借鉴新的交叉融合研究背景下的课程教学改革探索

白 璐 李艳辉

(西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西 西安 710071)

《电动力学》课程是应用物理学专业的支柱性的课程，在本科应用物理学专业的人才培养中具有举足轻重的作用。学好及教好电动力学课程对应用物理、电子信息科学与技术等相关专业的人才培养、综合素质的提高、学术能力的培养等方面都具有十分重大的意义[1]。同时，这门理论基础性课程对学生的学习思维的培养、学习能力的提高、学习方法的掌握、知识体系的建立等各个方面都有十分明显的作用[2-3]，因此，研究及借鉴国内外相关的科学研究背景、建立新的交叉融合研究背景下的电动力学课程教学实践体系具有十分重要的意义。

1 电动力学课程的教学改革现状分析

电动力学的研究对象是电磁场的基本属性，涉及的主要是电磁的运动规律以及电磁场和物质之间的相互作用。其教学内容主要包括：宏观经典电磁场理论和时空四维的狭义相对论理论初步。经典的电磁场理论部分主要包含电磁场的基本特性、宏观电磁场的运动规律和电磁场与物质的相互作用等。作为“四大力学”的物理课程之一。其主要内容涉及静电场和静磁场、有介质时电磁场的极化和磁化、电磁场与电荷和电流系统的相互作用、电磁场的辐射、以及电磁波在自由空间及介质界面的传播散射等。

电动力学课程的涉及的知识面宽，要求学生的先修课程多，对学生综合运用知识体系分析问题及解决问题的能力要求高。研究的对象高度抽象，理解和掌握都存在着很多困难。因此在实际的教学过程中存在着课程本身难度大、教学过程中难学、难教等普遍现象。

具体表现在：(1)电动力学所涉及的实验规律定理多且难于理解。电磁理论的建立基础是基于一系列的实验定律，比如库仑定律、安培环路定理、毕奥-萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律、楞次定律等，这些定律的掌握需要深入的理解电磁与物质相互作用的本质。(2)电动力学与数学的关系紧密，对数学的掌握要求高。电动力学的求解常是基于矢量分析与场论、数学物理方法、高等代数与几何等数学手段，完整理解相关概念掌握相关的理论模型并求解计算出相关的结果需要学生有较强的综合理解及运用数学知识的能力。(3)电动力学所涉及的概念的理解比较抽象。如何深入的理解物理中的相关概念也给学生的学习带来很多的困难。比如实际教学中的势函数描述电磁场的方法，运用矢势和标势来研究电磁场；理解电位移矢量、磁感应强度，掌握电磁场能量、能流密度、位移电流等物理概念；包括四维的“狭义相对论”的时空观等，都是高度抽象不易理解的概念。

2 多学科交叉背景下电动力学课程人才培养的教学改革路径

2.1 明确专业特色融合交叉融合的学科背景

我们的课程改革实践是依托西安电子科技大学的物理与光电工程学院的应用物理学的本科生专业。西安电子科技大学物理与光电工程学院成立于2013年，目前具有物理学与光学工程两个博士一级学科的授予权。具有光学工程、物理电子学、无线电物理与光学四个博士学位的授予点以及相关的6个硕士授权学科。对应于我校应用物理学系专业的学科特点及人才教学培养体系，我们在电动力学课程教学改革与实践中首先是希望我们培养出的学生具有鲜明的专业特色和交叉融合的行业背景。另外，依托本学院学科优势，利用硕士及博士点相关的优质教学资源以提供系统性、专业性、完备性的并与光学工程及电磁场与物质相互作用等相关应用学科前沿的科研发展动态相结合的教学改革路径，从而能有效建立起有西安电子科技大学自身专业特色的电动力学的教学模式及体系。

2.2 强化多维度的教学方式及方法的探索

我们在教学过程中不断的实践并探索，结合电动力学课程的教学内容，进行了系统化的课程优化设计，给出了科学合理的课程优化设置方案：包括了重点突出的课程内容衔接；课程知识点内容之间的逻辑关系体系的建立；学习抽样内容的科学研究方法的传授；数值计算及仿真技能的培养；课程内容多维度依从关系的安排；科学合理的课程进度安排以及相关的科研学术工作最新研究进展和动态的有机切入等多种维度上的教学方式及方法的改革和探索。

同时，将研究内容与形式方法有机的结合，积极开展了包括：多媒体教学改革、案例教学改革、问题链引导式的教学改革探索、教学立体化建设、翻转课堂以及雨课堂、慕课教学、网络教学等，探索了多种信息化教学方式及教学手段的改革。采用学生学习兴趣为导向的教学方法和教学辅助资料等多重的引导方式，有效的提高了教学效率和获得了良好的教学效果。让电动力学课程真正的成为学生“真心喜爱、终身受益”的课程。让多种的教学手段能有效的帮助学生作为教学工作的主角及主题，发挥其主观能动性，增加学生的参与感及切入感，提高学生的学习效率。

2.3 引入交叉融合的最新科研成果为教学工作服务

在教学实践的过程中，我们始终坚持教学科研相长的观点，在介绍电动力学课程的教学内容的过程中，常年坚持将最新的相关科研成果及研究动态介绍给大家。

我们科研项目中的问题进行了梳理，作为课程内容的有益补充，在课堂教学中注重物理公式讲解中的工程应用背景的介绍及前沿科研发展动态的相关介绍。

例如在第五章电磁波传播问题中，介绍到电磁波在金属波导管、谐振腔等相关结构中的传播问题的时候，我们会介绍科研中与中国电子集团电波传播研究所合作的大气波导的示例。大气中的逆湿逆温等特殊的介质分布状态中，会在海上或沙漠地区产生类似于金属波导管的大气波导结构，在其中，电磁波可以长距离的传输而衰减很小，这在超视距的海上舰船目标的探测、超低空攻防对抗等领域中具有着非常重要的用途。我们引入这些教学内容是希望学生能对需要介绍的电磁波传播的具体应用有个直观的认识，对目前课堂所学的内容的延申背景有个基本的了解。

有比如在介绍电动力学的第二章电磁场的电场切向连续、磁场法向连续的边界条件的问题时，我们会介绍光学的Mie散射理论。Mie散射理论是光学学科的科研工作在解决小粒子的光散射问题中的典型应用实例。很多的时候处理一个物理问题，可以把一个小的粒子近似的看作是球形的粒子，比如雾霾中的小的气溶胶颗粒、雨滴的粒子、燃烧产生的烟尘颗粒、滴落的半融状态的冰晶颗粒粒子，或者是生物的血细胞颗粒等等。在解决球形粒子的光散射问题的Mie理论中，典型的求解其内部场及散射场的展开系数的过程中，就需要用到电磁场的切向边界条件，在球的表面半径等于球半径的地方，利用电磁场的切向连续边界条件建立起球坐标系下的展开系数间的方程，从而求解出待求的散射场展开系数。在教学过程中，我们会将科研中实际应用的球坐标系下的电磁场边界条件和电动力学课本中介绍的一般矢量形式的电磁场边界条件进行对比介绍给同学们。

在课堂教学中我也会引入目前我正在研究进行中的科研项目，比如临近空间的高超声速目标的探测与识别，这些科研工作涉及物理-化学-热力学等多个学科的交叉研究，具有物理的研究背景、数学的研究手段等在现代科研发展的过程中会起到非常重要的作用。

通过教学科研中这些相关内容的介绍，是想让同学们了解到目前的科研工作中的实际情况就是越来越趋近于复杂的状况，多个学科之间的交叉与融合成为了必然的选择，每一个知识之间绝对的边界在消失，知识体系在变得越来越复杂。只有在新的交叉融合的工科背景下构建新的教学科研体系才更有益于人才的培养和锻炼。

2.4 电动力学课程的多维度教学内容也为科研工作的后续探索服务

在我们的教学中也针对不同同学的后续科研或工作需要，推荐给大家国内外的相关的优秀教学资源。针对后续在海外留学意向的同学，我们推荐大学阶段使用的电动力学课程的教材参考书包括：Griffiths 的《Introduction to Electrodynamics》，以及Jackson 的《Classical Electrodynamics》，另外，Stratton的《Electromagnetic Theory》推荐后续在国内从事研究的同学的课外阅读资料包括：波恩&沃尔夫的《光学原理》等。

在课堂内、课堂外，我们推荐大家的国内外优质教学资源的网站，慕课资源，课题制作等丰富多彩的研究内容和科研实践活动。下面的表1是我们针对本校多年的学生情况进行的教学内容与后续科研工作情况教学改革的基本情况。

表1 分类培养的电动力学教学改革情况分析表

电动力学的教学改革的目标就是对学生的学术思想进行启迪、引导和促进。帮助我们的应用物理学专业学生了解我们的专业，认同我们的专业，在课程的学习中补短板、练就过硬本领，实现创新思维和综合应用能力的统一。注重学生的学习方法、技能、技巧等方面的培养和提高，达到培养人塑造人的最终目标。

3 总结

本文介绍了我校在依托应用物理专业开展电动力学课程教学改革实践中的一些思考和体会，重点介绍了如何在新的交叉融合的研究背景下，进行课程教学的探索。通过对应用物理学专业多学科交叉融合背景下结合科研方向的人才培养方案的探索，可以为相关的多元化人才培养提供参考与依据。