基于科研與教學互促的教學改革研究

李 彤，梁賢干，李偉釗

（長沙理工大學物理與電子科學學院，湖南 長沙 410114）

隨著現(xiàn)代電子科學技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的數(shù)量及種類不斷增加，電磁環(huán)境（EME）也日趨復雜，改善系統(tǒng)間的電磁兼容性就顯得越來越重要。電磁兼容理論的飛速發(fā)展，使其在IT信息技術(shù)領(lǐng)域、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛運用?！峨姶偶嫒堇碚撆c設(shè)計》是電子專業(yè)學生重要的專業(yè)選修課程之一，本門課程注重理論知識的講解，同時也要對實際案例中的電磁兼容情況進行詳細分析。因此，學生參與學習的過程中，不僅要掌握電磁兼容的理論知識，而且需要了解電磁兼容技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)應用成果。

結(jié)合時代發(fā)展的趨勢，我們需要在傳統(tǒng)教學方式的基礎(chǔ)上，為《電磁兼容理論與設(shè)計》這門課程注入新活力。習近平總書記在文章《努力成為世界主要科學中心和創(chuàng)新高地》中強調(diào)了培養(yǎng)創(chuàng)新性科研人才的重要性[1]。我們可以通過將科研引入課堂的方式，鼓勵學生在學習理論基礎(chǔ)的同時，拓寬其學術(shù)視野，激發(fā)其探索新鮮事物的精神。探索科研參與課堂、課堂反哺科研的教學方式，更有利于為社會的發(fā)展培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

1 樹立教學與科研并重的思想

教學是科研的基礎(chǔ)，能夠指引并促進科研的發(fā)展。科研是教學的目的，對教學具有反饋作用?？蒲杏兄诮虒W系統(tǒng)的完善，促進教學內(nèi)容的改革，提高教學質(zhì)量；能夠幫助學生進一步了解科學，增強學習積極性，明確發(fā)展目標?？茖W合理地把握好教學與科研的關(guān)系，通過以教學推動科研，以科研促進教學，以相輔相成的關(guān)系形成教學與科研的良性互動，促進二者共同發(fā)展，對于提高教師總體水平、提高教學質(zhì)量都是非常關(guān)鍵的[2]。

與前輩教師不同的是，青年教師進入課堂的時間較短，對于如何上好課、教好學生及管理課堂等，尚處于磨合的階段。因此，在青年教師的課堂中，更有利于探索和實現(xiàn)科研與教學相結(jié)合的新型教學模式。其一，青年教師可以把與自身相關(guān)的科學研究成果和方法引入和滲透到教學環(huán)節(jié)中，將科研課題分解后作為教學案例在課堂中進行研究性教學。其二，青年教師與學生年齡差距不大，與學生能夠進行良好的溝通，借此吸引學生參與科研課題中以培養(yǎng)他們的思維邏輯能力。以大學生科研創(chuàng)新平臺為依托，建立科研創(chuàng)新項目小組，促進教學與科研的有機結(jié)合，以此提高教學質(zhì)量和學生的綜合素質(zhì)。其三，科研創(chuàng)新項目又能反向拓寬學生的學術(shù)視野，幫助他們了解更多前沿科研動態(tài)，從而進一步確定自己的興趣方向，以興趣帶動學習更有利于發(fā)揮自身的主觀能動性，成為新時代下社會發(fā)展所需的創(chuàng)新型人才[3]。

2 科研融入教學的方式

《電磁兼容理論與設(shè)計》是電子專業(yè)的重要選修專業(yè)課程之一，設(shè)置為2學分/32課時。主要采用多媒體教學，重點介紹電磁兼容的理論知識部分，并穿插電磁兼容案例分析，依次講解：電磁兼容概論、電磁干擾源、電磁干擾的耦合與傳播、接地與搭接技術(shù)、屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)等基本知識，分析不同器件之間由于電磁兼容帶來的各項效應，同時配置相關(guān)視頻演示資料。由于所講解課程多為理論知識部分，對學生來說難免枯燥。從改革教學模式、調(diào)動課堂氛圍、提高學習積極性的角度出發(fā)，筆者考慮在傳統(tǒng)課堂中，增加學生分享科技文獻的環(huán)節(jié)，提高學生的課堂參與度[4]。

為了使學生進一步理解電磁兼容理論知識并鍛煉學生的自主學習能力，在課堂中不妨以學生為主體，在理論課堂的講解中穿插學生自主分享科技文獻的環(huán)節(jié)，以此使學生更快地融入到課堂氛圍之中，更為廣泛的了解電磁兼容前沿成果。筆者為此準備了多篇與電磁兼容相關(guān)的文獻供學生們自主選擇，學生也可選擇與其所感興趣研究方向相關(guān)的電磁兼容性文獻進行分享，時間安排為每次課程的第二大節(jié)課，每次匯報時間安排約為20分鐘，并會在每名學生匯報分享文獻內(nèi)容之后，鼓勵其他同學對分享內(nèi)容進行提問和分析，既能讓全體學生學習到閱讀科研文獻的方法，也能讓他們更為全面的理解課堂內(nèi)容所涉及的各個領(lǐng)域的相關(guān)應用。

除此以外，筆者還將此環(huán)節(jié)列入課程的考核要求之中，既鼓勵學生在教師的引導下結(jié)合興趣進行自主學習，又從一定程度上對分享內(nèi)容進行合理、科學的約束，鍛煉了學生的邏輯思維能力。通過以上考核方法，能夠打破傳統(tǒng)課堂以單一的考試方式考核學生掌握課堂內(nèi)容的局限性，綜合測評了學生對課程內(nèi)容的掌握程度，及學生自主學習、科技文獻閱讀、知識分享及分析問題的能力，為下一階段的科研學習打下良好的基礎(chǔ)。

3 教學帶動科研的方式

無線電電子設(shè)備的電磁兼容性是指發(fā)射機和接收機在受到干擾時在實際環(huán)境中以所需水準運行的能力。在設(shè)計電子設(shè)備時，考慮到其電磁兼容性，需要采取一定的防護手段。這些技術(shù)措施可以確保設(shè)備的內(nèi)部抗擾度，也可對電子設(shè)備運行期間可能出現(xiàn)的外部影響進行抗干擾處理[5]，那么設(shè)備之間的電磁屏蔽就顯得尤為重要。吸收器可作為實現(xiàn)電磁屏蔽的方法之一，筆者結(jié)合自身科研項目的情況，可就如何利用微納光學結(jié)構(gòu)設(shè)計吸收器實現(xiàn)電磁屏蔽的內(nèi)容融入教學中，幫助學生深刻理解電磁屏蔽技術(shù)在前沿科學中的應用。

3.1 電磁屏蔽的原理

電磁屏蔽的原理就是當電磁波到達屏蔽體表面時，由于電介質(zhì)和屏蔽層的交界面上阻抗不連續(xù)（二者波阻抗不相同），電磁波的一部分能量被反射掉，另一部分進入屏蔽體并在傳播的過程中受到衰減，也就是所謂的吸收。在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的能量，會由于反射傳到材料的另一表面，而且是連續(xù)、多次的，這也就意味著對電磁波能量的吸收也是多次的。電磁屏蔽是利用屏蔽體對電磁波的吸收、反射來達到減弱干擾能量的作用，也就是切斷電磁波的耦合途徑。在這個過程中，影響吸收器性能的主要因素是吸收器的尖端、襯底的形狀及介電常數(shù)，這與影響微納光吸收器性能的因素是一致的。

3.2 微納結(jié)構(gòu)吸收器的原理

微納光吸收器對電磁波的吸收機理與實現(xiàn)電磁屏蔽的機理類似。微納光吸收器大多采用金屬—介質(zhì)—金屬的三明治結(jié)構(gòu)，電磁波的入射在結(jié)構(gòu)頂層會形成一個反射效果，但為了增加吸收器的吸收率，一般采用的設(shè)計是使得該反射率近乎為零。未被反射的部分進入器件內(nèi)部，在中間介質(zhì)層中形成電磁振蕩，實現(xiàn)部分電磁波的吸收。未被吸收的能量又會因為底部金屬層起到的阻隔作用，使其反射回中間介質(zhì)層中實現(xiàn)再一次吸收，如此反復在器件內(nèi)進行多次吸收從而實現(xiàn)完美吸收的效果。

3.3 教學反哺科研

基于電磁兼容的相關(guān)理論知識，筆者設(shè)計了一種基于埋在氮化硅間隔物中的雙層金屬光柵陣列的偏振選擇性雙向吸收器，設(shè)計的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對666 nm附近的TM偏振光波的偏振選擇性吸收[6]。在垂直照明下，器件在正（反）向光入射下的吸收效率超過95%（77%），并且當入射光傾斜角達到30°時，正（反）向光入射下的吸收效率仍然超過80%（77%）。所設(shè)計器件針對線性偏振光具有良好的吸收效應，對于光學防偽、光電探測、光學傳感及熱輻射等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要作用，能夠積極推動光學在信息、材料、能源和生物等學科中的交叉應用。

4 結(jié)語

本文以電子專業(yè)課程《電磁兼容理論與設(shè)計》為例，對科研與教學互促的教學改革方法進行了分析、討論和實踐。通過教學模式改革：一方面，從學生的角度出發(fā)，不再是單方面從課堂中理解和掌握理論知識，而是需要主動參與到新知識的挖掘過程中，相互分享討論從而拓寬學術(shù)視野；另一方面，對青年教師而言也能將課程理論融入科研項目中，提取新思路進行科研創(chuàng)新后再反哺課堂，幫助學生更加全面的理解課堂理論。