微课题融入“电动力学”相关课程教学实践

曹斌照， 费宏明， 杨毅彪， 薛萍萍

(太原理工大学 物理与光电工程学院， 山西 太原 030024)



微课题融入“电动力学”相关课程教学实践

曹斌照， 费宏明， 杨毅彪， 薛萍萍

(太原理工大学 物理与光电工程学院， 山西 太原 030024)

摘要：本文提出在我院专业基础课程“电动力学”的本科教学中有机融入微课题的改革思路；具体介绍了实施过程中如何结合教学内容凝练题目、引导学生入门以及取得的初步成效。本文的探索对于其它相关课程的教学改革具有一定的借鉴作用。

关键词：微课题；教学改革；人才培养

0引言

“电动力学”是物理学“四大力学”之一，也是光电信息类、应用物理等专业的必修专业基础课程。该课程概念抽象，理论性强，定理繁多，公式复杂、方法灵活，不易掌握，并与“电磁学”、“数学物理方法”等课程互为渗透，学生在学习中感到困难，被公认为是难教、难学的一门课程[1,2]。

近年来在“电动力学”课程的教学过程中, 国内一些高校从提高教学质量和培养学生综合素质等方面作了许多积极的探索与改革，并取得了显著的成效。例如，南京师范大学“电动力学”课程教学组提出“培养学生的探索精神和创新能力，使之逐步适应21世纪高素质人才的需求”的设想[2]；中山大学“电动力学”课程教学组提出“基础理论教学与科研实践训练、文献研读与讨论结合”的改革思路[3]；文献[4]提出了“电磁学”与“电动力学”两课关联的教学尝试，取得了较好的教学效果。

随着微课题在基础教育中的应用，这一教学方式越来越受到了各类教育工作者的普遍重视[5]。从广义上讲，微课题研究是指教师把日常教育教学过程中遇到的问题即时梳理和提炼，使之成为一些小课题开展研究。主要研究教学实践中碰到的真问题、实问题、小问题。研究时要用到课题研究方法，并有一定的学术性。适用于各种层次的教学。从狭义上讲，高校微课题研究可以引伸为将教学中的某些核心内容与科学前沿问题结合起来，用学到的知识解决科研中出现的新且小的问题，用学术的思想理解课本知识。与文献[3]的改革思路相比，微课题引入课程教学的思路是将基础理论教学内容延伸，与科研实践训练融为一体，学生更容易达到“跳一跳就够得着”的境界。因此，结合我院光电信息与工程专业本科生的培养目标，我们尝试将微课题有机融入“电动力学”及相关的“数学物理方法”、“电磁学”课程的教学中，以期达到学生理论知识与实践活动有机结合、知识建构与能力提升同步推进的教学目标，从而实现创造性学习、创新性实践的教育目的。这一尝试是一种融合教学、科研与实践为一体的新型教学法，本质上是一种研究型与实践型相结合的教学模式。

1凝练微课题题目

在进行尝试的过程中，我们根据“电动力学”教学大纲要求，一方面将教学中遇到的一些探究性问题整理、汇总；另一方面，遴选科研中与教学内容相关联的问题，设立微课题。例如，在讲授电磁场边值问题时，先后介绍了圆柱坐标系、球坐标系以及矩形波导中几种不同类型的边值问题后，结合近些年来倍受人们关注的零折射率超材料波导系统植入矩形、圆柱型缺陷时对波的调控，确立了一个如何在常用坐标系中求解非齐次边值问题的微课题。该问题在本科教材中从未遇到过，但基于本科“数学物理方法”的基础，通过引导学生开动脑筋，举一反三，最终得到了解决。再如，我们发现在处理零折射率超材料波导系统植入圆柱型缺陷问题时，已报道的文献中存在一些瑕疵，将此问题作为另一个微课题。从上述两例中让学生不仅认识到学习基础知识的重要性，而且感受到即使科学前沿的知识也并不是遥不可及的，其实离我们只有一步之遥，触手可及。这样，学生学习的信心倍增，学习热情得到了提高。从而大大促进教学效果的提升。在“电动力学”教学过程中，我们选定的部分微课题题目如下：

从麦克斯韦方程组→达朗贝尔公式→波的辐射的思想纵览；等效媒质理论在一维金属-介质周期结构的应用；光子晶体的矩阵转移法→复杂条件下的亥姆霍兹边值问题；电磁波在左、右手介质界面相移特性的分析；二维超材料谐振腔问题等等。

2培养学生从事微课题研究的能力

培养本科学生具备一定的微课题素质，不是一朝一夕的事，要循序渐进，量力而行。我们在“电动力学”教学中，着重从以下几个方面进行了尝试。

2.1仿真实验的引入

“电动力学”作为基础课和专业基础课，学习内容主要围绕理论知识，但由于课程又涉及到许多光电工程应用的基础，因此，为了加强与后续课程的融会贯通，开设一定数量的仿真实验是很有必要的。利用HFSS(由美国Ansoft公司开发的、基于电磁场有限元法分析电磁工程问题的全波三维电磁仿真软件)、COMSOL Multiphysics(COMSOL公司开发的、以有限元法为基础，通过求解偏微分方程或偏微分方程组来实现真实物理现象的仿真，被誉为第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件。)等业界广泛应用的电磁仿真软件，通过仿真实验，进一步增加学生对讲授内容的感性认识，提高兴趣，加强理解，熟悉仿真软件的使用，并为今后就业或继续深造打下基础。我们选定的部分仿真实验题目如表1所示。

表1　 部分实验及仿真实验题目一览

为了不占用课时，仿真实验安排在课后完成。

2.2科技前沿热点的适时补充

科研兴趣是需要逐步培养的。通过在课堂上介绍科技前沿热点，能激发学生的学习热情和求知欲。我们在教学实践中，先后将与“电动力学”课程密切相关的左手材料超常特性、零折射率电磁材料的反射与折射、光子晶体带隙、光保角变换、表面等离激元等最新科技成果有机地融入课堂教学中，进一步增强了学生学好 “电动力学”，投身科研的兴趣及信心。表2给出了课题组补充进课堂的最新科技进展和对应的教材章节。需要注意的是，在教学中补充的前沿、热点问题不宜过多，否则会喧宾夺主，适得其反。

表2　课堂教学中增加的一些最新科技进展内容

2.3课堂讲授与课外科技活动的密切结合

探索理论教学与大学生课外科技活动的融合，是提高学生从事微课题能力的另一个重要途径。就我校的学生而言，目前能够参与的活动有“国家大学生创新性实验计划”项目、全国大学生电子设计竞赛、山西省“挑战杯”竞赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等等。课程组经常向学生简要介绍这些课外科技活动，并要求学生主动将课外科技活动与课程的学习结合，将活动与本课程的科技小论文结合，寻找突破点。此外，学院建设有大学生开放实验室—将专业实验室开放，供感兴趣的学生在业余时间开发一些课堂上未做过的实验，不仅充分利用了实验设备，而且增强学生的动手能力与创新思想，将自己所学所想付诸于实际，从而提高学生的创新和实践能力。学生在实验、实践中遇到的问题，都由专门负责的教师答疑解惑。这种做法既可以提高了学生学习与科研的主动性，也能够锻炼其科研素养。

2.4改革考核方式

课程教学中微课题最终是通过撰写科技小论文的形式进行考核的。开学初就向学生公布与课程相关的微课题题目，鼓励学生组队对这些微课题进行研究，或者自己提出相关题目，并提交教师审核。题目设计要紧扣课堂教学内容，密切联系科研前沿，兼顾各种大学生课外科技活动项目。从2013-2014第一学期开始尝试这一做法，已有三个学期。不少学生在完成过程中提出种种具体问题，与授课老师深入探讨。也有部分学生积极参与改革，提出了一些建设性的建议。我们计划将在以后的运行中选出一些比较好的习作，在课堂上进行点评。这种方法可以充分调动广大学生学习的主观能动性和创造性，强化其理论与实践相结合的意识，克服死记硬背的学习方式，在讲授知识的同时，也传授了科技论文写作的基本能力。

3初步成效及体会

经过近三年的不断实践，已取得了初步的成效。本文第一作者在兰州大学工作期间，教学团队曾获省、校级教学成果奖各两项；指导本科生完成2012'国家级大学生创新创业训练计划项目“基于探地雷达的粮库智能监测系统”1项，顺利通过验收；本文第三作者指导2011级本科生完成的2014年度大学生创新创业计划项目“一维光子晶体的LED放射器研究”被评为我校优秀项目；并申请(公开)发明专利2项。

在微课题开展过程中，尽管学生一开始感到棘手，甚至个别学生存在一定的畏惧心理，但由于所选的微课题既与科技前沿相关，又与其他相关课程有联系，所以总体上还是受欢迎的。为了保证不影响课程的正常进度，我们主要安排学生利用课余时间完成训练，课堂上只占用少量课时做交流和点评。鼓励学生变压力为动力，积极引导学生循序渐进。在实践过程中，我们深深体会到：在本科生阶段，学生对于科研的态度基本情况是：有动机，缺主动；有灵感，迷方向；有潜能，乏实力。所以还离不开教师的引领。而我们将微课题渗透到本科教学，使学生在学习功课的过程中渐渐接触到了科研的精髓—“前所未有，意义非凡”。这对于培养本科学生的创新能力无疑有着深远的影响。

4结语

本文通过将“电动力学”及其相关课程教学有机融入微课题研究，不仅使相关知识点融为一体，更能够培养学生科研兴趣，开阔学生的视野，激发其探索未知世界的求知欲，从而为学好与本课程相关的一些后续课程奠定良好的基础。通过这些环节使学生对专业基础课和专业课的关系认识到位，从而激励学生热爱专业。同时，将考核方式与科技前沿相结合，打破了原来单一的考核方式，从而扭转了学生期末突击的风气，更能够综合反映学生掌握知识、运用知识的能力。通过教学、实践、研究模式的有机结合，既给学生传授了基本知识，又提升了实践动手能力，达到培养本科学生的科研创新素养之目的。

(曹斌照等文)

参考文献：

[1]郭硕鸿. 电动力学[M]. 北京:高等教育出版社,2008.

[2]熊万杰, 陆建隆. 对“电动力学”课程改革的探索[J].兰州;高等理科教育，2003, 52 (6): 72-75.

[3]黄迺本, 李志兵, 林琼桂,等. 电动力学研究性教学探索与实践[J]. 北京:大学物理，2009，28 (10):51-53.

[4]崔燕岭, 娄元成, 张培峰.电磁学与电动力学的关联教学[J].北京: 物理通报,2010,10: 12-14.

[5]肖望, 涂红艳. 基于“微课题研究”的植物生理学实验教学探索[J].兰州:高等理科教育,2014,117(5):102-105.

Teaching Practice on Integrating Mini-Scientific into Related Courses of Electrodynamics

CAO Bin-zhao, FEI Hong-ming, YANG Yi-biao, XUE Ping-ping

(CollegeofPhysicsandOptoelectronics,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Abstract:The idea of integrating mini-scientific into the course of Electrodynamics is proposedcombing with training goal of specialty of optoelectronic information science and engineering in our school. It is introduced how to select subject which is combinedwith teaching contents andto guide the students for starting.Some initial resultsare obtained, too. It has certain guiding significance to the exploration of teaching reform for other related courses.

Keywords:mini-scientific; teaching reform; talent training

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2016)01-0099-04

中图法分类号：G642.421

收稿日期:2015-04-28;修回日期:2015-06- 16基金项目:2014年度太原理工大学“本科教育教学改革项目”；2014年度高等学校“数学物理方法”课程专业教学指导委员会研究项目[JZW-14-SL-12]。

第一作者：曹斌照(1967-)男，副教授，博士. 主要从事电磁理论、数学物理方法的教学与研究，E-mail: caobinzhao@tyut.edu.cn