“磁性物理与磁性材料”课程多模式教学设计与探索
时间：2023-04-08 22:20:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
左淑兰，张 虎，吴煜烨，蒋成保
（1.北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京 100191；
2.北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083）
近年来，我国高等教育的人才培养质量不断提升，对高等院校的教育教学提出了更高更明确的要求和目标。高等院校专业课程要适应人才质量的提高，实施改革刻不容缓。在此背景下，建设具有国际视野、能全面培养学生综合能力的高质量专业课程，具有重要价值。“磁性物理与磁性材料”课程是北京航空航天大学材料科学与工程学院开设的一门研究生专业理论课程，主要包括磁性物理与磁性材料两部分，课程内容丰富，涉及的基础理论知识贯穿磁学领域的多个方面，是本专业研究生后续学习和进行科研工作的基础。因此，“磁性物理与磁性材料”课程在研究生培养中具有重要地位。
对于多数尚未参加科研的本科生甚至研究生来说，对磁学的认识或理解是模糊的，也是碎片化的。利用“磁性物理与磁性材料”课程可以引导尚未参加实际科研工作的本科生和研究生了解本领域的基础理论及相关进展，有引导学生从课堂理论知识学习到科研实践的桥梁作用［1］。为了激发学生对磁性物理与磁性材料专业知识的学习兴趣，基于“强化基础、科教融通”的教学理念，采用针对性小班教学，将“知识点教学+翻转课堂+课堂研讨解决问题”等多模式融合的教学手段应用于教学实践，提高教学效果，引导学生重视磁性物理与磁性材料的基础知识，特别是量子力学条件下的磁性物理图像与材料磁性能的关联，以及磁性材料在实际应用中面临的问题，紧跟科技前沿，激发学生科研兴趣，培养学生分析问题和解决问题的能力，从而助力培养出基础知识扎实、自主学习能力和解决问题能力强的高素质新时代人才［2-3］。
“磁性物理与磁性材料”课程主要包含磁性物理与磁性材料两大部分内容，全面介绍了磁学基础知识、磁性起源、磁各向异性和磁致伸缩、磁畴理论和技术磁化等基础理论和软磁材料、永磁材料、磁致伸缩材料等典型的磁功能材料及其应用。目前，“磁性物理与磁性材料”课堂教学主要以较为传统的课堂讲授为主，课程信息量极大，涉及知识点多，基础理论和物理图像较为抽象，公式的建立及推导过程复杂，理解困难。例如，单个电子的自旋磁矩与轨道磁矩从物理和理论推导方面都很容易理解，但是计算原子磁矩时，需要考虑多电子自旋磁矩与轨道磁矩耦合，涉及量子力学和原子物理的知识，过程变化抽象，难以理解。
磁性物理与磁性材料是一个交叉性学科，与各个研究领域均有交叉融合，“磁性物理与磁性材料”课程以“固体物理”“原子物理”“量子力学”和“热力学与统计物理”等课程为基础，学习该课程内容，要求学生具备相关领域的理论知识。然而，由于研究生在本科阶段课程的差异，不同学生对这些基础课程的理解程度不同，课程进度较快，对于没有前期基础课程知识储备的学生来说难度较大。在只注重课程大纲内容的传统“灌输式”教学模式下，脱离学生实际情况的考虑，将直接影响学生对物理图像的理解及对专业知识的融会贯通。例如，该课程中的郎之万顺磁理论和外斯理论，推导涉及热力学与统计物理、量子力学和高等数学，若沉醉于推导公式，授课过程中学生缺乏参与感和学习的主动性，畏难和厌学等情绪则会高涨，影响教学效果。同时，在传统的课堂讲授过程中学生被动式接收知识，没有发挥学生的主体作用，无法满足现代教育和学生发展需求，也不利于实现全方位人才培养的目标。
此外，传统“磁性物理与磁性材料”课程教学内容主要集中于早期建立的基础理论知识。随着研究的不断深入，磁学领域的很多理论不断延伸。目前的教学内容缺乏对当前磁学领域前沿发展的补充拓展，导致基础理论知识与实际科研工作脱节，不利于培养学生分析问题和思考问题的能力。
针对目前“磁性物理与磁性材料”教学中存在的问题，依托北京航空航天大学材料科学与工程学院的研究生课程“磁性物理与磁性材料”，对该课程进行了“知识点教学+翻转课堂+课堂研讨解决问题”等多模式融合的教学改革的设计与探索。通过小班教学，课堂报告建立针对性教学内容，重视基础拓展的同时补充先进磁学理念，紧跟科技前沿，邀请国内外磁学领域专家授课，引入前沿热点的磁学科研实例，课堂中全员参与研讨，激发学生的学习兴趣和热情，达到理论联系实践、科研反哺课堂的目的和效果。
（一）小班教学，调研学生认知基础及研究方向，设置针对性教学内容
以学生为主体、教师为主导，充分发挥学生的主观能动性，是现代教育的重要思想之一。“磁性物理与磁性材料”课程采用小班教学，便于针对学生开展特色教学。在课程开始前，要求学生利用网络资源，查阅学习自己正在研究或者感兴趣的一种与磁性物理相关的效应或磁性材料。在首次课上，每位学生以PPT的形式介绍自己的学习成果。汇报过程中，教师和学生可以交流讨论自己所在研究方向目前存在的问题及可能的解决办法。首先，这一过程可以培养学生主动学习和思考的能力，并且有助于培养学生的团队合作精神和意识；
其次，学生在讲解过程中，如果出现对基础知识和概念误解等问题，主讲教师可以及时点评并纠正，加深学生的理解。基于此，在了解每一位学生研究方向的同时能够了解每一位学生目前对磁性物理及磁性材料基础课程的掌握情况。授课教师根据学生的需求和薄弱环节适当调整授课内容，开展针对性教学，在教学内容大框架不变的情况下，满足学生个性化需要。该研讨式教学模式的主导思想是以学生为主体，结合科学问题导向，全员参与，深入剖析问题，激发学生的求知动力与探索精神，使其积极主动学习，培养学生独立思考和解决问题的能力，最终取得了良好的教学效果［4-7］。
（二）经典教材加特色研究方向编写课件
北京航空航天大学材料科学与工程学院的研究生课程“磁性物理与磁性材料”针对一年级研究生所需的磁学基本知识，以《磁性物理学》（宛德福和马兴隆著）和《磁学基础知识与磁性材料》（严密和彭晓领著）为主要参考书目，结合学生的研究方向，根据学生需求适当调整授课内容，编写双语PPT课件，开展针对性教学。
双语课件中重点内容会以中英文交替出现，从多方面对一个问题进行阐述，加深学生的记忆和理解，从而提高课堂效果。学生在学习专业知识的同时积累本领域的专业英语词汇，有助于研究生今后的科研工作。例如，对于外斯理论和磁畴结构的描述等内容会以双语的形式出现在课件中，以中英文从不同的角度和形式描述这种微观、抽象的理论，以适应学生不同的思维方式，帮助学生深刻理解，方便后续的灵活应用。
（三）重视基础，翻转课堂，补充先进磁学理念
“磁性物理与磁性材料”课程的基础理论部分涉及大量的经典理论推导，要求学生具备必要的晶体结构基础知识，同时要对量子力学和原子物理有一定的了解。来自不同本科院校的研究生，前期知识储备差异较大，整体而言存在知识遗忘及概念模糊的问题。涉及的相关知识若讲解太多则占用学时，不讲解则影响教学效果。利用网络教学资源通过翻转课堂可以很好地解决这一问题。作为教师需要找到合适的资源，推荐给学生课外学习，适时督促便能有所成效。例如，对于量子力学相关的内容，国内外专家讲授的经典网络课程就能满足该课程的需求，在这些优质的视频课程中，像自旋、自旋-轨道耦合等抽象的概念都配有生动的讲解和形象的动画演示，学生自主观看学习就能有一些基本的理解，再结合课堂讨论与讲解，基础理论的理解问题就能解决。
磁学是一个古老而又年轻的学科，磁学领域的基础理论既有经典也存在一些拓展创新，传统的教材只有经典磁学理论，但在授课过程中需要补充先进磁学理念，有助于学生对专业知识的深入理解。例如，在磁畴理论部分，传统课程都是基于经典的磁畴理论，但近年来拓展的拓扑磁畴结构的研究目前采用的都是微磁学理论，特别是在薄膜材料中，很多情况磁畴理论不再适用，所以需要对该部分内容拓展讲解，使学生了解最新、全面的基本概念和知识。
（四）激发兴趣，紧跟前沿
为了避免课堂枯燥紧张，激发学生学习的热情和兴趣，在首次课程结束以后，建立“磁性物理与磁性材料”的公众号，鼓励学生撰写或转载磁性物理及磁性材料的基础理论知识、磁学发展史、磁性材料的神奇性能及前沿科研论文，为学生提供一个共享学习的平台。
例如，《我国古代关于磁现象的发现》《磁现象·我国古代磁学成就》《磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构》、Nobel Lecture: Origin,Development,and Future of Spintronics等文章以通俗易懂的语言，介绍了磁学的发展及磁学领域在实验和理论方面的最新研究进展，通过这些内容的介绍，学生能够实时掌握磁学领域的研究进展和热点，拓宽眼界，并且容易衔接课程内容，通过课堂的沟通交流，可以完成知识的吸收［8］。
结合教学内容，适时引入专题报告或优质网络资源，衔接科学前沿，深化理解，拓宽知识面，利用先进理念和实验现象激发学生的好奇心，引导学生探索未知。例如，在讲授磁畴理论时，引入磁畴结构最新的实验观测结果，如利用高分辨的透射电镜观测的畴壁结构变化，并利用所学的理论知识进行解释，证实理论的实用价值；
介绍科学前沿，如磁涡旋、磁泡、磁性斯格明子的最新研究成果，鼓励学生不断学习，坚持创新。在夯实基础理论的同时拓宽学生知识面，使学生感受到自己所学的内容与当前热点科学问题息息相关，从而激发学生的学习热情和动力。
（五）多媒体教学，通过动画展示磁性物理图像
“磁性物理与磁性材料”课程的另一个难点是理论公式较为复杂、物理图像难以理解。利用多媒体教学能够有效解决这一问题，例如，用计算软件如COMSOL、Matlab对这些复杂的公式进行直接求解或画出对应曲线，对影响参数和适用范围等进行直接演示和验证，方便直观理解，并能根据学生实时的提问进行验证。
多媒体教学还能使磁学的物理图像变得更加直观，让学生轻松理解。例如，磁致伸缩机理中的场致形变是晶粒在磁场中发生转动带着磁矩转动。因为涉及通过界面的一致转动，学生难以想象，但是这些难懂的物理图像可以通过动画清楚地表现出来，在理论解释的基础上，让学生能够有更加直观深刻的认识。此外，在讲授矫顽力机理的时候，需要理解磁畴在磁场作用下的形核、移动或钉扎等，这对于刚建立磁畴和畴壁概念的学生来说难以想象和理解。若结合常用专业软件OOMMF、MuMax3等对这一过程进行课堂演示教学，清楚直观。在此过程中邀请学生上台操作，促使学生发挥主观能动性，针对自己感兴趣的问题修改参数，探索各因素对这一过程的影响，激发学生探索问题和研究问题的热情。
（六）引入实例，课堂研讨解决问题，贴近研究生科研工作
“磁性物理与磁性材料”不仅是一门理论基础课程，还包含磁性材料的应用。磁性材料在我们的生活中应用广泛，无处不在，小至U盘、手机听筒，大到磁悬浮列车、卫星、飞船、火箭等。为了使课堂与科研实践相结合，我们在课堂教学中引入恰当的磁性材料实际应用实例。例如，针对当前研究的磁悬浮列车上使用的永磁材料中磁畴演化与矫顽力机理的研究，提出问题：“如果这个工作由你来完成，你准备进行什么表征？如何表征磁畴演化过程，如何将磁畴演化过程和矫顽力机理联系起来？”引导学生学会分析思考问题，并学会提出解决方案。然后，展示已经发表的文章中如何解决这些问题，进而让学生了解磁性物理图像的建立、问题的解决过程。鼓励学生利用学校文献资源，查阅文献，寻找更加简便、有用的解决问题的办法，并在课堂讨论不同方法之间的优劣。
这样的教学方式，会极大地激发学生的对授课内容的兴趣，通过当前磁学中热点研究问题，引导学生利用已经学过的知识思考解决问题，学以致用。
（七）邀请国内外磁学领域专家授课
为了增加学生对磁性物理及磁性材料领域前沿热点研究方向的认知，拓宽视野，激发学生对磁学的研究兴趣，本课程将邀请国内外磁学领域的专家，通过腾讯会议的方式面对面交流，介绍相关磁学领域的最新理论和材料研究进展。例如，邀请日本理化学研究所的Yoshinori Tokura教授讲解磁性材料在磁储存领域应用面临的瓶颈问题及拓扑磁畴结构作为新型存储介质的优势，邀请沈保根研究员讲解稀土永磁材料在磁悬浮列车和航空航天中的应用。科学家们善于从科学研究的角度引出问题、解决问题，更容易激发学生的兴趣。
（八）挖掘思政元素并融入课堂教学
基于“磁性物理与磁性材料”课程在相关领域研究生培养中的重要性，积极响应习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上提出的使各类课程与思想政治理论课同向同行的要求［9］，该课程蕴含的思想政治资源也需深入挖掘，使其发挥在学生思想政治培养方面的重要作用。基于科教融合的课程设计，课程中关联的科学认识规律、科学家们不畏艰难坚持探索的精神和高尚道德情操，以及蕴含的哲学思想等思政元素都能引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观，提高学生的政治素养，实现传授知识与价值引领相融合［10］。
例如，该课程开始的绪论部分主要介绍磁学的发展历史和基础知识，旨在阐明磁学和磁性材料的重要性。在讲授该部分的过程中，引入了磁学发展历史中的典型事件介绍，如：中国是最先应用磁性的国家，早在公元前4世纪就利用磁石制成了司南（指南针的前身），开始了磁学的研究。以磁学发展为引子，让学生体会到科学认知要循序渐进，不能一蹴而就。以我国科学研究方面的光辉历史引导学生树立民族自信、文化自信。
我校作为国家航天领域的服务学校，在授课过程中培养学生为祖国航空航天事业奉献的责任感和使命感。例如，在磁性材料部分，可以介绍永磁材料在重大工程中的应用，如我国自主研发的永磁材料已经应用于神舟系列飞船、嫦娥系列卫星、5G通信等。
虽然“磁性物理与磁性材料”课程是专业理论课，但是实用性很强，基本概念、物理图像和处理问题的思路和方法尤为重要，单一的考试很难反映学生真实的学习情况。合理设计考核方式可以提高学生对各部分课堂内容设计的重视程度，有助于提升教学效果。基于“强化基础、科教融通、以学生为本”的教学理念，在本课程的考核上突出了“学习过程评价”和“多元化考核”。通过学生在课程初期汇报关于磁学理论的基本认识，到中期的课堂提问及课程结束时的总结汇报，全方位让学生展示自己的听课成果。加入学生自我评价成绩及学生评价成绩，综合教师的评价及试卷结果得到学生的最终成绩。这一过程学生全程参与，考核多元化，可在吸引学生兴趣的同时提升教学效果。
“磁性物理与磁性材料”课程的难点是如何将抽象的物理图像形象化，如何将复杂的公式直观化，如何将抽象的基础理论知识与解决科学研究中的实际问题相联系。受限于理论知识较深，传统的教学模式难以使学生很好地理解和掌握。我们通过“知识点教学+翻转课堂+分组讨论解决问题”等多模式融合的手段来提高教学效果，将“重视基础，激发兴趣，紧跟前沿，特色小班教学”的设计应用于“磁性物理与磁性材料”这一研究生课程的教学实践，同时融入课程思政元素，获得了良好的教学效果。这种多模式教学不仅能使学生的基础理论知识扎实、知识面拓宽，还能提高学生利用所学的理论知识解决实际问题的能力，有助于培养善于独立思考、强于解决问题、乐于交流的新时代综合性人才，在类似课程教学改革中具有推广价值。
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