基于模擬仿真的翻轉課堂在研究生教學中的應用*

馬曉萍

(三峽大學理學院 湖北 宜昌 443002)

1 引言

翻轉課堂在一定程度上是對傳統教學模式的一種顛覆[1～3].傳統教學是以教師為中心，教師在課堂上講授知識，學生在課堂上聽.因為要講授的內容較多，課時又相對較少等原因，教師的授課以教師講授為主，教師和學生的互動很少.學生的學習是被動的，甚至是填鴨式的.而翻轉課堂這種教學模式強調發展學生的個性，激發學生學習的熱情和主動性，從而達到讓學生自主高效地學習的教學目的.和傳統的老師教學生學的教學手段相比，這種教學模式的最大特點就是師生角色互換，在教學中充分發揮學生的學習能力，并充分使用多媒體等現代信息技術，從而更好地提升課堂教學的效果和效率.反轉課堂不僅能調動學生學習的積極性，還能很好地將理論與實踐結合起來，彌補了傳統課堂太過抽象、理論與實踐脫節的缺點.近年來，國內外的教育工作者根據其所教授的課程的特點，將反轉課堂與在線平臺相結合，如慕課+反轉課堂的模式，MOOC+SPOC+反轉課堂的模式等等[4,5].翻轉課堂也被嘗試著應用到小學、初中、高中和大學的教學活動中.本文探討基于模擬仿真的翻轉課堂在研究生教學中的應用及其對研究生教學的有益影響.

2 研究生教學的特點

(1)學生人數少.這似乎是一個很不起眼的特點，但學生人數的多少恰恰是翻轉課堂是否能夠大面積推廣的主要因素.因為翻轉課堂并不是簡單地把教師變成學生來聽課，把學生變成老師來講課.這種教學模式要求老師在上課前把任務分割給每個學生.學生課前根據老師分配的任務自主學習，如收集資料、計算推導、做實驗、做調研等等.課堂上學生把學習的成果進行匯報，老師在學生匯報的過程中加以講解、引導或糾錯等.如果學生比較多，而課時又比較有限的情況下，老師只能把任務分割給學生小組，而成果的展示也只能是選個代表來完成.這樣的話，很難讓每個學生都參與進來，也難免會有偷懶的學生坐享其成.這種結果的出現就和翻轉課堂的激發學生學習的積極性、主動性的初衷相違背了.不管是小學、初中、高中還是大學本科，學生的人數都很多.尤其是大學本科的公共課，學生人數大都在100人以上.而研究生課，尤其是研究生的專業課，人數很少，有的一門課只有幾個學生.所以，從人數上來看，翻轉課堂很適合研究生的教育教學[6].

(2)課程內容深奧，甚至晦澀難懂.研究生的課和本科專業課有一定的聯系，但又有不同.本科課程知識面比較廣，但很多東西淺嘗輒止，沒有對知識點進行更深入地挖掘和研究.而研究生的教學更專注于某一領域的教學和研究，學習的知識點更具體、更深入，相對本科專業課難度也更大.

(3)研究生課程所傳授的知識相對比較前沿.也正因為如此，研究生的有些課程并沒有成熟的教材，參考資料也會相對較少.而且大多數參考資料都是外文的，這也給研究生課程的學習或多或少增加了難度.

(4)研究生課程更注重對學生科研能力的培養.本科課程，比如筆者多年教過的《大學物理》里面的知識點基本上都是被大量的實驗所驗證是正確的結論.教師負責傳授并同時讓學生接受知識.而研究生課程里的有些內容還需要進一步的研究、探討，很多時候并沒有唯一確定的答案.這就需要教師更多地培養學生探索知識的能力，而不是汲取知識的能力.

3 基于模擬仿真的翻轉課堂對研究生教學的有益影響

教師在講授知識的過程中如果能輔以圖片、動畫或者結合實驗，則能夠對知識的講解更生動、更全面，學生也更易接受.舉個例子：筆者所教授的一部研究生教材《納米結構磁學》中有兩個概念：布洛赫壁(Bloch wall)和奈爾壁(Néel wall).這門課的中文資料很少.維基百科里給出的定義是[https://en.wikipedia.org/wiki/Domain_wall_(magne-tism)]：

Bloch wall:A Bloch wall is a narrow transition region at the boundary between magnetic domains, over which the magnetization changes from its value in one domain to that in the next, named after the physicist Felix Bloch.In a Bloch domain wall, the magnetization rotates about the normal of the domain wall (in other words, the magnetization always points along the domain wall plane in a 3D system), in contrast to Néel walls.Néel wall:A Néel wall is a narrow transition region between magnetic domains, named after the French physicist Louis Néel.In the Néel wall, the magnetization smoothly rotates from the direction of magnetization within the first domain to the direction of magnetization within the second.In contrast to Bloch walls, the magnetization rotates about a line that is orthogonal to the normal of the domain (in other words, it rotates such that it points out of the domain wall plane in a 3D system).

雖然只是短短的幾句話，但理解起來并不是很容易.原因之一是英文文獻對于母語是中文的我們來說并不如中文文獻那么容易理解.筆者嘗試著在知乎里找到關于布洛赫壁和奈爾壁的定義[https://

zhuanlan.zhihu.com/p/53438232]，如下：大塊鐵磁晶體內的磁疇壁屬于布洛赫壁.在布洛赫壁中，磁化矢量從一個磁疇內的方向過渡到相鄰磁疇內的方向時，磁化始終保持平行于疇壁平面，因而在疇壁上無自由磁極出現，這樣就保證了疇壁上不會產生退磁場，也能保持磁疇壁能為極小……在極薄的磁性薄膜中，存在不同于布洛赫壁的疇壁模型.在這種疇壁中，磁矩圍繞薄膜平面的法線改變方向，并且是平行于薄膜表面逐漸過渡的，而不是像布洛赫壁那樣，磁化在疇壁平面內旋轉.這種疇壁稱為奈爾壁……我們發現，即使是中文資料，如果只是文字表達，還是很抽象，理解起來依然有難度.但是，如果配以圖片(如圖 1 所示)，略加解釋，就可以把一個概念闡述得很清楚.

(a)布洛赫壁

比如解釋如下：磁疇是指磁性材料中磁化方向相同的區域，如圖1(a)和1(b)的左半部分和右半部分所示[7].而磁疇壁是指磁化方向相反的兩個磁疇之間的過渡區域，如圖1(a)和1(b)的中間部分所示.圖1(a)中所示的磁疇壁為布洛赫壁，而圖1(b)中所示的磁疇壁為奈爾壁.這樣解釋就算是非磁學專業的學生都能聽懂，我們甚至可以進一步引導學生自己總結布洛赫壁和奈爾壁的區別，進而引導學生思考這兩種磁疇壁哪種更易出現在大塊的鐵磁性材料中，哪種易出現在薄的鐵磁薄膜中，為什么？這種磁化分布圖可以用微磁學模擬軟件，如OOMMF，Mumax3等來實現.

筆者在講授《納米結構磁學》的過程中，輔以OOMMF或Mumax3這兩種微磁學模擬軟件.這兩種軟件可以模擬磁性材料在外磁場或者電流的激勵下材料內部磁化分布的變化情況，并可以把磁化分布以圖片、數據或圖表的形式表現出來.這樣，在授課的過程中可以讓學生通過模擬軟件自己來探索和領悟某些知識.比如，講到“當鐵磁性材料的尺寸降到微米或納米的數量級的時候，磁性材料的內部磁化分布情況很大程度上受材料形狀的影響”這個知識點的時候，筆者會給學生分配模擬任務，讓學生模擬不同尺寸、不同形狀(如圓形、方形、三角形、橢圓形等)的鐵磁性材料在基態時的磁化分布，并引導學生通過分析、比較處于基態時不同能量(如退磁能、交換能等)的大小，來總結為什么不同的形狀會產生不同的磁化基態.再比如，“Walker break-down”這個概念是指磁疇壁在強外場(磁場或電流)的激勵下內部結構會出現周期性的變化，進而使磁疇壁的運動速度降低.這個也可以讓學生通過模擬很直觀地看到磁疇壁的內部結構是如何變化的，磁疇壁是如何運動的，疇壁的速度是如何變化的.這些都會使枯燥的概念變得生動有趣起來.整個授課的過程中，基本上是以學生為主導.教師負責提出問題，學生負責解決問題.

《納米結構磁學》一共32個學時.課程的進度及分配是這樣的：微磁學模擬軟件的使用 → 給學生分配任務(用微磁學模擬軟件模擬某些知識點)→ 學生展示模擬結果并進行分析、討論、總結 → 給學生分配任務(閱讀相關的參考文獻，如論文等.論文中的結果可以通過模擬的方式來驗證)→ 學生進行文獻講解、評述 → 通過大量的文獻閱讀和講解找到自己的創新點 → 模擬、驗證.筆者在2020年春季學期以這種授課方式(基于微磁學模擬的翻轉課堂)來講授《納米結構磁學》.通過一個學期的授課過程，筆者發現這種授課方式不僅能夠充分地激發學生學習的主動性和積極性，并且在對知識的理解和掌握上也能取得事半功倍的效果.這門課一共有兩名學生，已有一名學生的相關論文被《物理學報》(中文核心，SCI)接收[8].另一名學生的相關論文已投，尚未發表.

4 結束語

總之，基于模擬仿真的翻轉課堂是很適合研究生課程的一種授課模式.這種授課模式能夠充分發揮學生的主體地位，激發學生學習的積極性和主動性.并且這種授課方式更生動更直觀，在對知識的理解和掌握上能起到事半功倍的效果.