“兩課融合”背景下的電磁場(chǎng)與電磁波課程教學(xué)設(shè)計(jì)新思路*

趙馨穎

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710119)

嚴(yán)渭青

(陜西科技大學(xué)電子信息與人工智能學(xué)院 陜西 西安 710021)

王 芳

(包頭師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古 包頭 014030)

梁 健 任立勇

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710119)

1 引言

1.1 研究意義及背景

近年來,國(guó)內(nèi)大部分高校施行的考核體制要求青年教師同時(shí)扮演教師和科研人員兩個(gè)角色[1].以國(guó)內(nèi)985高校為例,目前主流考核制度為“準(zhǔn)聘-長(zhǎng)聘”制,即要求青年教師在首聘期內(nèi)獲得職稱晉升才能獲得長(zhǎng)聘資格.其他如東南沿海普通高校或中西部211高校的考核制度,雖然不要求青年教師在首聘期內(nèi)獲得職稱晉升,但是需要通過聘期考核,如無法通過則需要離職.而無論“準(zhǔn)聘-長(zhǎng)聘”制或首聘考核制,其內(nèi)容通常包括了教學(xué)考核和科研考核.其中,教學(xué)考核包括了師德師風(fēng)評(píng)價(jià)、教學(xué)工作量、教學(xué)論文以及主持參與教改項(xiàng)目等.科研考核通常與國(guó)家科學(xué)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)一致,包括完成課題、論文、著作、科技成果專利等.然而對(duì)于在教學(xué)上毫無經(jīng)驗(yàn)、在科研上初出茅廬的青年教師來說,教學(xué)和科研往往都需要投入大量的時(shí)間和精力,青年教師很難兩者兼得.因此如何處理教學(xué)與科研工作所面臨的矛盾與沖突、分配兩者的時(shí)間和精力成為了考驗(yàn)青年教師最主要的問題.

雖然高等院校與科研機(jī)構(gòu)不同,其主要任務(wù)是教書育人,但是實(shí)踐中教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)成果很難量化評(píng)價(jià)且受到很強(qiáng)的主觀因素干擾,教師在教學(xué)中的隱形投入很可能無法得到回報(bào).與之相反,科研成果具有明確的量化指標(biāo),同時(shí)各高校又需要科研成果提升自己的排名及知名度,因此實(shí)踐中高校的考核通常向科研成果傾斜.這也就導(dǎo)致了青年教師“輕教學(xué)、重科研”的結(jié)果.而導(dǎo)致這種失衡結(jié)果最主要的原因是將教學(xué)與科研獨(dú)立開來.其實(shí),科研與教學(xué)并不完全對(duì)立,甚至可以說是相輔相成、相互促進(jìn)的[2].《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020)》中對(duì)高等教育的發(fā)展提出,在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和提升科學(xué)研究水平方面要“促進(jìn)科研與教學(xué)互動(dòng)”.以科學(xué)研究的成果豐富課堂教學(xué)的內(nèi)容,課堂教學(xué)的理論內(nèi)容加固科學(xué)研究的基礎(chǔ),即科學(xué)研究與課堂教學(xué)的“兩課融合”成為目前高等教育的一大特色與重要背景.

1.2 電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)現(xiàn)狀

電磁場(chǎng)與電磁波是物理學(xué)專業(yè)、電子信息專業(yè)中一門理論性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛的專業(yè)核心課程[3].其教學(xué)內(nèi)容涉及矢量分析、麥克斯韋方程組、靜態(tài)場(chǎng)特性分析、電磁波的傳播規(guī)律及電磁波的輻射原理等.該課程以學(xué)生前期所學(xué)的“高等數(shù)學(xué)”“復(fù)變函數(shù)”等課程內(nèi)容為基礎(chǔ),同時(shí)也是學(xué)生后續(xù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)“天線技術(shù)” “微波技術(shù)”“無線通信”等課程的理論基礎(chǔ),因此,成為了國(guó)內(nèi)外眾多高校電子信息類相關(guān)專業(yè)課程體系中不可或缺的組成部分,并且在導(dǎo)航、通信、遙感、測(cè)控、雷達(dá)等應(yīng)用領(lǐng)域有著重要的理論指導(dǎo)作用.然而該課程具有理論性強(qiáng)、晦澀難懂、數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜等特點(diǎn),需要學(xué)生洞察物理現(xiàn)象并使用矢量分析、微分方程等數(shù)學(xué)工具進(jìn)行建模分析,因此,對(duì)學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)要求較高.此外,該課程內(nèi)容邏輯嚴(yán)謹(jǐn),學(xué)生很容易因?yàn)槠渲幸徊糠謨?nèi)容的概念沒理解透徹而導(dǎo)致后續(xù)課程如同聽“天書”,是名副其實(shí)的老師難教、學(xué)生難學(xué)的課程[4].而傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要依靠教師課堂講授,學(xué)生被動(dòng)接受,這種教學(xué)模式更不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性,影響教學(xué)效果.

2 “兩課融合”教學(xué)模式理論基礎(chǔ)

“兩課融合”教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心,借助探索科研項(xiàng)目的情景啟發(fā),在解決科研問題的過程中激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性、探索精神和創(chuàng)新性,使其充分理解所要掌握的理論內(nèi)容[5].“兩課融合”教學(xué)模式實(shí)施要點(diǎn)為通過教師在授課過程中提出日常生活、工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題,引導(dǎo)學(xué)生思考、互相討論,啟發(fā)學(xué)生聯(lián)系電磁場(chǎng)與電磁波的相關(guān)內(nèi)容,使學(xué)生原有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)得到進(jìn)一步完善、提升.隨后通過教師總結(jié)并引入與課程內(nèi)容相關(guān)的課題研究與研究成果,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的興趣和好奇心,讓學(xué)生在“做”的過程中“學(xué)”,并提出有待進(jìn)一步研究和探索的新問題,激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)問題的深入探究,為培育創(chuàng)造型、應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ).

3 “兩課融合”教學(xué)模式在課程中的應(yīng)用

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)新思路

兩課融合案例:飛機(jī)上的“隱形衣”

平面波傳播特性是電磁場(chǎng)與電磁波課程的重要內(nèi)容,其中計(jì)算平面波對(duì)理想介質(zhì)分界面的入射更是計(jì)算軍事作戰(zhàn)飛機(jī)散射特性、實(shí)現(xiàn)電磁隱身的理論基礎(chǔ).

根據(jù)“兩課融合”教學(xué)模式,在課堂導(dǎo)入過程中,通過神話故事、科幻電影及軍事戰(zhàn)爭(zhēng)等,引出隱身——這種非常神秘的超能力,并請(qǐng)學(xué)生們思考:什么是隱身?隱身有什么特點(diǎn)?從數(shù)學(xué)和物理角度討論怎樣實(shí)現(xiàn)電磁隱身?經(jīng)過學(xué)生思考、互相討論得到初步結(jié)論,由教師通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出隱身時(shí)反射系數(shù)和傳輸系數(shù)需要滿足的條件,PPT展示總結(jié)結(jié)論,完成課本內(nèi)容的講授.課程總結(jié)階段,教師提出目前隱身技術(shù)存在的問題,引發(fā)學(xué)生思考,結(jié)合最新科研成果來進(jìn)一步延伸教學(xué)內(nèi)容,激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)問題的深入探究.

(1)“兩課融合”科研項(xiàng)目——蜂窩電磁結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的隱身技術(shù)包括外形整體設(shè)計(jì)、涂覆吸波材料、表面阻抗加載等.蜂窩結(jié)構(gòu)作為骨架來設(shè)計(jì)吸波材料,可形成既能承受載荷又能吸收雷達(dá)波的雙重功能吸波材料,受到航空、航天等領(lǐng)域的關(guān)注.進(jìn)而向?qū)W生介紹蜂窩電磁結(jié)構(gòu),如圖1所示.

圖1 正六邊形蜂窩孔

圖1中r為蜂窩單元x方向尺寸,z方向?yàn)榭v向方向,w表示骨架材料的厚度,骨架和芯體的介電常數(shù)不相同.因?yàn)閷W(xué)生已完成“平面波對(duì)理想介質(zhì)分界面的入射”這一教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí),這時(shí)提出問題引導(dǎo)學(xué)生思考和討論:平面波對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的入射其反射和折射怎么計(jì)算?這里的核心問題是什么?

教師總結(jié):通過對(duì)比平面波對(duì)理想介質(zhì)分界面的入射,可以發(fā)現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)由骨架和芯體兩部分組成,如何計(jì)算蜂窩結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)則是計(jì)算平面波對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)入射的核心問題.而目前蜂窩結(jié)構(gòu)的等效電磁模型主要有SFT模型[22]和HS模型[24],即將蜂窩結(jié)構(gòu)等效為均勻介質(zhì)模型(圖2),問題簡(jiǎn)化為平面波對(duì)理想介質(zhì)分界面的入射,請(qǐng)學(xué)生們計(jì)算反射系數(shù)和透射系數(shù),并進(jìn)一步討論隱身?xiàng)l件.提出問題:如何檢驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果是否正確?

圖2 蜂窩結(jié)構(gòu)單元和等效均勻材料

(2)科研項(xiàng)目深入探究——計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)

科學(xué)研究經(jīng)常受到科研經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)條件等因素限制而無法完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,理論教學(xué)過程中更難直接通過實(shí)驗(yàn)操作完成教學(xué)內(nèi)容.而Matlab、HFSS、CST等電磁場(chǎng)仿真軟件則可以通過設(shè)置邊界條件、介質(zhì)模型參數(shù)、電磁波傳播方向等來模擬仿真電磁波傳播的動(dòng)態(tài)過程[6](圖2),在教學(xué)過程中引入仿真結(jié)果,有助于學(xué)生更好地理解平面波對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的入射.

蜂窩結(jié)構(gòu)電磁隱身的實(shí)例通過采用電磁仿真軟件HFSS建立蜂窩結(jié)構(gòu)的仿真模型如圖3所示,設(shè)置不同蜂窩厚度、碳黑涂覆厚度、骨架材料和芯體材料的電磁參數(shù),獲得平面波對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的反射系數(shù),與將蜂窩結(jié)構(gòu)等效均勻介質(zhì)材料計(jì)算的反射系數(shù)理論結(jié)果對(duì)比,如圖4所示,驗(yàn)證學(xué)生自己的計(jì)算結(jié)果.

圖3 蜂窩結(jié)構(gòu)仿真模型

圖4 仿真結(jié)果與等效模型對(duì)比圖

3.2 教學(xué)效果分析

(1)終期考試成績(jī)分析

在期末考試卷面的計(jì)算題中設(shè)置含有兩課融合案例章節(jié)與不含兩課融合案例章節(jié)兩道題(各10分),其中含有兩課融合案例章節(jié)采用本文的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行講授,而不含兩課融合案例章節(jié)則采用傳統(tǒng)講授法與課堂討論法.經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),學(xué)生對(duì)含有兩課融合案例章節(jié)題目的得分平均分為6.7分,而不含兩課融合章節(jié)題目的平均得分僅有4.2分,說明學(xué)生對(duì)含有兩課融合章節(jié)內(nèi)容的理解與得分明顯高于不含兩課融合案例章節(jié)部分.

(2)教學(xué)反饋調(diào)查

98.2%的學(xué)生對(duì)含有兩課融合案例章節(jié)的教學(xué)質(zhì)量表示滿意,其中課外延展內(nèi)容讓學(xué)生初步嘗試了對(duì)仿真軟件的使用,加深了學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波專業(yè)的興趣.96.5%的學(xué)生表示兩課融合幫助其更好地理解課本內(nèi)容,教學(xué)效果好于傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容.

4 結(jié)束語

“電磁場(chǎng)與電磁波”課程是電子信息專業(yè)類學(xué)生最重要的專業(yè)核心課程之一,筆者在2020年至2023年春季學(xué)期運(yùn)用本文所述兩課融合案例進(jìn)行課程教學(xué)的嘗試,從課堂導(dǎo)入、思考討論到深入探索科學(xué)問題,使學(xué)生深度參與了教學(xué)過程,教學(xué)效果良好.培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力,并幫助學(xué)生建立起基本科學(xué)研究的思維過程.學(xué)生在科學(xué)探究中提出的問題與思想碰撞也幫助筆者重新建立新的科學(xué)問題,擴(kuò)展知識(shí)面,進(jìn)行更深入的科學(xué)研究.