电磁场数值计算方法精品课程教学方法的创新与实践

林志立 吴志芳 任洪亮 蒲继雄

（华侨大学信息科学与工程学院 福建·厦门 361021）

0 引言

电磁场数值计算方法是一门电子类和光电类专业研究生的学位基础课。在国家“精品课程建设工程”战略背景下开展该门课程的精品课程建设，对于探索先进的教学方法、开发优质的教学资源、建设优秀的教师团队具有重要的推动作用，将为学校开展高质量、示范性研究生精品课程的建设思路和模式探索作出积极贡献。电磁场数值计算方法课程着力于培养研究生的电磁仿真算法开发、编程技能、实际应用等方面的能力。通过开展扎实有效的教改工作对电磁场数值计算方法课程教学过程进行系统分析、探索创新、全面改革，以激发学生全面参与课程教学的主观能动性和积极性，提高学生对课程内容的学习兴趣和对实际问题的解决能力，全力打造建设一门能培养出研究型、创新型和实用型高级人才的研究生精品课程。在课程建设的诸多内容中，教学方法的改革是课程教学改革的核心，是实现教学目标的重要支撑。因此开展精品课程建设，首先就是要创新教学方法。根据电磁场数值计算方法课程内容和专业特点，本文将以课程的教学大纲为出发点，以解决实际工程问题能力为落脚点，探索可视化、案例式、实践性等三类教学方法，合理运用现代教育技术和教学手段，以科学灵活的现代化教学方法，全面提升精品课程的教学效果，提高学生的培养质量。

1 可视化教学

电磁场数值计算方法是一门包含高等电磁理论、数值计算方法和计算机编程技术在内的综合性课程，涉及大量抽象的数理概念、复杂的公式方程以及繁杂的程序算法，在课程教学过程中学生们普遍反映这门课枯燥难学。如果按照传统的课堂教学方法，不仅教学效果欠佳，而且耗时费力，学生头脑里还无法形成直观的物理图景。因此，在课程教学时，应充分利用计算机多媒体硬件条件和专业数学软件等现代化教育手段开展可视化教学研究。可视化教学是一种集图形、动画、视频等多种信息载体的综合展示教学，给学生以全新的直观的视觉感受，从而加深学生对课程核心知识点的理解掌握程度和时空想象能力。特别地，随着多媒体教室的推广和个人计算机的普及，以MATLAB和MathCAD为典型代表的专业数学软件已在许多课程教学领域中有大量的应用。它们不仅可以具有强大的矩阵运算、公式推导的科学计算功能，友好便捷的算法设计、编程实现、程序调试的算法开发功能，还具备丰富的科学数据可视化功能，以及动态图片和视频的制作功能，可以描绘出等高线、矢量线、密度图以及各类二维、三维图形，为学生理解和掌握电磁场的时空分布提供了极大方便。将可视化教学引入到电磁场数值计算方法课程的课堂教学中，把逻辑严密的理论计算推导和形象生动的可视化图形展示结合起来，对于改善课堂教学效果，提升学习趣味性具有重要的促进作用。

2 案例式教学

由于电磁场数值计算方法课程的复杂性，在进行课堂授课时，传统的、碎片化的、流水账式的理论和算法讲解方式将使得学生对该门课的学习失去兴趣。在课程教学中采用案例式教学方法，选取与课程知识点相关的典型电磁学和光学问题作为案例进行重点讲解，可以把零散的课程知识点关联起来，串接起来，有利于学生对课程教学内容的总体掌握。同时，案例式教学是更贴近实际应用的教学，可以让学生认识到所学课程知识在日常生活和工程应用中的重要性，从而既可培养学生的工程意识，也激发了学生的学习动力。例如，在课程教学中，可以选择与生活相关的相机镜头表面所镀增透膜的增透特性的数值仿真案例（如图1所示）以及与工程应用研究相关的强激光束入射熔石英玻璃内部气泡的散反射特性的数值仿真案例（如图2所示），进行时域有限差分法或有限元方法的案例式教学。当然，需要注意的是，教学案例的选取不应是随意的，而应选取具有广泛代表性的案例，从而尽可能多地覆盖课程教学大纲所要求学习的知识内容。

图1 相机镜头表面所镀增透膜增透特性的教学案例

图2 激光束对熔石英玻璃内部微气泡散反射特性的教学案例

3 实践性教学

在课程教学实践中，学生普遍反映教材中的生活和工程应用实例较少，导致学生不知所学知识有何用处。实践性教学不同于传统的课堂教学模式，是一种集问题分析、算法设计、应用探索为一体的课上课后相结合的开放式教学，注重于激发学生的自主能动性和学习兴趣。开展带有研究性质的实践性教学方法的探索和实践，设置合适的学时，选取一定数量与实际工程应用和日常生活密切相关的电磁问题，作为学习相应的电磁场数值仿真方法的实战应用，以数学建模、算法设计、编程实现以及上机实验等方式开展实践性教学，通过解决实际工程问题来提高学生的创新能力和动手能力。实践性教学在设计上应以学生的自主学习研究为主，以教师的传授辅导为辅。对学有余力的学生，可以根据他们的兴趣领域设置具有一定挑战性的课题，提供开展独立研究的时间和空间，撰写课题研究工作报告。同时，实践性教学环节的完成情况，可以作为部分学生课程成绩的考核项目之一。开展实践性教学有利于提高人才的培养质量，让科学研究与人才培养相结合，从而使得学生在完成一年级课程学习后能更顺利地过渡到二年级时的全身心科研状态。

4 结语

为了解决电磁场数值计算方法精品课程教学中的概念抽象、公式复杂、程序繁杂等教学难题，本文基于精品课程建设的实践经验，提出了可视化教学、案例式教学和实践性教学等三类具有一定创新性的教学方法。这三种教学方法分别解决了电磁场时空分布复杂难以理解想象的问题、碎片化的流水账式的课程知识教学问题、脱离实际纯理论式教学问题，可极大提高学生对课程知识点的理解程度，有利于培养学生的学习主动性，提高学生分析和解决问题的能力。同时，在全国启动新工科建设的新时代中国高等工程教育背景下，开展上述教学方法的改革，有利于提高学生的创新意识和工程意识，增强学生的动手能力和社会适应能力。