基于海洋技術(shù)專業(yè)的“電磁學(xué)”教學(xué)改革探討

譚 偉 李 娟 楊紫茜

(1.山東科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院,青島 265590)(2.山東科技大學(xué) 外國(guó)語(yǔ)學(xué)院,青島 265590)

隨著科技的發(fā)展,社會(huì)對(duì)海洋人才的培養(yǎng)有著更高的期望和要求,教育部提出“全員、全過(guò)程、全方位育人”的三全育人概念,三全育人是相互促進(jìn)、有機(jī)統(tǒng)一的整體。因此,高校教師在教學(xué)過(guò)程中更應(yīng)該體現(xiàn)出三全育人的思想和觀念[1-2]。作為經(jīng)典物理的重要組成部分,“電磁學(xué)”是近代物理以及工程技術(shù)應(yīng)用(包括海洋技術(shù))等領(lǐng)域的一門(mén)非常重要的專業(yè)必修課程[3]。它以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ),以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù),系統(tǒng)闡述了電磁現(xiàn)象,介紹了電磁學(xué)發(fā)展史上一些重大發(fā)現(xiàn)、發(fā)明的物理思想和實(shí)驗(yàn)方法,主要研究電荷、電流產(chǎn)生電場(chǎng)、磁場(chǎng)的規(guī)律,電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互聯(lián)系,電磁場(chǎng)對(duì)電荷、電流的作用,電磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)的各種效應(yīng)及其在生產(chǎn)實(shí)踐中的一些應(yīng)用[4-5],同時(shí)電磁學(xué)也是海洋探測(cè)和海洋信息處理的重要技術(shù)手段之一。電磁學(xué)的靈魂是“場(chǎng)”,由于電場(chǎng)和磁場(chǎng)是看不見(jiàn)、摸不著的,講解起來(lái)不夠直觀,在授課過(guò)程中可以發(fā)揮專業(yè)特色,借助海洋中的流體運(yùn)動(dòng)(“流場(chǎng)”)來(lái)幫助學(xué)生加深對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的理解。因此,將“電磁學(xué)”與海洋技術(shù)專業(yè)的一些主干課程(如“海洋科學(xué)導(dǎo)論”“流體力學(xué)”“物理海洋”等)串聯(lián)起來(lái),互相支持,互相印證,形成一個(gè)以海洋為特色,電磁學(xué)與海洋相融合的完善課程體系是必然趨勢(shì)。

1 教學(xué)改革思路

海洋技術(shù)專業(yè)以海洋探測(cè)技術(shù)與海洋信息技術(shù)為發(fā)展方向,培養(yǎng)學(xué)生掌握海洋科學(xué)基本知識(shí),并具備海洋探測(cè)技術(shù)和海洋信息技術(shù)的基本理論和方法,而電磁學(xué)正是海洋探測(cè)和海洋信息處理的重要技術(shù)手段之一。電磁學(xué)的靈魂是“場(chǎng)”,由于電場(chǎng)和磁場(chǎng)是看不見(jiàn)、摸不著的,講解起來(lái)不夠直觀,因此在授課過(guò)程中可以借助于海洋中的流體運(yùn)動(dòng)(“流場(chǎng)”)來(lái)幫助學(xué)生加深理解。例如,可以借助海洋中的流線來(lái)理解電場(chǎng)線和磁力線,借助海洋中的流量來(lái)理解電場(chǎng)強(qiáng)度通量,由于電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系與海洋大氣領(lǐng)域中的輻散風(fēng)和速度勢(shì)的關(guān)系相同,所以它們表現(xiàn)出類(lèi)似的空間分布特征。反過(guò)來(lái),電磁學(xué)中的高斯定理和環(huán)路定理也有助于學(xué)生加深對(duì)海水輻散、輻聚,以及有旋、無(wú)旋等運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的理解。因此,在教學(xué)過(guò)程可以把電磁學(xué)與海洋技術(shù)專業(yè)的海洋知識(shí)進(jìn)行融合關(guān)聯(lián),做到互相印證,最終形成一個(gè)以海洋為特色的“電磁學(xué)”課程體系。

結(jié)合海洋技術(shù)學(xué)科的專業(yè)特點(diǎn),將課程思政、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、海洋強(qiáng)國(guó)等內(nèi)容融入課堂教學(xué)。以培養(yǎng)全面發(fā)展的應(yīng)用創(chuàng)新型人才為目標(biāo),注重學(xué)生人生觀和價(jià)值觀的塑造,注重培養(yǎng)學(xué)生探索未知、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和精益求精的大國(guó)工匠精神。可以通過(guò)以下方式調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和參與度:①設(shè)計(jì)具有啟發(fā)性和嚴(yán)密邏輯性的教案和課件;②以“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題-分析問(wèn)題-解決問(wèn)題”的思路為主線貫穿課堂教學(xué);③構(gòu)建線上線下混合式課堂教學(xué)模式;④學(xué)科交叉融合是當(dāng)代科技與教育發(fā)展的必然要求,也是創(chuàng)新思想的源泉。將學(xué)生分為幾個(gè)小組,以團(tuán)隊(duì)合作的形式查找國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),了解電磁學(xué)的基礎(chǔ)理論在海洋電磁波通信、海洋磁探測(cè)、海底電磁波地質(zhì)勘探、海洋信息探測(cè)和海洋微波遙感等領(lǐng)域的應(yīng)用,將電磁學(xué)專業(yè)知識(shí)與我國(guó)海洋事業(yè)發(fā)展的需求相結(jié)合,引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到電磁學(xué)對(duì)維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益和海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要性,樹(shù)立從事海洋事業(yè),為海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略?shī)^斗的信心和決心。

2 教學(xué)改革方法

2.1 采用線上、線下混合式教學(xué)模式

2019年12月全球新冠肺炎疫情的肆虐,給原本以線下教學(xué)為主的高等院校開(kāi)展教學(xué)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),教師不得不采用線上教學(xué)模式,改變?cè)械慕虒W(xué)方法和手段進(jìn)行授課,由于教師觀察不到學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,再加上錄課經(jīng)驗(yàn)不足,線上教學(xué)的效果并不是很好。目前,山東科技大學(xué)通過(guò)在線課程建設(shè)項(xiàng)目已經(jīng)完成了智慧樹(shù)平臺(tái)的線上課程的錄制,在目前的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中,采用線上教學(xué)以講授課程知識(shí)點(diǎn)為主,并利用網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)的課程作業(yè)、教學(xué)資源、在線測(cè)試、互動(dòng)留言等功能,督促學(xué)生進(jìn)行自我學(xué)習(xí)管理,了解學(xué)生課堂上的掌握情況;線下教學(xué)主要針對(duì)線上教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)輔以習(xí)題、實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用等方式進(jìn)行拓展,并根據(jù)學(xué)生提交的作業(yè)、留言和在線測(cè)試結(jié)果,有針對(duì)性地進(jìn)行答疑和討論,師生互動(dòng)可以拓展教學(xué)的外延,在與學(xué)生的互動(dòng)中互相學(xué)習(xí),不斷提升,實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng),最終全面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。線上、線下混合式教學(xué)模式是把線下教學(xué)和線上教學(xué)進(jìn)行了有機(jī)融合,揚(yáng)長(zhǎng)避短,合理分配時(shí)間,最大程度地提高教學(xué)效率和效果,達(dá)到培養(yǎng)新時(shí)代應(yīng)用型人才的目的。

2.2 基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究進(jìn)行銜接

圍繞海洋技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo),新增一部分內(nèi)容介紹電磁學(xué)和海洋學(xué)的交叉融合學(xué)科——海洋電磁學(xué),講授海水的電磁特性以及電磁學(xué)在海洋通信和海洋探測(cè)中的應(yīng)用,為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供新思路。另一方面,海洋中各種大尺度的海水運(yùn)動(dòng),例如海表波浪中的長(zhǎng)波、海洋中的內(nèi)波、潮汐和海流等運(yùn)動(dòng),都有相應(yīng)的電磁場(chǎng)被感應(yīng)到。在教學(xué)過(guò)程中,把電磁學(xué)應(yīng)用到海水各種較大尺度運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)中,嘗試探求測(cè)量這些感應(yīng)電磁場(chǎng)的方法。除此之外,海洋電磁場(chǎng)還可以應(yīng)用于潛艇通訊和海底巖石圈中的地質(zhì)構(gòu)造和探礦等方面。

2.3 結(jié)合海洋學(xué)科知識(shí)點(diǎn)優(yōu)化電磁學(xué)框架結(jié)構(gòu)

引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)、磁場(chǎng)與海洋流場(chǎng)的可視化,一方面鍛煉學(xué)生編程和處理數(shù)據(jù)的能力,另一方面,通過(guò)互相比較,使學(xué)生加深對(duì)電磁場(chǎng)和海洋流場(chǎng)的理解。例如,通過(guò)在課件中設(shè)置動(dòng)畫(huà),利用水泵抽水使水流克服重力作用形成循環(huán),幫助學(xué)生理解電源提供的非靜電力在維持閉合恒定電流線中所發(fā)揮的作用,如圖1所示,以水的循環(huán)為切入點(diǎn),在只受重力作用的情況下,水從高處往低處流,如果再加上一個(gè)水泵,通過(guò)水泵的力量克服重力做功,就可以把水抽上來(lái),從而形成一個(gè)閉合回路,如圖1(a)所示,通過(guò)與水流的類(lèi)比,引出非靜電力和電源的概念。電源就起到了類(lèi)似水泵的作用,電源提供的非靜電力可以使電荷從電勢(shì)能較低的位置返回電勢(shì)能較高的位置,從而保證了恒定電流線的閉合性,如圖1(b)所示,通過(guò)水泵和電源閉合回路的類(lèi)比,使學(xué)生更直觀地理解閉合電流的概念。在鍛煉學(xué)生編程和處理數(shù)據(jù)的能力方面,例如,在電勢(shì)與電場(chǎng)勢(shì)的講授過(guò)程中,以圖2中的輻散風(fēng)和速度勢(shì)為例,如圖2(b)所示,引出電勢(shì)與電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系,圖2(a)給出電偶極子的電場(chǎng)線和電勢(shì)的空間分布,通過(guò)讓學(xué)生比較自己編程繪制的輻散風(fēng)和速度勢(shì),引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)之間可能存在與圖2(b)中的輻散風(fēng)和速度勢(shì)類(lèi)似的數(shù)學(xué)關(guān)系,能通過(guò)切身體會(huì)輻散風(fēng)來(lái)更好地理解電偶極子和電勢(shì)的概念,進(jìn)而引出電勢(shì)與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系,達(dá)到把電磁學(xué)融入到海洋中的目的。通過(guò)諸如上述例子的對(duì)比引入,學(xué)生對(duì)看不見(jiàn)、摸不著的電磁場(chǎng)有了更深的理解。

(a)水泵抽水

2.4 專業(yè)知識(shí)講授與思想政治教育相融合

根據(jù)海洋技術(shù)學(xué)科的專業(yè)特點(diǎn),挖掘提煉其中蘊(yùn)含的思想價(jià)值和精神內(nèi)涵,拓展課程的廣度、深度和溫度,從專業(yè)、行業(yè)、國(guó)家、國(guó)際、文化、歷史等角度,增加課程的知識(shí)性、人文性,提升引領(lǐng)性、時(shí)代性和開(kāi)放性。例如在教學(xué)過(guò)程中加入有趣的課堂討論、電磁學(xué)與海洋知識(shí)競(jìng)賽、反轉(zhuǎn)課堂、微課教學(xué)、編程實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容,激發(fā)學(xué)生對(duì)電磁學(xué)的興趣,增強(qiáng)學(xué)生的思想政治素養(yǎng),塑造學(xué)生正確的人生觀和價(jià)值觀。

2.5 啟發(fā)式互動(dòng)

孔子有言,“不憤不啟,不悱不發(fā)”。啟發(fā)式教學(xué)法由來(lái)已久,但并未得到足夠的重視與推廣。提倡教學(xué)全過(guò)程的啟發(fā)式育人,尊重學(xué)生的主體性、能動(dòng)性、思辨性、創(chuàng)新性,并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)思考、研究與互動(dòng),達(dá)到高效的素質(zhì)教學(xué)。例如,由于電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān),因此電場(chǎng)力的性質(zhì)與學(xué)生非常熟悉的重力和彈力相似。通過(guò)與重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能的類(lèi)比,啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)電勢(shì)能性質(zhì)的理解;恒定條件告訴我們恒定電流的電流線一定是閉合曲線,而第二章又告訴我們靜電場(chǎng)中的電場(chǎng)線是不能閉合的。通過(guò)這看似矛盾的兩句話,啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生們思考,使學(xué)生們意識(shí)到僅僅依靠靜電場(chǎng)的作用無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒定電流,進(jìn)而引入非靜電力和電源的概念;通過(guò)介紹磁感應(yīng)線的性質(zhì)(磁感應(yīng)線是閉合曲線),使學(xué)生意識(shí)到磁感應(yīng)線在任何地方都連續(xù),也就是說(shuō),從閉合曲面任意一側(cè)進(jìn)入的磁通量都等于從另一側(cè)出去的磁通量,啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生定性地理解磁場(chǎng)中的高斯定理(通過(guò)任意閉合曲面的磁通量恒等于0)。

2.6 多維度的考評(píng)方式

在教學(xué)過(guò)程中嘗試打破“終結(jié)性”考核,加強(qiáng)“電磁學(xué)”課程教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行多階段考核并計(jì)入總成績(jī)。把學(xué)生自學(xué)、查閱文獻(xiàn)、自己制作課件、在課上以組為單位進(jìn)行討論、課后進(jìn)行延展性閱讀等作為平時(shí)成績(jī)納入考核,將考核貫穿到學(xué)習(xí)的全過(guò)程,這部分內(nèi)容占總成績(jī)的20%;另一方面,將學(xué)生分成幾個(gè)小組,以團(tuán)隊(duì)合作的形式根據(jù)課堂所學(xué)的電磁學(xué)知識(shí)查找國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),了解“電磁學(xué)”的理論在海洋通信、海洋探測(cè)、海底地質(zhì)勘探、海洋信息探測(cè)和海洋微波遙感等領(lǐng)域的應(yīng)用,將“電磁學(xué)”課堂上學(xué)到的專業(yè)知識(shí)與我國(guó)海洋事業(yè)發(fā)展的需求相結(jié)合,通過(guò)自己閱讀文獻(xiàn)、處理數(shù)據(jù)、編程繪制圖片,然后撰寫(xiě)成與電磁學(xué)相關(guān)的小論文,這部分內(nèi)容作為大作業(yè)可占總成績(jī)的20%。最后期末的閉卷考試成績(jī)占總成績(jī)的60%。總結(jié)起來(lái)可分為三部分:①采用以學(xué)生為主體的課堂評(píng)價(jià);②采用信息化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息來(lái)獲取學(xué)生參與度,知識(shí)點(diǎn)的掌握、測(cè)驗(yàn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行;③采用教師對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程中的學(xué)生的參與度、學(xué)習(xí)效果、作業(yè)批改等活動(dòng)方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)海洋技術(shù)專業(yè)的“電磁學(xué)”課程教學(xué)進(jìn)行了改革,與傳統(tǒng)的“電磁學(xué)”教學(xué)模式不同,在教學(xué)過(guò)程中基于“智慧樹(shù)平臺(tái)”的數(shù)字化教學(xué)工具,結(jié)合海洋技術(shù)學(xué)科的專業(yè)特點(diǎn),采用線上、線下混合式教學(xué)將海洋元素、課程思政、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育等內(nèi)容融入課堂教學(xué),為全校學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的“電磁學(xué)”課程線上資源,以培養(yǎng)全面發(fā)展的應(yīng)用創(chuàng)新型人才為目的,注重學(xué)生人生觀和價(jià)值觀的塑造,注重培養(yǎng)學(xué)生探索未知、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感,引導(dǎo)學(xué)生為實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)而奮斗。