基于科研與教學(xué)互促的教學(xué)改革研究

李 彤，梁賢干，李偉釗

（長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410114）

隨著現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的數(shù)量及種類不斷增加，電磁環(huán)境（EME）也日趨復(fù)雜，改善系統(tǒng)間的電磁兼容性就顯得越來越重要。電磁兼容理論的飛速發(fā)展，使其在IT信息技術(shù)領(lǐng)域、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。《電磁兼容理論與設(shè)計(jì)》是電子專業(yè)學(xué)生重要的專業(yè)選修課程之一，本門課程注重理論知識的講解，同時(shí)也要對實(shí)際案例中的電磁兼容情況進(jìn)行詳細(xì)分析。因此，學(xué)生參與學(xué)習(xí)的過程中，不僅要掌握電磁兼容的理論知識，而且需要了解電磁兼容技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)應(yīng)用成果。

結(jié)合時(shí)代發(fā)展的趨勢，我們需要在傳統(tǒng)教學(xué)方式的基礎(chǔ)上，為《電磁兼容理論與設(shè)計(jì)》這門課程注入新活力。習(xí)近平總書記在文章《努力成為世界主要科學(xué)中心和創(chuàng)新高地》中強(qiáng)調(diào)了培養(yǎng)創(chuàng)新性科研人才的重要性[1]。我們可以通過將科研引入課堂的方式，鼓勵學(xué)生在學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)的同時(shí)，拓寬其學(xué)術(shù)視野，激發(fā)其探索新鮮事物的精神。探索科研參與課堂、課堂反哺科研的教學(xué)方式，更有利于為社會的發(fā)展培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

1 樹立教學(xué)與科研并重的思想

教學(xué)是科研的基礎(chǔ)，能夠指引并促進(jìn)科研的發(fā)展。科研是教學(xué)的目的，對教學(xué)具有反饋?zhàn)饔谩？蒲杏兄诮虒W(xué)系統(tǒng)的完善，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的改革，提高教學(xué)質(zhì)量；能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步了解科學(xué)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性，明確發(fā)展目標(biāo)。科學(xué)合理地把握好教學(xué)與科研的關(guān)系，通過以教學(xué)推動科研，以科研促進(jìn)教學(xué)，以相輔相成的關(guān)系形成教學(xué)與科研的良性互動，促進(jìn)二者共同發(fā)展，對于提高教師總體水平、提高教學(xué)質(zhì)量都是非常關(guān)鍵的[2]。

與前輩教師不同的是，青年教師進(jìn)入課堂的時(shí)間較短，對于如何上好課、教好學(xué)生及管理課堂等，尚處于磨合的階段。因此，在青年教師的課堂中，更有利于探索和實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)相結(jié)合的新型教學(xué)模式。其一，青年教師可以把與自身相關(guān)的科學(xué)研究成果和方法引入和滲透到教學(xué)環(huán)節(jié)中，將科研課題分解后作為教學(xué)案例在課堂中進(jìn)行研究性教學(xué)。其二，青年教師與學(xué)生年齡差距不大，與學(xué)生能夠進(jìn)行良好的溝通，借此吸引學(xué)生參與科研課題中以培養(yǎng)他們的思維邏輯能力。以大學(xué)生科研創(chuàng)新平臺為依托，建立科研創(chuàng)新項(xiàng)目小組，促進(jìn)教學(xué)與科研的有機(jī)結(jié)合，以此提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的綜合素質(zhì)。其三，科研創(chuàng)新項(xiàng)目又能反向拓寬學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，幫助他們了解更多前沿科研動態(tài)，從而進(jìn)一步確定自己的興趣方向，以興趣帶動學(xué)習(xí)更有利于發(fā)揮自身的主觀能動性，成為新時(shí)代下社會發(fā)展所需的創(chuàng)新型人才[3]。

2 科研融入教學(xué)的方式

《電磁兼容理論與設(shè)計(jì)》是電子專業(yè)的重要選修專業(yè)課程之一，設(shè)置為2學(xué)分/32課時(shí)。主要采用多媒體教學(xué)，重點(diǎn)介紹電磁兼容的理論知識部分，并穿插電磁兼容案例分析，依次講解：電磁兼容概論、電磁干擾源、電磁干擾的耦合與傳播、接地與搭接技術(shù)、屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)等基本知識，分析不同器件之間由于電磁兼容帶來的各項(xiàng)效應(yīng)，同時(shí)配置相關(guān)視頻演示資料。由于所講解課程多為理論知識部分，對學(xué)生來說難免枯燥。從改革教學(xué)模式、調(diào)動課堂氛圍、提高學(xué)習(xí)積極性的角度出發(fā)，筆者考慮在傳統(tǒng)課堂中，增加學(xué)生分享科技文獻(xiàn)的環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的課堂參與度[4]。

為了使學(xué)生進(jìn)一步理解電磁兼容理論知識并鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，在課堂中不妨以學(xué)生為主體，在理論課堂的講解中穿插學(xué)生自主分享科技文獻(xiàn)的環(huán)節(jié)，以此使學(xué)生更快地融入到課堂氛圍之中，更為廣泛的了解電磁兼容前沿成果。筆者為此準(zhǔn)備了多篇與電磁兼容相關(guān)的文獻(xiàn)供學(xué)生們自主選擇，學(xué)生也可選擇與其所感興趣研究方向相關(guān)的電磁兼容性文獻(xiàn)進(jìn)行分享，時(shí)間安排為每次課程的第二大節(jié)課，每次匯報(bào)時(shí)間安排約為20分鐘，并會在每名學(xué)生匯報(bào)分享文獻(xiàn)內(nèi)容之后，鼓勵其他同學(xué)對分享內(nèi)容進(jìn)行提問和分析，既能讓全體學(xué)生學(xué)習(xí)到閱讀科研文獻(xiàn)的方法，也能讓他們更為全面的理解課堂內(nèi)容所涉及的各個(gè)領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用。

除此以外，筆者還將此環(huán)節(jié)列入課程的考核要求之中，既鼓勵學(xué)生在教師的引導(dǎo)下結(jié)合興趣進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，又從一定程度上對分享內(nèi)容進(jìn)行合理、科學(xué)的約束，鍛煉了學(xué)生的邏輯思維能力。通過以上考核方法，能夠打破傳統(tǒng)課堂以單一的考試方式考核學(xué)生掌握課堂內(nèi)容的局限性，綜合測評了學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握程度，及學(xué)生自主學(xué)習(xí)、科技文獻(xiàn)閱讀、知識分享及分析問題的能力，為下一階段的科研學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

3 教學(xué)帶動科研的方式

無線電電子設(shè)備的電磁兼容性是指發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在受到干擾時(shí)在實(shí)際環(huán)境中以所需水準(zhǔn)運(yùn)行的能力。在設(shè)計(jì)電子設(shè)備時(shí)，考慮到其電磁兼容性，需要采取一定的防護(hù)手段。這些技術(shù)措施可以確保設(shè)備的內(nèi)部抗擾度，也可對電子設(shè)備運(yùn)行期間可能出現(xiàn)的外部影響進(jìn)行抗干擾處理[5]，那么設(shè)備之間的電磁屏蔽就顯得尤為重要。吸收器可作為實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽的方法之一，筆者結(jié)合自身科研項(xiàng)目的情況，可就如何利用微納光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吸收器實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽的內(nèi)容融入教學(xué)中，幫助學(xué)生深刻理解電磁屏蔽技術(shù)在前沿科學(xué)中的應(yīng)用。

3.1 電磁屏蔽的原理

電磁屏蔽的原理就是當(dāng)電磁波到達(dá)屏蔽體表面時(shí)，由于電介質(zhì)和屏蔽層的交界面上阻抗不連續(xù)（二者波阻抗不相同），電磁波的一部分能量被反射掉，另一部分進(jìn)入屏蔽體并在傳播的過程中受到衰減，也就是所謂的吸收。在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的能量，會由于反射傳到材料的另一表面，而且是連續(xù)、多次的，這也就意味著對電磁波能量的吸收也是多次的。電磁屏蔽是利用屏蔽體對電磁波的吸收、反射來達(dá)到減弱干擾能量的作用，也就是切斷電磁波的耦合途徑。在這個(gè)過程中，影響吸收器性能的主要因素是吸收器的尖端、襯底的形狀及介電常數(shù)，這與影響微納光吸收器性能的因素是一致的。

3.2 微納結(jié)構(gòu)吸收器的原理

微納光吸收器對電磁波的吸收機(jī)理與實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽的機(jī)理類似。微納光吸收器大多采用金屬—介質(zhì)—金屬的三明治結(jié)構(gòu)，電磁波的入射在結(jié)構(gòu)頂層會形成一個(gè)反射效果，但為了增加吸收器的吸收率，一般采用的設(shè)計(jì)是使得該反射率近乎為零。未被反射的部分進(jìn)入器件內(nèi)部，在中間介質(zhì)層中形成電磁振蕩，實(shí)現(xiàn)部分電磁波的吸收。未被吸收的能量又會因?yàn)榈撞拷饘賹悠鸬降淖韪糇饔茫蛊浞瓷浠刂虚g介質(zhì)層中實(shí)現(xiàn)再一次吸收，如此反復(fù)在器件內(nèi)進(jìn)行多次吸收從而實(shí)現(xiàn)完美吸收的效果。

3.3 教學(xué)反哺科研

基于電磁兼容的相關(guān)理論知識，筆者設(shè)計(jì)了一種基于埋在氮化硅間隔物中的雙層金屬光柵陣列的偏振選擇性雙向吸收器，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對666 nm附近的TM偏振光波的偏振選擇性吸收[6]。在垂直照明下，器件在正（反）向光入射下的吸收效率超過95%（77%），并且當(dāng)入射光傾斜角達(dá)到30°時(shí)，正（反）向光入射下的吸收效率仍然超過80%（77%）。所設(shè)計(jì)器件針對線性偏振光具有良好的吸收效應(yīng)，對于光學(xué)防偽、光電探測、光學(xué)傳感及熱輻射等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要作用，能夠積極推動光學(xué)在信息、材料、能源和生物等學(xué)科中的交叉應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文以電子專業(yè)課程《電磁兼容理論與設(shè)計(jì)》為例，對科研與教學(xué)互促的教學(xué)改革方法進(jìn)行了分析、討論和實(shí)踐。通過教學(xué)模式改革：一方面，從學(xué)生的角度出發(fā)，不再是單方面從課堂中理解和掌握理論知識，而是需要主動參與到新知識的挖掘過程中，相互分享討論從而拓寬學(xué)術(shù)視野；另一方面，對青年教師而言也能將課程理論融入科研項(xiàng)目中，提取新思路進(jìn)行科研創(chuàng)新后再反哺課堂，幫助學(xué)生更加全面的理解課堂理論。