(xué)物理方法”課程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)研究項(xiàng)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(xué)物理方法的教學(xué)與研究，E-mail: caobinzhao@tyut.edu.cn