基于海洋技术专业的“电磁学”教学改革探讨

谭 伟 李 娟 杨紫茜

(1.山东科技大学 海洋科学与工程学院,青岛 265590)(2.山东科技大学 外国语学院,青岛 265590)

随着科技的发展,社会对海洋人才的培养有着更高的期望和要求,教育部提出“全员、全过程、全方位育人”的三全育人概念,三全育人是相互促进、有机统一的整体。因此,高校教师在教学过程中更应该体现出三全育人的思想和观念[1-2]。作为经典物理的重要组成部分,“电磁学”是近代物理以及工程技术应用(包括海洋技术)等领域的一门非常重要的专业必修课程[3]。它以经典力学为基础,以实验事实为依据,系统阐述了电磁现象,介绍了电磁学发展史上一些重大发现、发明的物理思想和实验方法,主要研究电荷、电流产生电场、磁场的规律,电场和磁场的相互联系,电磁场对电荷、电流的作用,电磁场对物质的各种效应及其在生产实践中的一些应用[4-5],同时电磁学也是海洋探测和海洋信息处理的重要技术手段之一。电磁学的灵魂是“场”,由于电场和磁场是看不见、摸不着的,讲解起来不够直观,在授课过程中可以发挥专业特色,借助海洋中的流体运动(“流场”)来帮助学生加深对电场和磁场的理解。因此,将“电磁学”与海洋技术专业的一些主干课程(如“海洋科学导论”“流体力学”“物理海洋”等)串联起来,互相支持,互相印证,形成一个以海洋为特色,电磁学与海洋相融合的完善课程体系是必然趋势。

1 教学改革思路

海洋技术专业以海洋探测技术与海洋信息技术为发展方向,培养学生掌握海洋科学基本知识,并具备海洋探测技术和海洋信息技术的基本理论和方法,而电磁学正是海洋探测和海洋信息处理的重要技术手段之一。电磁学的灵魂是“场”,由于电场和磁场是看不见、摸不着的,讲解起来不够直观,因此在授课过程中可以借助于海洋中的流体运动(“流场”)来帮助学生加深理解。例如,可以借助海洋中的流线来理解电场线和磁力线,借助海洋中的流量来理解电场强度通量,由于电场强度与电势之间的数学关系与海洋大气领域中的辐散风和速度势的关系相同,所以它们表现出类似的空间分布特征。反过来,电磁学中的高斯定理和环路定理也有助于学生加深对海水辐散、辐聚,以及有旋、无旋等运动性质的理解。因此,在教学过程可以把电磁学与海洋技术专业的海洋知识进行融合关联,做到互相印证,最终形成一个以海洋为特色的“电磁学”课程体系。

结合海洋技术学科的专业特点,将课程思政、创新创业教育、海洋强国等内容融入课堂教学。以培养全面发展的应用创新型人才为目标,注重学生人生观和价值观的塑造,注重培养学生探索未知、勇攀科学高峰的责任感和精益求精的大国工匠精神。可以通过以下方式调动学生的积极性和参与度:①设计具有启发性和严密逻辑性的教案和课件;②以“发现问题-分析问题-解决问题”的思路为主线贯穿课堂教学;③构建线上线下混合式课堂教学模式;④学科交叉融合是当代科技与教育发展的必然要求,也是创新思想的源泉。将学生分为几个小组,以团队合作的形式查找国内外相关文献,了解电磁学的基础理论在海洋电磁波通信、海洋磁探测、海底电磁波地质勘探、海洋信息探测和海洋微波遥感等领域的应用,将电磁学专业知识与我国海洋事业发展的需求相结合,引导学生认识到电磁学对维护我国海洋权益和海洋强国战略的重要性,树立从事海洋事业,为海洋强国战略奋斗的信心和决心。

2 教学改革方法

2.1 采用线上、线下混合式教学模式

2019年12月全球新冠肺炎疫情的肆虐,给原本以线下教学为主的高等院校开展教学带来了新的挑战,教师不得不采用线上教学模式,改变原有的教学方法和手段进行授课,由于教师观察不到学生的学习情况,再加上录课经验不足,线上教学的效果并不是很好。目前,山东科技大学通过在线课程建设项目已经完成了智慧树平台的线上课程的录制,在目前的教学实践过程中,采用线上教学以讲授课程知识点为主,并利用网络课程平台的课程作业、教学资源、在线测试、互动留言等功能,督促学生进行自我学习管理,了解学生课堂上的掌握情况;线下教学主要针对线上教学中的知识点辅以习题、实验、应用等方式进行拓展,并根据学生提交的作业、留言和在线测试结果,有针对性地进行答疑和讨论,师生互动可以拓展教学的外延,在与学生的互动中互相学习,不断提升,实现教学相长,最终全面提高学生的学习质量。线上、线下混合式教学模式是把线下教学和线上教学进行了有机融合,扬长避短,合理分配时间,最大程度地提高教学效率和效果,达到培养新时代应用型人才的目的。

2.2 基础理论与应用研究进行衔接

围绕海洋技术专业的培养目标,新增一部分内容介绍电磁学和海洋学的交叉融合学科——海洋电磁学,讲授海水的电磁特性以及电磁学在海洋通信和海洋探测中的应用,为学生创新创业提供新思路。另一方面,海洋中各种大尺度的海水运动,例如海表波浪中的长波、海洋中的内波、潮汐和海流等运动,都有相应的电磁场被感应到。在教学过程中,把电磁学应用到海水各种较大尺度运动所产生的感应电磁场中,尝试探求测量这些感应电磁场的方法。除此之外,海洋电磁场还可以应用于潜艇通讯和海底岩石圈中的地质构造和探矿等方面。

2.3 结合海洋学科知识点优化电磁学框架结构

引导学生实现电场、磁场与海洋流场的可视化,一方面锻炼学生编程和处理数据的能力,另一方面,通过互相比较,使学生加深对电磁场和海洋流场的理解。例如,通过在课件中设置动画,利用水泵抽水使水流克服重力作用形成循环,帮助学生理解电源提供的非静电力在维持闭合恒定电流线中所发挥的作用,如图1所示,以水的循环为切入点,在只受重力作用的情况下,水从高处往低处流,如果再加上一个水泵,通过水泵的力量克服重力做功,就可以把水抽上来,从而形成一个闭合回路,如图1(a)所示,通过与水流的类比,引出非静电力和电源的概念。电源就起到了类似水泵的作用,电源提供的非静电力可以使电荷从电势能较低的位置返回电势能较高的位置,从而保证了恒定电流线的闭合性,如图1(b)所示,通过水泵和电源闭合回路的类比,使学生更直观地理解闭合电流的概念。在锻炼学生编程和处理数据的能力方面,例如,在电势与电场势的讲授过程中,以图2中的辐散风和速度势为例,如图2(b)所示,引出电势与电场强度之间的关系,图2(a)给出电偶极子的电场线和电势的空间分布,通过让学生比较自己编程绘制的辐散风和速度势,引导学生发现电场强度和电势之间可能存在与图2(b)中的辐散风和速度势类似的数学关系,能通过切身体会辐散风来更好地理解电偶极子和电势的概念,进而引出电势与电场强度的关系,达到把电磁学融入到海洋中的目的。通过诸如上述例子的对比引入,学生对看不见、摸不着的电磁场有了更深的理解。

(a)水泵抽水

2.4 专业知识讲授与思想政治教育相融合

根据海洋技术学科的专业特点,挖掘提炼其中蕴含的思想价值和精神内涵,拓展课程的广度、深度和温度,从专业、行业、国家、国际、文化、历史等角度,增加课程的知识性、人文性,提升引领性、时代性和开放性。例如在教学过程中加入有趣的课堂讨论、电磁学与海洋知识竞赛、反转课堂、微课教学、编程实验等内容,激发学生对电磁学的兴趣,增强学生的思想政治素养,塑造学生正确的人生观和价值观。

2.5 启发式互动

孔子有言,“不愤不启,不悱不发”。启发式教学法由来已久,但并未得到足够的重视与推广。提倡教学全过程的启发式育人,尊重学生的主体性、能动性、思辨性、创新性,并引导学生进行主动思考、研究与互动,达到高效的素质教学。例如,由于电场力做功与路径无关,因此电场力的性质与学生非常熟悉的重力和弹力相似。通过与重力势能和弹性势能的类比,启发引导学生对电势能性质的理解;恒定条件告诉我们恒定电流的电流线一定是闭合曲线,而第二章又告诉我们静电场中的电场线是不能闭合的。通过这看似矛盾的两句话,启发引导学生们思考,使学生们意识到仅仅依靠静电场的作用无法实现恒定电流,进而引入非静电力和电源的概念;通过介绍磁感应线的性质(磁感应线是闭合曲线),使学生意识到磁感应线在任何地方都连续,也就是说,从闭合曲面任意一侧进入的磁通量都等于从另一侧出去的磁通量,启发引导学生定性地理解磁场中的高斯定理(通过任意闭合曲面的磁通量恒等于0)。

2.6 多维度的考评方式

在教学过程中尝试打破“终结性”考核,加强“电磁学”课程教学过程中进行多阶段考核并计入总成绩。把学生自学、查阅文献、自己制作课件、在课上以组为单位进行讨论、课后进行延展性阅读等作为平时成绩纳入考核,将考核贯穿到学习的全过程,这部分内容占总成绩的20%;另一方面,将学生分成几个小组,以团队合作的形式根据课堂所学的电磁学知识查找国内外相关文献,了解“电磁学”的理论在海洋通信、海洋探测、海底地质勘探、海洋信息探测和海洋微波遥感等领域的应用,将“电磁学”课堂上学到的专业知识与我国海洋事业发展的需求相结合,通过自己阅读文献、处理数据、编程绘制图片,然后撰写成与电磁学相关的小论文,这部分内容作为大作业可占总成绩的20%。最后期末的闭卷考试成绩占总成绩的60%。总结起来可分为三部分:①采用以学生为主体的课堂评价;②采用信息化网络教学平台的大数据统计信息来获取学生参与度,知识点的掌握、测验等数据进行;③采用教师对课堂教学过程中的学生的参与度、学习效果、作业批改等活动方式进行评价。

3 结语

本文主要针对海洋技术专业的“电磁学”课程教学进行了改革,与传统的“电磁学”教学模式不同,在教学过程中基于“智慧树平台”的数字化教学工具,结合海洋技术学科的专业特点,采用线上、线下混合式教学将海洋元素、课程思政、创新创业教育等内容融入课堂教学,为全校学生提供优质的“电磁学”课程线上资源,以培养全面发展的应用创新型人才为目的,注重学生人生观和价值观的塑造,注重培养学生探索未知、勇攀科学高峰的责任感,引导学生为实现海洋强国梦而奋斗。