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【研究生精品课程】打通学习电磁场理论的“任督二脉”

  编者按:为充分发挥精品课程的标杆示范作用,促进研究生课程质量进一步提升,研究生院自2018年启动了研究生精品课程建设工作,以公共基础课和各一级学科(类别)专业课为重点,充分结合国务院学位委员会学科评议组和全国专业学位研究生教育指导委员会编写的《研究生核心课程指南》,整体规划、分步实施,至2020年,经学院推荐、学校专家评审、研教指委审议通过,学校已立项了三批共146门“精品课程”。新闻中心特开设【研究生精品课程】栏目,分享这些“精品课程”基于“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的教育理念,从课程目标与定位、课程内容、教学和考核方式、课程特色和成效等方面总结梳理其经验心得,与师生读者共享。本期介绍澳门新葡亰手机版《高等电磁场理论》课程组的教学探索。

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课程组合影(从左至右:王任副教授、梁锋副教授、熊江副教授、博士生陈传升)

  概念多、公式繁、推导难,这是澳门新葡亰手机版无线电物理专业的研究生们学习《高等电磁场理论》课程时普遍面临的挑战。针对这种问题,如何在教学中尽可能地为学生扫除荆棘、直达要义,在传授知识的同时培养学生的思维能力,是《高等电磁场理论》课程组在教学探索中的重点。

  《高等电磁场理论》是澳门新葡亰手机版无线电物理专业研究生的专业基础课,也是学院研一新生入校后的第一门专业理论课,对学习后续课程有着重要的奠基作用。不仅如此,“掌握了电磁理论,还可以增加同学们在该领域创新性研究的深度,并提升对于相关工程问题的洞察力。”

  “在学习高等电磁场时,数学和物理同等重要,二者不可偏废。”经过多年摸索,课程组制定了教学的“战略纲要”——“厘清基本概念,扫除数学障碍,参透物理意义,逐步引导应用”,以帮助学生迅速打通“任督二脉”。

迎难而上:用“硬功夫”提升学生“软实力”

  学生的电磁场理论基础普遍比较薄弱,这是他们在这门纯理论课程面前望而生畏的原因之一。怎么样帮学生夯实基础、提升信心呢?

  课程组首先在教材选用上花了一番心思,经过多方讨论,最终选用了美国电磁理论学家哈林顿的经典著作《Time-Harmonic Electromagnetic Fields(时谐电磁场)》。这部教材是高等电磁理论的经典教材,在国内外影响深远,更是被国外多所著名高校选用为相关课程的研究生教材。

  有学生反映,电磁场本来就难,学英文版电磁场更难,希望老师讲授中文教材。但课程组在充分考虑学生知识基础的同时,也着眼长远考虑学生发展,决定继续使用英文教材。课程组熊江副教授认为,该教材的体系和讲法既保证了对本科生电磁场与电磁波课程的良好衔接,又在此基础上涵盖了经典电磁理论的大部分内容,因此很适合学生循序渐进地“渐入佳境”。

  而且,课程组鼓励同学们,困难都是暂时的。只要坚持不懈、不言放弃,通过对原版英文教材的学习,可以在专业术语、逻辑表达、呈现等方面潜移默化地受到浸润,为同学们在以后的学习中阅读专业论文、技术报告、专著等打下基础。

  针对学生基础参差不齐的情况,制定了“确保掌握基础、充分锻炼能力、适当介绍前沿”的原则,既保证基础比较薄弱的学生弥补短板强化理论基础,又帮助学有余力的同学拓展眼界提升能力。

  曾羽同学从外地考研到了澳门新葡亰手机版。他表示:“熊老师对于课程内容循循善诱、深入浅出,并能在涉及先修课程时指出并简要叙述知识点,充分照顾到没有先修基础的学生,同时也对已经学过的学生起到温故知新的作用。”

  在课堂教学中,熊江坚持以板书推演引导为主,介绍基本概念和知识,并结合PPT分析图表、展示案例、开展讨论。板书的加入引导学生自然而然地“跟上”老师的思路,尤其是在数学推导时更加注意理解推导的逻辑性。老师在推导公式时,学生也不会“袖手旁观”,每一位学生都常备草稿纸,跟着老师随堂推演公式,在动手提升计算能力的同时,也保证了学生的课堂专注力。

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  同时,教师与学生经常在课堂上开展互动讨论,在启迪学生思考的同时,让课堂不再是老师在台上的独奏,而是变成了师生的“琴瑟和鸣”。由于课程的前后知识连贯性强,课程组还要求学生每节课后必须复习当天内容,并配合一定数量的习题督促学生复习。在训练出学生“硬功夫”的同时,其“软实力”也得到了提升。

数理结合:让“干巴巴”真正变成“活生生”

  《高等电磁场理论》的教学重点是电磁基本理论、基本原理及典型电磁问题的解析求解方法,难点是数学公式的推演、相关物理概念的理解和应用。“学习电磁理论,不仅要知其然,还要知其所以然。”熊江说,“面对复杂冗长的数学推导,学生容易畏难放弃,或者索性囫囵吞枣,跳过数学推导、只看结论,这样就很难对结论的物理意义进行深入的思考和理解。”

  为了帮助学生过好“数学关”,课程组在板书演示推导过程时,会注意预留其中的部分内容,在交代清楚数学处理思路之后,让学生自行尝试,最后统一讨论和点评。这样,学生既弄清楚了公式和结论来由,又逐步训练了数学能力。

  有时,熊江还会做一些特别的设计。例如,在讲授“基本辐射单元”时,他把全班同学按学号奇偶分为两组,分别按任意位置处的近场和远场近似解计算复功率,并在组间交叉对比,既调动了学生的学习兴趣、启发学生思考物理机制,又使学生对近远场功率关系认识更为深刻。

  在扫清了数学方面的困难之后,他会用学生更容易接受的方式帮助学生理解公式和结论的物理含义。一方面,要尽可能借助图表等可视化的工具,并组织学生分析讨论;另一方面,要尽可能结合学生的已有知识,讲清新旧知识之间的区别和关联,让学生感到“今日所学并非完全陌生”。

  例如,对于学生普遍感到抽象的“谱域方法”,熊江以平行板波导终端辐射问题为例,梳理清楚求解步骤,编程绘制近远场分布,分析功率吐纳关系,并与天线课程中用“口径辐射问题”的常用方法求解的结果进行对比。这样,可以使课程体系中的大量数学公式和结论不再“干巴巴”,而是在物理意义的浸润之下变得“活生生”。

熊江  老师 图片 (3).png 熊江  老师 图片 (4).png

  “光说不练假把式!”学生看懂教材、听懂讲课和会独立运用相隔甚远,因此,熊江要求每个学生都“过一下手”,真正把教材的内容转化为学生的技能。除布置常规章节习题外,课程组还设计了一套课程经典问题的可视化编程仿真训练,保证每个学生自己动手,在强化编程能力的同时加深学生对物理意义的理解。

润物无声:从“修心性”切入涵养“真精神”

  现代计算电磁学的蓬勃发展,为解决电磁问题带来了极大方便,但是,熊江认为,这也容易导致学生只重数值仿真,而忽略对根本电磁原理的理解,最终往往是在数值计算结果面前茫然无措。因此,引导学生去除浮躁心态,静心打好理论基础十分重要。

  在熊江看来,科研工作者不仅要学习数理知识,也要学习电磁学界先辈们的治学态度。治学不但需要扎实的理论基础,更需要踏实的科学态度,尤其是孜孜不倦、深入钻研的治学态度。因此,在课程设计之初,课程组就有意将电磁学界前辈们的经历和感悟适时插入课堂,教学生为人为学的道理;而要让学生明白这些道理,生硬说教只会适得其反,不如讲述故事,娓娓道来,润物无声。在课程教学中,他注重搜集和介绍前辈电磁专家学者的事迹、成就和心得体会,一方面向学生展示学好课程相关理论、打牢扎实数理功底的重要性,一方面通过故事引导学生努力学好专业知识和技能,培养学生踏实严谨的治学风格、实事求是的科学态度以及孜孜不倦的工匠精神,并鼓励学生今后为建设国家、造福社会作出贡献。

  有一次课间休息,熊江向学生分享了电磁场天线专家、南京信息工程大学文舸一教授的一篇博文,题为《我在加拿大的一些科研经历——谨以此文纪念Bob Collin教授》。这篇文章在追忆Collin教授生平的同时,也谈及了文教授那一辈电磁场学者在最初学习专业课程的经历,并强调了学好基础理论课程对于今后研究工作的深远意义。

  “上世纪90年代,文教授还担任过电子科大应用物理研究所所长,与成电有不解之缘。”熊江还回顾了文舸一教授在“电小天线”的一个学术问题上与其他国际知名学者长达数十年的“论战”,希望同学们像文教授那样坚守学术阵地、发扬求实求真的高尚学术品格。

不断优化:教学良性互动形成效果“正反馈”

  《礼记·学记》曰:“是故学然后知不足,教然后知困。知不足,然后能自反也;知困,然后能自强也。故曰教学相长也。”

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  自2013年开课以来,课程组就坚持每学期期末开展详实的问卷调查,了解学生的学习情况、心得体会,以此为依据全方位评估本学期的教学方法和战术战略的效果,同时收集学生的意见建议,以便不断改进教学效果。

  多年来的问卷反馈让课程组不断扬长补短,不断完善教学方法、调整教学方略,让教和学之间形成良性的正反馈,在往届同学们之中赢得了良好的口碑。

  原澳门新葡亰手机版直博生、现澳门新葡亰手机版优秀青年教师王任副教授认为,“熊老师善于引导学生思考知识点在学术研究方面的潜在应用。在讲镜像原理时,他提到了源和边界的8种基本情况,还让我们思考这个知识点的用途。后来,我从这里出发深入钻研,最终大幅扩大了相控阵的扫描范围,并作出了一些研究成果。可以说,熊老师让我们在接受知识的同时也在努力创造知识。”

  针对学生反馈“期末考试难度较大”的问题,课程组经过考虑,增大了平时考核成绩的比重,同时将编程训练等纳入考核范围,不单单以期末考试“论英雄”,这样能确保大部分认真学习的同学拿到不错的分数,同时,又维持了期末考试题目的难度,更能体现出学习效果的差别。

  《高等电磁场理论》课程的改革和完善还在继续。随着梁锋、王任等优秀青年教师陆续加入精品课程建设团队,熊江表示,课程组将一起继续丰富和完善课程内容,以更好的方式引导研究生进入电磁场研究的大门,在同学们的“学术修炼”道路上帮助他们更好地打通“任督二脉”。