電磁場數(shù)值計算方法精品課程教學(xué)方法的創(chuàng)新與實踐

林志立 吳志芳 任洪亮 蒲繼雄

（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 福建·廈門 361021）

0 引言

電磁場數(shù)值計算方法是一門電子類和光電類專業(yè)研究生的學(xué)位基礎(chǔ)課。在國家“精品課程建設(shè)工程”戰(zhàn)略背景下開展該門課程的精品課程建設(shè)，對于探索先進(jìn)的教學(xué)方法、開發(fā)優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源、建設(shè)優(yōu)秀的教師團隊具有重要的推動作用，將為學(xué)校開展高質(zhì)量、示范性研究生精品課程的建設(shè)思路和模式探索作出積極貢獻(xiàn)。電磁場數(shù)值計算方法課程著力于培養(yǎng)研究生的電磁仿真算法開發(fā)、編程技能、實際應(yīng)用等方面的能力。通過開展扎實有效的教改工作對電磁場數(shù)值計算方法課程教學(xué)過程進(jìn)行系統(tǒng)分析、探索創(chuàng)新、全面改革，以激發(fā)學(xué)生全面參與課程教學(xué)的主觀能動性和積極性，提高學(xué)生對課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣和對實際問題的解決能力，全力打造建設(shè)一門能培養(yǎng)出研究型、創(chuàng)新型和實用型高級人才的研究生精品課程。在課程建設(shè)的諸多內(nèi)容中，教學(xué)方法的改革是課程教學(xué)改革的核心，是實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要支撐。因此開展精品課程建設(shè)，首先就是要創(chuàng)新教學(xué)方法。根據(jù)電磁場數(shù)值計算方法課程內(nèi)容和專業(yè)特點，本文將以課程的教學(xué)大綱為出發(fā)點，以解決實際工程問題能力為落腳點，探索可視化、案例式、實踐性等三類教學(xué)方法，合理運用現(xiàn)代教育技術(shù)和教學(xué)手段，以科學(xué)靈活的現(xiàn)代化教學(xué)方法，全面提升精品課程的教學(xué)效果，提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。

1 可視化教學(xué)

電磁場數(shù)值計算方法是一門包含高等電磁理論、數(shù)值計算方法和計算機編程技術(shù)在內(nèi)的綜合性課程，涉及大量抽象的數(shù)理概念、復(fù)雜的公式方程以及繁雜的程序算法，在課程教學(xué)過程中學(xué)生們普遍反映這門課枯燥難學(xué)。如果按照傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法，不僅教學(xué)效果欠佳，而且耗時費力，學(xué)生頭腦里還無法形成直觀的物理圖景。因此，在課程教學(xué)時，應(yīng)充分利用計算機多媒體硬件條件和專業(yè)數(shù)學(xué)軟件等現(xiàn)代化教育手段開展可視化教學(xué)研究?？梢暬虒W(xué)是一種集圖形、動畫、視頻等多種信息載體的綜合展示教學(xué)，給學(xué)生以全新的直觀的視覺感受，從而加深學(xué)生對課程核心知識點的理解掌握程度和時空想象能力。特別地，隨著多媒體教室的推廣和個人計算機的普及，以MATLAB和MathCAD為典型代表的專業(yè)數(shù)學(xué)軟件已在許多課程教學(xué)領(lǐng)域中有大量的應(yīng)用。它們不僅可以具有強大的矩陣運算、公式推導(dǎo)的科學(xué)計算功能，友好便捷的算法設(shè)計、編程實現(xiàn)、程序調(diào)試的算法開發(fā)功能，還具備豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)可視化功能，以及動態(tài)圖片和視頻的制作功能，可以描繪出等高線、矢量線、密度圖以及各類二維、三維圖形，為學(xué)生理解和掌握電磁場的時空分布提供了極大方便。將可視化教學(xué)引入到電磁場數(shù)值計算方法課程的課堂教學(xué)中，把邏輯嚴(yán)密的理論計算推導(dǎo)和形象生動的可視化圖形展示結(jié)合起來，對于改善課堂教學(xué)效果，提升學(xué)習(xí)趣味性具有重要的促進(jìn)作用。

2 案例式教學(xué)

由于電磁場數(shù)值計算方法課程的復(fù)雜性，在進(jìn)行課堂授課時，傳統(tǒng)的、碎片化的、流水賬式的理論和算法講解方式將使得學(xué)生對該門課的學(xué)習(xí)失去興趣。在課程教學(xué)中采用案例式教學(xué)方法，選取與課程知識點相關(guān)的典型電磁學(xué)和光學(xué)問題作為案例進(jìn)行重點講解，可以把零散的課程知識點關(guān)聯(lián)起來，串接起來，有利于學(xué)生對課程教學(xué)內(nèi)容的總體掌握。同時，案例式教學(xué)是更貼近實際應(yīng)用的教學(xué)，可以讓學(xué)生認(rèn)識到所學(xué)課程知識在日常生活和工程應(yīng)用中的重要性，從而既可培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。例如，在課程教學(xué)中，可以選擇與生活相關(guān)的相機鏡頭表面所鍍增透膜的增透特性的數(shù)值仿真案例（如圖1所示）以及與工程應(yīng)用研究相關(guān)的強激光束入射熔石英玻璃內(nèi)部氣泡的散反射特性的數(shù)值仿真案例（如圖2所示），進(jìn)行時域有限差分法或有限元方法的案例式教學(xué)。當(dāng)然，需要注意的是，教學(xué)案例的選取不應(yīng)是隨意的，而應(yīng)選取具有廣泛代表性的案例，從而盡可能多地覆蓋課程教學(xué)大綱所要求學(xué)習(xí)的知識內(nèi)容。

圖1 相機鏡頭表面所鍍增透膜增透特性的教學(xué)案例

圖2 激光束對熔石英玻璃內(nèi)部微氣泡散反射特性的教學(xué)案例

3 實踐性教學(xué)

在課程教學(xué)實踐中，學(xué)生普遍反映教材中的生活和工程應(yīng)用實例較少，導(dǎo)致學(xué)生不知所學(xué)知識有何用處。實踐性教學(xué)不同于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，是一種集問題分析、算法設(shè)計、應(yīng)用探索為一體的課上課后相結(jié)合的開放式教學(xué)，注重于激發(fā)學(xué)生的自主能動性和學(xué)習(xí)興趣。開展帶有研究性質(zhì)的實踐性教學(xué)方法的探索和實踐，設(shè)置合適的學(xué)時，選取一定數(shù)量與實際工程應(yīng)用和日常生活密切相關(guān)的電磁問題，作為學(xué)習(xí)相應(yīng)的電磁場數(shù)值仿真方法的實戰(zhàn)應(yīng)用，以數(shù)學(xué)建模、算法設(shè)計、編程實現(xiàn)以及上機實驗等方式開展實踐性教學(xué)，通過解決實際工程問題來提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。實踐性教學(xué)在設(shè)計上應(yīng)以學(xué)生的自主學(xué)習(xí)研究為主，以教師的傳授輔導(dǎo)為輔。對學(xué)有余力的學(xué)生，可以根據(jù)他們的興趣領(lǐng)域設(shè)置具有一定挑戰(zhàn)性的課題，提供開展獨立研究的時間和空間，撰寫課題研究工作報告。同時，實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的完成情況，可以作為部分學(xué)生課程成績的考核項目之一。開展實踐性教學(xué)有利于提高人才的培養(yǎng)質(zhì)量，讓科學(xué)研究與人才培養(yǎng)相結(jié)合，從而使得學(xué)生在完成一年級課程學(xué)習(xí)后能更順利地過渡到二年級時的全身心科研狀態(tài)。

4 結(jié)語

為了解決電磁場數(shù)值計算方法精品課程教學(xué)中的概念抽象、公式復(fù)雜、程序繁雜等教學(xué)難題，本文基于精品課程建設(shè)的實踐經(jīng)驗，提出了可視化教學(xué)、案例式教學(xué)和實踐性教學(xué)等三類具有一定創(chuàng)新性的教學(xué)方法。這三種教學(xué)方法分別解決了電磁場時空分布復(fù)雜難以理解想象的問題、碎片化的流水賬式的課程知識教學(xué)問題、脫離實際純理論式教學(xué)問題，可極大提高學(xué)生對課程知識點的理解程度，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。同時，在全國啟動新工科建設(shè)的新時代中國高等工程教育背景下，開展上述教學(xué)方法的改革，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程意識，增強學(xué)生的動手能力和社會適應(yīng)能力。