“電磁場與電磁波”榮譽(yù)課程設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐

萬 玲， 胡 鶴

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130021)

0 引言

榮譽(yù)課程建設(shè)和榮譽(yù)計(jì)劃實(shí)施是為優(yōu)秀本科生提供的一種專門、個性化的培養(yǎng)模式，在美國已有近百年的發(fā)展歷史，為美國培養(yǎng)了大批拔尖創(chuàng)新人才[1～3]。近年來，清華大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)等率先試點(diǎn)制定了榮譽(yù)培養(yǎng)計(jì)劃，學(xué)生在學(xué)習(xí)一定數(shù)量的富有“挑戰(zhàn)性”的榮譽(yù)課程和榮譽(yù)計(jì)劃的全部培養(yǎng)環(huán)節(jié)后，即可獲得榮譽(yù)學(xué)位，推動了我國榮譽(yù)教育的發(fā)展。2019年，為更好培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型儀器類專業(yè)人才，推進(jìn)建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科的發(fā)展戰(zhàn)略，我校儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院開啟了榮譽(yù)課程建設(shè)計(jì)劃。“電磁場與電磁波”作為學(xué)院開設(shè)的首門榮譽(yù)課程，進(jìn)行了系列因材施教的教學(xué)模式和教學(xué)方法改革初探。

以往“電磁場與電磁波”教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生傾向于把理論推演看成是抽象的概念，著重于把一些方程當(dāng)做“公式”去記憶。公式的繁多，很容易使學(xué)生感到畏懼，并失去對電磁場理論學(xué)習(xí)的興趣。基于此問題及榮譽(yù)課程學(xué)生特點(diǎn)，作者以專題形式優(yōu)化整合了教學(xué)內(nèi)容，開展了“研討+項(xiàng)目驅(qū)動式”教學(xué)方法，并實(shí)施了電磁場理論應(yīng)用的中外聯(lián)合教學(xué)，幫助學(xué)生有效的認(rèn)識和理解“模糊概念”和“公式”，提高課程效果。

1 教學(xué)內(nèi)容專題式優(yōu)化

作者通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，國際上各高校的電磁場課程教學(xué)內(nèi)容方面有著明顯的不同。以美國休斯頓大學(xué)為例，課程主要講述靜態(tài)場和時變電磁場的基本性質(zhì)、典型分析方法，休斯頓大學(xué)設(shè)置兩門課程共96學(xué)時來講述該內(nèi)容[4]。而目前國內(nèi)高校“電磁場與電磁波”課程學(xué)時較短，以我校儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院為例，現(xiàn)授課時長僅36學(xué)時，因此在課程建設(shè)中將充分利用教學(xué)體系中相關(guān)課程內(nèi)容交叉以及重疊的特性，在教學(xué)內(nèi)容和深度方面進(jìn)行合理考量，打破了傳統(tǒng)章節(jié)式教學(xué)方法，以專題形式重新安排教學(xué)內(nèi)容。共設(shè)計(jì)了六個專題，專題內(nèi)容如表1所示。

表1 專題式教學(xué)內(nèi)容概況

在教材選擇方面，以往“電磁場與電磁波”課程采用一本指定教材，5本推薦參考教材的方式，但從實(shí)際教學(xué)來看，大多數(shù)學(xué)生習(xí)慣于只看指定教材，只有部分同學(xué)選擇看2、3本參考教材，幾乎沒有學(xué)生看過全部推薦教材[4]。因此，授課教師根據(jù)專題內(nèi)容，結(jié)合多本參考教材，編制了課程講義，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

2 教學(xué)方法設(shè)計(jì)

2.1 “研討+項(xiàng)目驅(qū)動式”教學(xué)方法

“研討+項(xiàng)目驅(qū)動式”教學(xué)方法，將抽象的電磁場理論概念具象化，將繁瑣的方程、定理等知識講解及推演，與研討有機(jī)串聯(lián)，并運(yùn)用于項(xiàng)目方案的設(shè)計(jì)與實(shí)踐之中[5～6]。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，除了掌握電磁場基本理論知識及典型分析方法，通過項(xiàng)目研討與實(shí)踐，還將具備從場與波的角度分析電工技術(shù)領(lǐng)域中的電磁現(xiàn)象、對電磁過程進(jìn)行定性、定量分析和判斷的能力，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。在“研討+項(xiàng)目驅(qū)動”教學(xué)模式中 ,“研討”教學(xué)方法通過學(xué)生討論、教師糾正、互動討論等環(huán)節(jié)，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主，教師引導(dǎo)為輔的課堂教學(xué)環(huán)境；“項(xiàng)目驅(qū)動”教學(xué)方法通過以目標(biāo)和結(jié)果為導(dǎo)向，將所學(xué)的課程知識應(yīng)用于設(shè)計(jì)與實(shí)踐中并解決實(shí)際問題，提升知識的靈活運(yùn)用能力，激發(fā)、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新能力，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

“電磁場與電磁波”榮譽(yù)課程為每名學(xué)生增設(shè)了項(xiàng)目研究環(huán)節(jié)，學(xué)生自主選題，教師協(xié)助完成。以2019學(xué)年為例，部分學(xué)生的選題如表2所示，涉及無線電力傳輸、THz成像、微波消融腫瘤、載人航天深空防輻射等多個領(lǐng)域，學(xué)生在提取這些領(lǐng)域電磁學(xué)問題的基礎(chǔ)上，探究這些技術(shù)未來的發(fā)展趨勢及對人民生產(chǎn)生活的影響。學(xué)生在課下完成項(xiàng)目調(diào)研、電磁場問題提取、研究內(nèi)容及方案制定、建模與仿真等工作，教師及時跟進(jìn)學(xué)生項(xiàng)目研究進(jìn)展，另外設(shè)置一次課上研討環(huán)節(jié)，學(xué)生之間互相交流項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，教師解決學(xué)生共性問題。盡管通過本門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)僅能解決項(xiàng)目研究中的部分電磁學(xué)問題，但能夠?yàn)楹罄m(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等提供基礎(chǔ)。

2.2 中外聯(lián)合教學(xué)環(huán)節(jié)

國際合作是榮譽(yù)教育的重要動力，我校“電磁場與電磁波”榮譽(yù)課程通過與丹麥科技大學(xué)Lars Hanson教授聯(lián)合授課，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)融合，開拓學(xué)生國際化視野。Lars Hanson教授多年來著力于電磁場模型仿真軟件開發(fā)工作，開發(fā)了用于虛擬仿真位于不同電磁場環(huán)境下媒質(zhì)極化、磁化現(xiàn)象的CompassMR simulator軟件和用于直觀闡述核磁共振(MRI)原理的Bloch simulator軟件。

表2 學(xué)生項(xiàng)目選題匯總表

使得“看不見”“摸不著”的抽象概念形象化，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時，Lars Hanson教授在科研上主要研究方向?yàn)镸RI技術(shù)。

作者與Lars Hanson教授通過課前組織籌備，進(jìn)行了中外聯(lián)合教學(xué)設(shè)計(jì)初探。Lars Hanson教授利用Bloch simulator仿真軟件為學(xué)生講解磁共振技術(shù)原理，結(jié)合電磁場在MRI領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)際，取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生深入理解了課程理論知識，并能夠?qū)⑵渑c實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，敢于與外國教授溝通交流，提出自己的觀點(diǎn)，為后續(xù)國際交流學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

2.3 學(xué)習(xí)評價(jià)

教師建立了多元化考核評定制度，如圖1所示。消滅了傳統(tǒng)學(xué)生期末考前突擊的學(xué)習(xí)態(tài)度，細(xì)化了學(xué)生平時成績給定辦法，主要包括課前題、專題測試、應(yīng)用研討深度、學(xué)習(xí)過程中提出新觀點(diǎn)及與教師和同學(xué)之間的互動情況等。

圖1 學(xué)生總成績構(gòu)成

同時細(xì)化了項(xiàng)目研究部分成績評判標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。包括項(xiàng)目選題、研究進(jìn)展匯報(bào)、結(jié)題報(bào)告及答辯效果等；最后，提高了期末試題綜合性標(biāo)準(zhǔn)，注重學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用能力。同時，建立了課程形成性評價(jià)體系，及時捕獲學(xué)生教學(xué)反饋信息，用于后續(xù)教學(xué)改進(jìn)。

表3 項(xiàng)目研討環(huán)節(jié)成績評定標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)語

“電磁場與電磁波”榮譽(yù)課程通過教師對教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化整合、“研討+項(xiàng)目驅(qū)動式”教學(xué)方法實(shí)施、中外聯(lián)合教學(xué)模式初探及多元化考核評價(jià)體系應(yīng)用，能夠有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升課程教學(xué)質(zhì)量。然而，不可否認(rèn)的是，伴隨電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，電磁場與電磁波作為一種重要的信息載體，已遍及生產(chǎn)生活的每個角落，學(xué)生項(xiàng)目選題涉及領(lǐng)域廣泛。為此，教師在夯實(shí)理論功底之余，更要不斷拓展自身知識結(jié)構(gòu)，掌握最新電磁場應(yīng)用技術(shù)。同時，不斷探討課程的教學(xué)改革之道，讓學(xué)生受益更多。