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）

隨著現代電子科學技術的發展，電子設備的數量及種類不斷增加，電磁環境（EME）也日趨復雜，改善系統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展，使其在IT信息技術領域、醫療器械、航空航天等領域得到廣泛運用。《電磁兼容理論與設計》是電子專業學生重要的專業選修課程之一，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的國內外發展現狀及相關應用成果。

結合時代發展的趨勢，我們需要在傳統教學方式的基礎上，為《電磁兼容理論與設計》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新高地》中強調了培養創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的同時，拓寬其學術視野，激發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展培養創新型人才。

1 樹立教學與科研并重的思想

教學是科研的基礎，能夠指引并促進科研的發展。科研是教學的目的，對教學具有反饋作用。科研有助于教學系統的完善，促進教學內容的改革，提高教學質量；能夠幫助學生進一步了解科學，增強學習積極性，明確發展目標。科學合理地把握好教學與科研的關系，通過以教學推動科研，以科研促進教學，以相輔相成的關系形成教學與科研的良性互動，促進二者共同發展，對于提高教師總體水平、提高教學質量都是非常關鍵的[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科研與教學相結合的新型教學模式。其一，青年教師可以把與自身相關的科學研究成果和方法引入和滲透到教學環節中，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他們的思維邏輯能力。以大學生科研創新平臺為依托，建立科研創新項目小組，促進教學與科研的有機結合，以此提高教學質量和學生的綜合素質。其三，科研創新項目又能反向拓寬學生的學術視野，幫助他們了解更多前沿科研動態，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揮自身的主觀能動性，成為新時代下社會發展所需的創新型人才[3]。

2 科研融入教學的方式

《電磁兼容理論與設計》是電子專業的重要選修專業課程之一，設置為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、屏蔽技術、濾波技術等基本知識，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、調動課堂氛圍、提高學習積極性的角度出發，筆者考慮在傳統課堂中，增加學生分享科技文獻的環節，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節，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容之后，鼓勵其他同學對分享內容進行提問和分析，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容所涉及的各個領域的相關應用。

除此以外，筆者還將此環節列入課程的考核要求之中，既鼓勵學生在教師的引導下結合興趣進行自主學習，又從一定程度上對分享內容進行合理、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，能夠打破傳統課堂以單一的考試方式考核學生掌握課堂內容的局限性，綜合測評了學生對課程內容的掌握程度，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。

3 教學帶動科研的方式

無線電電子設備的電磁兼容性是指發射機和接收機在受到干擾時在實際環境中以所需水準運行的能力。在設計電子設備時，考慮到其電磁兼容性，需要采取一定的防護手段。這些技術措施可以確保設備的內部抗擾度，也可對電子設備運行期間可能出現的外部影響進行抗干擾處理[5]，那么設備之間的電磁屏蔽就顯得尤為重要。吸收器可作為實現電磁屏蔽的方法之一，筆者結合自身科研項目的情況，可就如何利用微納光學結構設計吸收器實現電磁屏蔽的內容融入教學中，幫助學生深刻理解電磁屏蔽技術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，由于電介質和屏蔽層的交界面上阻抗不連續（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、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，這與影響微納光吸收器性能的因素是一致的。

3.2 微納結構吸收器的原理

微納光吸收器對電磁波的吸收機理與實現電磁屏蔽的機理類似。微納光吸收器大多采用金屬—介質—金屬的三明治結構，電磁波的入射在結構頂層會形成一個反射效果，但為了增加吸收器的吸收率，一般采用的設計是使得該反射率近乎為零。未被反射的部分進入器件內部，在中間介質層中形成電磁振蕩，實現部分電磁波的吸收。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層中實現再一次吸收，如此反復在器件內進行多次吸收從而實現完美吸收的效果。

3.3 教學反哺科研

基于電磁兼容的相關理論知識，筆者設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，設計的結構可以實現對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域的發展具有重要作用，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 結語

本文以電子專業課程《電磁兼容理論與設計》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，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新后再反哺課堂，幫助學生更加全面的理解課堂理論。