基于海洋技術專業的“電磁學”教學改革探討

譚 偉 李 娟 楊紫茜

(1.山東科技大學 海洋科學與工程學院,青島 265590)(2.山東科技大學 外國語學院,青島 265590)

隨著科技的發展,社會對海洋人才的培養有著更高的期望和要求,教育部提出“全員、全過程、全方位育人”的三全育人概念,三全育人是相互促進、有機統一的整體。因此,高校教師在教學過程中更應該體現出三全育人的思想和觀念[1-2]。作為經典物理的重要組成部分,“電磁學”是近代物理以及工程技術應用(包括海洋技術)等領域的一門非常重要的專業必修課程[3]。它以經典力學為基礎,以實驗事實為依據,系統闡述了電磁現象,介紹了電磁學發展史上一些重大發現、發明的物理思想和實驗方法,主要研究電荷、電流產生電場、磁場的規律,電場和磁場的相互聯系,電磁場對電荷、電流的作用,電磁場對物質的各種效應及其在生產實踐中的一些應用[4-5],同時電磁學也是海洋探測和海洋信息處理的重要技術手段之一。電磁學的靈魂是“場”,由于電場和磁場是看不見、摸不著的,講解起來不夠直觀,在授課過程中可以發揮專業特色,借助海洋中的流體運動(“流場”)來幫助學生加深對電場和磁場的理解。因此,將“電磁學”與海洋技術專業的一些主干課程(如“海洋科學導論”“流體力學”“物理海洋”等)串聯起來,互相支持,互相印證,形成一個以海洋為特色,電磁學與海洋相融合的完善課程體系是必然趨勢。

1 教學改革思路

海洋技術專業以海洋探測技術與海洋信息技術為發展方向,培養學生掌握海洋科學基本知識,并具備海洋探測技術和海洋信息技術的基本理論和方法,而電磁學正是海洋探測和海洋信息處理的重要技術手段之一。電磁學的靈魂是“場”,由于電場和磁場是看不見、摸不著的,講解起來不夠直觀,因此在授課過程中可以借助于海洋中的流體運動(“流場”)來幫助學生加深理解。例如,可以借助海洋中的流線來理解電場線和磁力線,借助海洋中的流量來理解電場強度通量,由于電場強度與電勢之間的數學關系與海洋大氣領域中的輻散風和速度勢的關系相同,所以它們表現出類似的空間分布特征。反過來,電磁學中的高斯定理和環路定理也有助于學生加深對海水輻散、輻聚,以及有旋、無旋等運動性質的理解。因此,在教學過程可以把電磁學與海洋技術專業的海洋知識進行融合關聯,做到互相印證,最終形成一個以海洋為特色的“電磁學”課程體系。

結合海洋技術學科的專業特點,將課程思政、創新創業教育、海洋強國等內容融入課堂教學。以培養全面發展的應用創新型人才為目標,注重學生人生觀和價值觀的塑造,注重培養學生探索未知、勇攀科學高峰的責任感和精益求精的大國工匠精神。可以通過以下方式調動學生的積極性和參與度:①設計具有啟發性和嚴密邏輯性的教案和課件;②以“發現問題-分析問題-解決問題”的思路為主線貫穿課堂教學;③構建線上線下混合式課堂教學模式;④學科交叉融合是當代科技與教育發展的必然要求,也是創新思想的源泉。將學生分為幾個小組,以團隊合作的形式查找國內外相關文獻,了解電磁學的基礎理論在海洋電磁波通信、海洋磁探測、海底電磁波地質勘探、海洋信息探測和海洋微波遙感等領域的應用,將電磁學專業知識與我國海洋事業發展的需求相結合,引導學生認識到電磁學對維護我國海洋權益和海洋強國戰略的重要性,樹立從事海洋事業,為海洋強國戰略奮斗的信心和決心。

2 教學改革方法

2.1 采用線上、線下混合式教學模式

2019年12月全球新冠肺炎疫情的肆虐,給原本以線下教學為主的高等院校開展教學帶來了新的挑戰,教師不得不采用線上教學模式,改變原有的教學方法和手段進行授課,由于教師觀察不到學生的學習情況,再加上錄課經驗不足,線上教學的效果并不是很好。目前,山東科技大學通過在線課程建設項目已經完成了智慧樹平臺的線上課程的錄制,在目前的教學實踐過程中,采用線上教學以講授課程知識點為主,并利用網絡課程平臺的課程作業、教學資源、在線測試、互動留言等功能,督促學生進行自我學習管理,了解學生課堂上的掌握情況;線下教學主要針對線上教學中的知識點輔以習題、實驗、應用等方式進行拓展,并根據學生提交的作業、留言和在線測試結果,有針對性地進行答疑和討論,師生互動可以拓展教學的外延,在與學生的互動中互相學習,不斷提升,實現教學相長,最終全面提高學生的學習質量。線上、線下混合式教學模式是把線下教學和線上教學進行了有機融合,揚長避短,合理分配時間,最大程度地提高教學效率和效果,達到培養新時代應用型人才的目的。

2.2 基礎理論與應用研究進行銜接

圍繞海洋技術專業的培養目標,新增一部分內容介紹電磁學和海洋學的交叉融合學科——海洋電磁學,講授海水的電磁特性以及電磁學在海洋通信和海洋探測中的應用,為學生創新創業提供新思路。另一方面,海洋中各種大尺度的海水運動,例如海表波浪中的長波、海洋中的內波、潮汐和海流等運動,都有相應的電磁場被感應到。在教學過程中,把電磁學應用到海水各種較大尺度運動所產生的感應電磁場中,嘗試探求測量這些感應電磁場的方法。除此之外,海洋電磁場還可以應用于潛艇通訊和海底巖石圈中的地質構造和探礦等方面。

2.3 結合海洋學科知識點優化電磁學框架結構

引導學生實現電場、磁場與海洋流場的可視化,一方面鍛煉學生編程和處理數據的能力,另一方面,通過互相比較,使學生加深對電磁場和海洋流場的理解。例如,通過在課件中設置動畫,利用水泵抽水使水流克服重力作用形成循環,幫助學生理解電源提供的非靜電力在維持閉合恒定電流線中所發揮的作用,如圖1所示,以水的循環為切入點,在只受重力作用的情況下,水從高處往低處流,如果再加上一個水泵,通過水泵的力量克服重力做功,就可以把水抽上來,從而形成一個閉合回路,如圖1(a)所示,通過與水流的類比,引出非靜電力和電源的概念。電源就起到了類似水泵的作用,電源提供的非靜電力可以使電荷從電勢能較低的位置返回電勢能較高的位置,從而保證了恒定電流線的閉合性,如圖1(b)所示,通過水泵和電源閉合回路的類比,使學生更直觀地理解閉合電流的概念。在鍛煉學生編程和處理數據的能力方面,例如,在電勢與電場勢的講授過程中,以圖2中的輻散風和速度勢為例,如圖2(b)所示,引出電勢與電場強度之間的關系,圖2(a)給出電偶極子的電場線和電勢的空間分布,通過讓學生比較自己編程繪制的輻散風和速度勢,引導學生發現電場強度和電勢之間可能存在與圖2(b)中的輻散風和速度勢類似的數學關系,能通過切身體會輻散風來更好地理解電偶極子和電勢的概念,進而引出電勢與電場強度的關系,達到把電磁學融入到海洋中的目的。通過諸如上述例子的對比引入,學生對看不見、摸不著的電磁場有了更深的理解。

(a)水泵抽水

2.4 專業知識講授與思想政治教育相融合

根據海洋技術學科的專業特點,挖掘提煉其中蘊含的思想價值和精神內涵,拓展課程的廣度、深度和溫度,從專業、行業、國家、國際、文化、歷史等角度,增加課程的知識性、人文性,提升引領性、時代性和開放性。例如在教學過程中加入有趣的課堂討論、電磁學與海洋知識競賽、反轉課堂、微課教學、編程實驗等內容,激發學生對電磁學的興趣,增強學生的思想政治素養,塑造學生正確的人生觀和價值觀。

2.5 啟發式互動

孔子有言,“不憤不啟,不悱不發”。啟發式教學法由來已久,但并未得到足夠的重視與推廣。提倡教學全過程的啟發式育人,尊重學生的主體性、能動性、思辨性、創新性,并引導學生進行主動思考、研究與互動,達到高效的素質教學。例如,由于電場力做功與路徑無關,因此電場力的性質與學生非常熟悉的重力和彈力相似。通過與重力勢能和彈性勢能的類比,啟發引導學生對電勢能性質的理解;恒定條件告訴我們恒定電流的電流線一定是閉合曲線,而第二章又告訴我們靜電場中的電場線是不能閉合的。通過這看似矛盾的兩句話,啟發引導學生們思考,使學生們意識到僅僅依靠靜電場的作用無法實現恒定電流,進而引入非靜電力和電源的概念;通過介紹磁感應線的性質(磁感應線是閉合曲線),使學生意識到磁感應線在任何地方都連續,也就是說,從閉合曲面任意一側進入的磁通量都等于從另一側出去的磁通量,啟發引導學生定性地理解磁場中的高斯定理(通過任意閉合曲面的磁通量恒等于0)。

2.6 多維度的考評方式

在教學過程中嘗試打破“終結性”考核,加強“電磁學”課程教學過程中進行多階段考核并計入總成績。把學生自學、查閱文獻、自己制作課件、在課上以組為單位進行討論、課后進行延展性閱讀等作為平時成績納入考核,將考核貫穿到學習的全過程,這部分內容占總成績的20%;另一方面,將學生分成幾個小組,以團隊合作的形式根據課堂所學的電磁學知識查找國內外相關文獻,了解“電磁學”的理論在海洋通信、海洋探測、海底地質勘探、海洋信息探測和海洋微波遙感等領域的應用,將“電磁學”課堂上學到的專業知識與我國海洋事業發展的需求相結合,通過自己閱讀文獻、處理數據、編程繪制圖片,然后撰寫成與電磁學相關的小論文,這部分內容作為大作業可占總成績的20%。最后期末的閉卷考試成績占總成績的60%。總結起來可分為三部分:①采用以學生為主體的課堂評價;②采用信息化網絡教學平臺的大數據統計信息來獲取學生參與度,知識點的掌握、測驗等數據進行;③采用教師對課堂教學過程中的學生的參與度、學習效果、作業批改等活動方式進行評價。

3 結語

本文主要針對海洋技術專業的“電磁學”課程教學進行了改革,與傳統的“電磁學”教學模式不同,在教學過程中基于“智慧樹平臺”的數字化教學工具,結合海洋技術學科的專業特點,采用線上、線下混合式教學將海洋元素、課程思政、創新創業教育等內容融入課堂教學,為全校學生提供優質的“電磁學”課程線上資源,以培養全面發展的應用創新型人才為目的,注重學生人生觀和價值觀的塑造,注重培養學生探索未知、勇攀科學高峰的責任感,引導學生為實現海洋強國夢而奮斗。