借鑒新的交叉融合研究背景下的課程教學(xué)改革探索

白 璐 李艷輝

(西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

《電動(dòng)力學(xué)》課程是應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的支柱性的課程，在本科應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的人才培養(yǎng)中具有舉足輕重的作用。學(xué)好及教好電動(dòng)力學(xué)課程對應(yīng)用物理、電子信息科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)、綜合素質(zhì)的提高、學(xué)術(shù)能力的培養(yǎng)等方面都具有十分重大的意義[1]。同時(shí)，這門理論基礎(chǔ)性課程對學(xué)生的學(xué)習(xí)思維的培養(yǎng)、學(xué)習(xí)能力的提高、學(xué)習(xí)方法的掌握、知識(shí)體系的建立等各個(gè)方面都有十分明顯的作用[2-3]，因此，研究及借鑒國內(nèi)外相關(guān)的科學(xué)研究背景、建立新的交叉融合研究背景下的電動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐體系具有十分重要的意義。

1 電動(dòng)力學(xué)課程的教學(xué)改革現(xiàn)狀分析

電動(dòng)力學(xué)的研究對象是電磁場的基本屬性，涉及的主要是電磁的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及電磁場和物質(zhì)之間的相互作用。其教學(xué)內(nèi)容主要包括：宏觀經(jīng)典電磁場理論和時(shí)空四維的狹義相對論理論初步。經(jīng)典的電磁場理論部分主要包含電磁場的基本特性、宏觀電磁場的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和電磁場與物質(zhì)的相互作用等。作為“四大力學(xué)”的物理課程之一。其主要內(nèi)容涉及靜電場和靜磁場、有介質(zhì)時(shí)電磁場的極化和磁化、電磁場與電荷和電流系統(tǒng)的相互作用、電磁場的輻射、以及電磁波在自由空間及介質(zhì)界面的傳播散射等。

電動(dòng)力學(xué)課程的涉及的知識(shí)面寬，要求學(xué)生的先修課程多，對學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)體系分析問題及解決問題的能力要求高。研究的對象高度抽象，理解和掌握都存在著很多困難。因此在實(shí)際的教學(xué)過程中存在著課程本身難度大、教學(xué)過程中難學(xué)、難教等普遍現(xiàn)象。

具體表現(xiàn)在：(1)電動(dòng)力學(xué)所涉及的實(shí)驗(yàn)規(guī)律定理多且難于理解。電磁理論的建立基礎(chǔ)是基于一系列的實(shí)驗(yàn)定律，比如庫侖定律、安培環(huán)路定理、畢奧-薩伐爾定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律等，這些定律的掌握需要深入的理解電磁與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)。(2)電動(dòng)力學(xué)與數(shù)學(xué)的關(guān)系緊密，對數(shù)學(xué)的掌握要求高。電動(dòng)力學(xué)的求解常是基于矢量分析與場論、數(shù)學(xué)物理方法、高等代數(shù)與幾何等數(shù)學(xué)手段，完整理解相關(guān)概念掌握相關(guān)的理論模型并求解計(jì)算出相關(guān)的結(jié)果需要學(xué)生有較強(qiáng)的綜合理解及運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)的能力。(3)電動(dòng)力學(xué)所涉及的概念的理解比較抽象。如何深入的理解物理中的相關(guān)概念也給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來很多的困難。比如實(shí)際教學(xué)中的勢函數(shù)描述電磁場的方法，運(yùn)用矢勢和標(biāo)勢來研究電磁場；理解電位移矢量、磁感應(yīng)強(qiáng)度，掌握電磁場能量、能流密度、位移電流等物理概念；包括四維的“狹義相對論”的時(shí)空觀等，都是高度抽象不易理解的概念。

2 多學(xué)科交叉背景下電動(dòng)力學(xué)課程人才培養(yǎng)的教學(xué)改革路徑

2.1 明確專業(yè)特色融合交叉融合的學(xué)科背景

我們的課程改革實(shí)踐是依托西安電子科技大學(xué)的物理與光電工程學(xué)院的應(yīng)用物理學(xué)的本科生專業(yè)。西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院成立于2013年，目前具有物理學(xué)與光學(xué)工程兩個(gè)博士一級(jí)學(xué)科的授予權(quán)。具有光學(xué)工程、物理電子學(xué)、無線電物理與光學(xué)四個(gè)博士學(xué)位的授予點(diǎn)以及相關(guān)的6個(gè)碩士授權(quán)學(xué)科。對應(yīng)于我校應(yīng)用物理學(xué)系專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)及人才教學(xué)培養(yǎng)體系，我們在電動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐中首先是希望我們培養(yǎng)出的學(xué)生具有鮮明的專業(yè)特色和交叉融合的行業(yè)背景。另外，依托本學(xué)院學(xué)科優(yōu)勢，利用碩士及博士點(diǎn)相關(guān)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源以提供系統(tǒng)性、專業(yè)性、完備性的并與光學(xué)工程及電磁場與物質(zhì)相互作用等相關(guān)應(yīng)用學(xué)科前沿的科研發(fā)展動(dòng)態(tài)相結(jié)合的教學(xué)改革路徑，從而能有效建立起有西安電子科技大學(xué)自身專業(yè)特色的電動(dòng)力學(xué)的教學(xué)模式及體系。

2.2 強(qiáng)化多維度的教學(xué)方式及方法的探索

我們在教學(xué)過程中不斷的實(shí)踐并探索，結(jié)合電動(dòng)力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行了系統(tǒng)化的課程優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了科學(xué)合理的課程優(yōu)化設(shè)置方案：包括了重點(diǎn)突出的課程內(nèi)容銜接；課程知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系體系的建立；學(xué)習(xí)抽樣內(nèi)容的科學(xué)研究方法的傳授；數(shù)值計(jì)算及仿真技能的培養(yǎng)；課程內(nèi)容多維度依從關(guān)系的安排；科學(xué)合理的課程進(jìn)度安排以及相關(guān)的科研學(xué)術(shù)工作最新研究進(jìn)展和動(dòng)態(tài)的有機(jī)切入等多種維度上的教學(xué)方式及方法的改革和探索。

同時(shí)，將研究內(nèi)容與形式方法有機(jī)的結(jié)合，積極開展了包括：多媒體教學(xué)改革、案例教學(xué)改革、問題鏈引導(dǎo)式的教學(xué)改革探索、教學(xué)立體化建設(shè)、翻轉(zhuǎn)課堂以及雨課堂、慕課教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等，探索了多種信息化教學(xué)方式及教學(xué)手段的改革。采用學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為導(dǎo)向的教學(xué)方法和教學(xué)輔助資料等多重的引導(dǎo)方式，有效的提高了教學(xué)效率和獲得了良好的教學(xué)效果。讓電動(dòng)力學(xué)課程真正的成為學(xué)生“真心喜愛、終身受益”的課程。讓多種的教學(xué)手段能有效的幫助學(xué)生作為教學(xué)工作的主角及主題，發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，增加學(xué)生的參與感及切入感，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2.3 引入交叉融合的最新科研成果為教學(xué)工作服務(wù)

在教學(xué)實(shí)踐的過程中，我們始終堅(jiān)持教學(xué)科研相長的觀點(diǎn)，在介紹電動(dòng)力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容的過程中，常年堅(jiān)持將最新的相關(guān)科研成果及研究動(dòng)態(tài)介紹給大家。

我們科研項(xiàng)目中的問題進(jìn)行了梳理，作為課程內(nèi)容的有益補(bǔ)充，在課堂教學(xué)中注重物理公式講解中的工程應(yīng)用背景的介紹及前沿科研發(fā)展動(dòng)態(tài)的相關(guān)介紹。

例如在第五章電磁波傳播問題中，介紹到電磁波在金屬波導(dǎo)管、諧振腔等相關(guān)結(jié)構(gòu)中的傳播問題的時(shí)候，我們會(huì)介紹科研中與中國電子集團(tuán)電波傳播研究所合作的大氣波導(dǎo)的示例。大氣中的逆濕逆溫等特殊的介質(zhì)分布狀態(tài)中，會(huì)在海上或沙漠地區(qū)產(chǎn)生類似于金屬波導(dǎo)管的大氣波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在其中，電磁波可以長距離的傳輸而衰減很小，這在超視距的海上艦船目標(biāo)的探測、超低空攻防對抗等領(lǐng)域中具有著非常重要的用途。我們引入這些教學(xué)內(nèi)容是希望學(xué)生能對需要介紹的電磁波傳播的具體應(yīng)用有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，對目前課堂所學(xué)的內(nèi)容的延申背景有個(gè)基本的了解。

有比如在介紹電動(dòng)力學(xué)的第二章電磁場的電場切向連續(xù)、磁場法向連續(xù)的邊界條件的問題時(shí)，我們會(huì)介紹光學(xué)的Mie散射理論。Mie散射理論是光學(xué)學(xué)科的科研工作在解決小粒子的光散射問題中的典型應(yīng)用實(shí)例。很多的時(shí)候處理一個(gè)物理問題，可以把一個(gè)小的粒子近似的看作是球形的粒子，比如霧霾中的小的氣溶膠顆粒、雨滴的粒子、燃燒產(chǎn)生的煙塵顆粒、滴落的半融狀態(tài)的冰晶顆粒粒子，或者是生物的血細(xì)胞顆粒等等。在解決球形粒子的光散射問題的Mie理論中，典型的求解其內(nèi)部場及散射場的展開系數(shù)的過程中，就需要用到電磁場的切向邊界條件，在球的表面半徑等于球半徑的地方，利用電磁場的切向連續(xù)邊界條件建立起球坐標(biāo)系下的展開系數(shù)間的方程，從而求解出待求的散射場展開系數(shù)。在教學(xué)過程中，我們會(huì)將科研中實(shí)際應(yīng)用的球坐標(biāo)系下的電磁場邊界條件和電動(dòng)力學(xué)課本中介紹的一般矢量形式的電磁場邊界條件進(jìn)行對比介紹給同學(xué)們。

在課堂教學(xué)中我也會(huì)引入目前我正在研究進(jìn)行中的科研項(xiàng)目，比如臨近空間的高超聲速目標(biāo)的探測與識(shí)別，這些科研工作涉及物理-化學(xué)-熱力學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉研究，具有物理的研究背景、數(shù)學(xué)的研究手段等在現(xiàn)代科研發(fā)展的過程中會(huì)起到非常重要的作用。

通過教學(xué)科研中這些相關(guān)內(nèi)容的介紹，是想讓同學(xué)們了解到目前的科研工作中的實(shí)際情況就是越來越趨近于復(fù)雜的狀況，多個(gè)學(xué)科之間的交叉與融合成為了必然的選擇，每一個(gè)知識(shí)之間絕對的邊界在消失，知識(shí)體系在變得越來越復(fù)雜。只有在新的交叉融合的工科背景下構(gòu)建新的教學(xué)科研體系才更有益于人才的培養(yǎng)和鍛煉。

2.4 電動(dòng)力學(xué)課程的多維度教學(xué)內(nèi)容也為科研工作的后續(xù)探索服務(wù)

在我們的教學(xué)中也針對不同同學(xué)的后續(xù)科研或工作需要，推薦給大家國內(nèi)外的相關(guān)的優(yōu)秀教學(xué)資源。針對后續(xù)在海外留學(xué)意向的同學(xué)，我們推薦大學(xué)階段使用的電動(dòng)力學(xué)課程的教材參考書包括：Griffiths 的《Introduction to Electrodynamics》，以及Jackson 的《Classical Electrodynamics》，另外，Stratton的《Electromagnetic Theory》推薦后續(xù)在國內(nèi)從事研究的同學(xué)的課外閱讀資料包括：波恩&沃爾夫的《光學(xué)原理》等。

在課堂內(nèi)、課堂外，我們推薦大家的國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的網(wǎng)站，慕課資源，課題制作等豐富多彩的研究內(nèi)容和科研實(shí)踐活動(dòng)。下面的表1是我們針對本校多年的學(xué)生情況進(jìn)行的教學(xué)內(nèi)容與后續(xù)科研工作情況教學(xué)改革的基本情況。

表1 分類培養(yǎng)的電動(dòng)力學(xué)教學(xué)改革情況分析表

電動(dòng)力學(xué)的教學(xué)改革的目標(biāo)就是對學(xué)生的學(xué)術(shù)思想進(jìn)行啟迪、引導(dǎo)和促進(jìn)。幫助我們的應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生了解我們的專業(yè)，認(rèn)同我們的專業(yè)，在課程的學(xué)習(xí)中補(bǔ)短板、練就過硬本領(lǐng)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維和綜合應(yīng)用能力的統(tǒng)一。注重學(xué)生的學(xué)習(xí)方法、技能、技巧等方面的培養(yǎng)和提高，達(dá)到培養(yǎng)人塑造人的最終目標(biāo)。

3 總結(jié)

本文介紹了我校在依托應(yīng)用物理專業(yè)開展電動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)改革實(shí)踐中的一些思考和體會(huì)，重點(diǎn)介紹了如何在新的交叉融合的研究背景下，進(jìn)行課程教學(xué)的探索。通過對應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)多學(xué)科交叉融合背景下結(jié)合科研方向的人才培養(yǎng)方案的探索，可以為相關(guān)的多元化人才培養(yǎng)提供參考與依據(jù)。