白 璐 李艷輝

(西安電子科技大學物理與光電工程學院，陜西 西安 710071)

《電動力學》課程是應用物理學專業(yè)的支柱性的課程，在本科應用物理學專業(yè)的人才培養(yǎng)中具有舉足輕重的作用。學好及教好電動力學課程對應用物理、電子信息科學與技術等相關專業(yè)的人才培養(yǎng)、綜合素質的提高、學術能力的培養(yǎng)等方面都具有十分重大的意義[1]。同時，這門理論基礎性課程對學生的學習思維的培養(yǎng)、學習能力的提高、學習方法的掌握、知識體系的建立等各個方面都有十分明顯的作用[2-3]，因此，研究及借鑒國內外相關的科學研究背景、建立新的交叉融合研究背景下的電動力學課程教學實踐體系具有十分重要的意義。

1 電動力學課程的教學改革現狀分析

電動力學的研究對象是電磁場的基本屬性，涉及的主要是電磁的運動規(guī)律以及電磁場和物質之間的相互作用。其教學內容主要包括：宏觀經典電磁場理論和時空四維的狹義相對論理論初步。經典的電磁場理論部分主要包含電磁場的基本特性、宏觀電磁場的運動規(guī)律和電磁場與物質的相互作用等。作為“四大力學”的物理課程之一。其主要內容涉及靜電場和靜磁場、有介質時電磁場的極化和磁化、電磁場與電荷和電流系統的相互作用、電磁場的輻射、以及電磁波在自由空間及介質界面的傳播散射等。

電動力學課程的涉及的知識面寬，要求學生的先修課程多，對學生綜合運用知識體系分析問題及解決問題的能力要求高。研究的對象高度抽象，理解和掌握都存在著很多困難。因此在實際的教學過程中存在著課程本身難度大、教學過程中難學、難教等普遍現象。

具體表現在：(1)電動力學所涉及的實驗規(guī)律定理多且難于理解。電磁理論的建立基礎是基于一系列的實驗定律，比如庫侖定律、安培環(huán)路定理、畢奧-薩伐爾定律、法拉第電磁感應定律、楞次定律等，這些定律的掌握需要深入的理解電磁與物質相互作用的本質。(2)電動力學與數學的關系緊密，對數學的掌握要求高。電動力學的求解常是基于矢量分析與場論、數學物理方法、高等代數與幾何等數學手段，完整理解相關概念掌握相關的理論模型并求解計算出相關的結果需要學生有較強的綜合理解及運用數學知識的能力。(3)電動力學所涉及的概念的理解比較抽象。如何深入的理解物理中的相關概念也給學生的學習帶來很多的困難。比如實際教學中的勢函數描述電磁場的方法，運用矢勢和標勢來研究電磁場；理解電位移矢量、磁感應強度，掌握電磁場能量、能流密度、位移電流等物理概念；包括四維的“狹義相對論”的時空觀等，都是高度抽象不易理解的概念。

2 多學科交叉背景下電動力學課程人才培養(yǎng)的教學改革路徑

2.1 明確專業(yè)特色融合交叉融合的學科背景

我們的課程改革實踐是依托西安電子科技大學的物理與光電工程學院的應用物理學的本科生專業(yè)。西安電子科技大學物理與光電工程學院成立于2013年，目前具有物理學與光學工程兩個博士一級學科的授予權。具有光學工程、物理電子學、無線電物理與光學四個博士學位的授予點以及相關的6個碩士授權學科。對應于我校應用物理學系專業(yè)的學科特點及人才教學培養(yǎng)體系，我們在電動力學課程教學改革與實踐中首先是希望我們培養(yǎng)出的學生具有鮮明的專業(yè)特色和交叉融合的行業(yè)背景。另外，依托本學院學科優(yōu)勢，利用碩士及博士點相關的優(yōu)質教學資源以提供系統性、專業(yè)性、完備性的并與光學工程及電磁場與物質相互作用等相關應用學科前沿的科研發(fā)展動態(tài)相結合的教學改革路徑，從而能有效建立起有西安電子科技大學自身專業(yè)特色的電動力學的教學模式及體系。

2.2 強化多維度的教學方式及方法的探索

我們在教學過程中不斷的實踐并探索，結合電動力學課程的教學內容，進行了系統化的課程優(yōu)化設計，給出了科學合理的課程優(yōu)化設置方案：包括了重點突出的課程內容銜接；課程知識點內容之間的邏輯關系體系的建立；學習抽樣內容的科學研究方法的傳授；數值計算及仿真技能的培養(yǎng)；課程內容多維度依從關系的安排；科學合理的課程進度安排以及相關的科研學術工作最新研究進展和動態(tài)的有機切入等多種維度上的教學方式及方法的改革和探索。

同時，將研究內容與形式方法有機的結合，積極開展了包括：多媒體教學改革、案例教學改革、問題鏈引導式的教學改革探索、教學立體化建設、翻轉課堂以及雨課堂、慕課教學、網絡教學等，探索了多種信息化教學方式及教學手段的改革。采用學生學習興趣為導向的教學方法和教學輔助資料等多重的引導方式，有效的提高了教學效率和獲得了良好的教學效果。讓電動力學課程真正的成為學生“真心喜愛、終身受益”的課程。讓多種的教學手段能有效的幫助學生作為教學工作的主角及主題，發(fā)揮其主觀能動性，增加學生的參與感及切入感，提高學生的學習效率。

2.3 引入交叉融合的最新科研成果為教學工作服務

在教學實踐的過程中，我們始終堅持教學科研相長的觀點，在介紹電動力學課程的教學內容的過程中，常年堅持將最新的相關科研成果及研究動態(tài)介紹給大家。

我們科研項目中的問題進行了梳理，作為課程內容的有益補充，在課堂教學中注重物理公式講解中的工程應用背景的介紹及前沿科研發(fā)展動態(tài)的相關介紹。

例如在第五章電磁波傳播問題中，介紹到電磁波在金屬波導管、諧振腔等相關結構中的傳播問題的時候，我們會介紹科研中與中國電子集團電波傳播研究所合作的大氣波導的示例。大氣中的逆濕逆溫等特殊的介質分布狀態(tài)中，會在海上或沙漠地區(qū)產生類似于金屬波導管的大氣波導結構，在其中，電磁波可以長距離的傳輸而衰減很小，這在超視距的海上艦船目標的探測、超低空攻防對抗等領域中具有著非常重要的用途。我們引入這些教學內容是希望學生能對需要介紹的電磁波傳播的具體應用有個直觀的認識，對目前課堂所學的內容的延申背景有個基本的了解。

有比如在介紹電動力學的第二章電磁場的電場切向連續(xù)、磁場法向連續(xù)的邊界條件的問題時，我們會介紹光學的Mie散射理論。Mie散射理論是光學學科的科研工作在解決小粒子的光散射問題中的典型應用實例。很多的時候處理一個物理問題，可以把一個小的粒子近似的看作是球形的粒子，比如霧霾中的小的氣溶膠顆粒、雨滴的粒子、燃燒產生的煙塵顆粒、滴落的半融狀態(tài)的冰晶顆粒粒子，或者是生物的血細胞顆粒等等。在解決球形粒子的光散射問題的Mie理論中，典型的求解其內部場及散射場的展開系數的過程中，就需要用到電磁場的切向邊界條件，在球的表面半徑等于球半徑的地方，利用電磁場的切向連續(xù)邊界條件建立起球坐標系下的展開系數間的方程，從而求解出待求的散射場展開系數。在教學過程中，我們會將科研中實際應用的球坐標系下的電磁場邊界條件和電動力學課本中介紹的一般矢量形式的電磁場邊界條件進行對比介紹給同學們。

在課堂教學中我也會引入目前我正在研究進行中的科研項目，比如臨近空間的高超聲速目標的探測與識別，這些科研工作涉及物理-化學-熱力學等多個學科的交叉研究，具有物理的研究背景、數學的研究手段等在現代科研發(fā)展的過程中會起到非常重要的作用。

通過教學科研中這些相關內容的介紹，是想讓同學們了解到目前的科研工作中的實際情況就是越來越趨近于復雜的狀況，多個學科之間的交叉與融合成為了必然的選擇，每一個知識之間絕對的邊界在消失，知識體系在變得越來越復雜。只有在新的交叉融合的工科背景下構建新的教學科研體系才更有益于人才的培養(yǎng)和鍛煉。

2.4 電動力學課程的多維度教學內容也為科研工作的后續(xù)探索服務

在我們的教學中也針對不同同學的后續(xù)科研或工作需要，推薦給大家國內外的相關的優(yōu)秀教學資源。針對后續(xù)在海外留學意向的同學，我們推薦大學階段使用的電動力學課程的教材參考書包括：Griffiths 的《Introduction to Electrodynamics》，以及Jackson 的《Classical Electrodynamics》，另外，Stratton的《Electromagnetic Theory》推薦后續(xù)在國內從事研究的同學的課外閱讀資料包括：波恩&沃爾夫的《光學原理》等。

在課堂內、課堂外，我們推薦大家的國內外優(yōu)質教學資源的網站，慕課資源，課題制作等豐富多彩的研究內容和科研實踐活動。下面的表1是我們針對本校多年的學生情況進行的教學內容與后續(xù)科研工作情況教學改革的基本情況。

表1 分類培養(yǎng)的電動力學教學改革情況分析表

電動力學的教學改革的目標就是對學生的學術思想進行啟迪、引導和促進。幫助我們的應用物理學專業(yè)學生了解我們的專業(yè)，認同我們的專業(yè)，在課程的學習中補短板、練就過硬本領，實現創(chuàng)新思維和綜合應用能力的統一。注重學生的學習方法、技能、技巧等方面的培養(yǎng)和提高，達到培養(yǎng)人塑造人的最終目標。

3 總結

本文介紹了我校在依托應用物理專業(yè)開展電動力學課程教學改革實踐中的一些思考和體會，重點介紹了如何在新的交叉融合的研究背景下，進行課程教學的探索。通過對應用物理學專業(yè)多學科交叉融合背景下結合科研方向的人才培養(yǎng)方案的探索，可以為相關的多元化人才培養(yǎng)提供參考與依據。