“磁性物理與磁性材料”課程多模式教學(xué)設(shè)計與探索

左淑蘭，張 虎，吳煜燁，蔣成保

（1.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

近年來，我國高等教育的人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提升，對高等院校的教育教學(xué)提出了更高更明確的要求和目標(biāo)。高等院校專業(yè)課程要適應(yīng)人才質(zhì)量的提高，實施改革刻不容緩。在此背景下，建設(shè)具有國際視野、能全面培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的高質(zhì)量專業(yè)課程，具有重要價值。“磁性物理與磁性材料”課程是北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院開設(shè)的一門研究生專業(yè)理論課程，主要包括磁性物理與磁性材料兩部分，課程內(nèi)容豐富，涉及的基礎(chǔ)理論知識貫穿磁學(xué)領(lǐng)域的多個方面，是本專業(yè)研究生后續(xù)學(xué)習(xí)和進(jìn)行科研工作的基礎(chǔ)。因此，“磁性物理與磁性材料”課程在研究生培養(yǎng)中具有重要地位。

對于多數(shù)尚未參加科研的本科生甚至研究生來說，對磁學(xué)的認(rèn)識或理解是模糊的，也是碎片化的。利用“磁性物理與磁性材料”課程可以引導(dǎo)尚未參加實際科研工作的本科生和研究生了解本領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論及相關(guān)進(jìn)展，有引導(dǎo)學(xué)生從課堂理論知識學(xué)習(xí)到科研實踐的橋梁作用［1］。為了激發(fā)學(xué)生對磁性物理與磁性材料專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣，基于“強(qiáng)化基礎(chǔ)、科教融通”的教學(xué)理念，采用針對性小班教學(xué)，將“知識點教學(xué)+翻轉(zhuǎn)課堂+課堂研討解決問題”等多模式融合的教學(xué)手段應(yīng)用于教學(xué)實踐，提高教學(xué)效果，引導(dǎo)學(xué)生重視磁性物理與磁性材料的基礎(chǔ)知識，特別是量子力學(xué)條件下的磁性物理圖像與材料磁性能的關(guān)聯(lián)，以及磁性材料在實際應(yīng)用中面臨的問題，緊跟科技前沿，激發(fā)學(xué)生科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，從而助力培養(yǎng)出基礎(chǔ)知識扎實、自主學(xué)習(xí)能力和解決問題能力強(qiáng)的高素質(zhì)新時代人才［2-3］。

一、存在的問題

“磁性物理與磁性材料”課程主要包含磁性物理與磁性材料兩大部分內(nèi)容，全面介紹了磁學(xué)基礎(chǔ)知識、磁性起源、磁各向異性和磁致伸縮、磁疇理論和技術(shù)磁化等基礎(chǔ)理論和軟磁材料、永磁材料、磁致伸縮材料等典型的磁功能材料及其應(yīng)用。目前，“磁性物理與磁性材料”課堂教學(xué)主要以較為傳統(tǒng)的課堂講授為主，課程信息量極大，涉及知識點多，基礎(chǔ)理論和物理圖像較為抽象，公式的建立及推導(dǎo)過程復(fù)雜，理解困難。例如，單個電子的自旋磁矩與軌道磁矩從物理和理論推導(dǎo)方面都很容易理解，但是計算原子磁矩時，需要考慮多電子自旋磁矩與軌道磁矩耦合，涉及量子力學(xué)和原子物理的知識，過程變化抽象，難以理解。

磁性物理與磁性材料是一個交叉性學(xué)科，與各個研究領(lǐng)域均有交叉融合，“磁性物理與磁性材料”課程以“固體物理”“原子物理”“量子力學(xué)”和“熱力學(xué)與統(tǒng)計物理”等課程為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)該課程內(nèi)容，要求學(xué)生具備相關(guān)領(lǐng)域的理論知識。然而，由于研究生在本科階段課程的差異，不同學(xué)生對這些基礎(chǔ)課程的理解程度不同，課程進(jìn)度較快，對于沒有前期基礎(chǔ)課程知識儲備的學(xué)生來說難度較大。在只注重課程大綱內(nèi)容的傳統(tǒng)“灌輸式”教學(xué)模式下，脫離學(xué)生實際情況的考慮，將直接影響學(xué)生對物理圖像的理解及對專業(yè)知識的融會貫通。例如，該課程中的郎之萬順磁理論和外斯理論，推導(dǎo)涉及熱力學(xué)與統(tǒng)計物理、量子力學(xué)和高等數(shù)學(xué)，若沉醉于推導(dǎo)公式，授課過程中學(xué)生缺乏參與感和學(xué)習(xí)的主動性，畏難和厭學(xué)等情緒則會高漲，影響教學(xué)效果。同時，在傳統(tǒng)的課堂講授過程中學(xué)生被動式接收知識，沒有發(fā)揮學(xué)生的主體作用，無法滿足現(xiàn)代教育和學(xué)生發(fā)展需求，也不利于實現(xiàn)全方位人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

此外，傳統(tǒng)“磁性物理與磁性材料”課程教學(xué)內(nèi)容主要集中于早期建立的基礎(chǔ)理論知識。隨著研究的不斷深入，磁學(xué)領(lǐng)域的很多理論不斷延伸。目前的教學(xué)內(nèi)容缺乏對當(dāng)前磁學(xué)領(lǐng)域前沿發(fā)展的補(bǔ)充拓展，導(dǎo)致基礎(chǔ)理論知識與實際科研工作脫節(jié)，不利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和思考問題的能力。

二、多模式教學(xué)

針對目前“磁性物理與磁性材料”教學(xué)中存在的問題，依托北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究生課程“磁性物理與磁性材料”，對該課程進(jìn)行了“知識點教學(xué)+翻轉(zhuǎn)課堂+課堂研討解決問題”等多模式融合的教學(xué)改革的設(shè)計與探索。通過小班教學(xué)，課堂報告建立針對性教學(xué)內(nèi)容，重視基礎(chǔ)拓展的同時補(bǔ)充先進(jìn)磁學(xué)理念，緊跟科技前沿，邀請國內(nèi)外磁學(xué)領(lǐng)域?qū)＜沂谡n，引入前沿?zé)狳c的磁學(xué)科研實例，課堂中全員參與研討，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，達(dá)到理論聯(lián)系實踐、科研反哺課堂的目的和效果。

（一）小班教學(xué)，調(diào)研學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)及研究方向，設(shè)置針對性教學(xué)內(nèi)容

以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，是現(xiàn)代教育的重要思想之一。“磁性物理與磁性材料”課程采用小班教學(xué)，便于針對學(xué)生開展特色教學(xué)。在課程開始前，要求學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源，查閱學(xué)習(xí)自己正在研究或者感興趣的一種與磁性物理相關(guān)的效應(yīng)或磁性材料。在首次課上，每位學(xué)生以PPT的形式介紹自己的學(xué)習(xí)成果。匯報過程中，教師和學(xué)生可以交流討論自己所在研究方向目前存在的問題及可能的解決辦法。首先，這一過程可以培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和思考的能力，并且有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神和意識；其次，學(xué)生在講解過程中，如果出現(xiàn)對基礎(chǔ)知識和概念誤解等問題，主講教師可以及時點評并糾正，加深學(xué)生的理解?；诖?，在了解每一位學(xué)生研究方向的同時能夠了解每一位學(xué)生目前對磁性物理及磁性材料基礎(chǔ)課程的掌握情況。授課教師根據(jù)學(xué)生的需求和薄弱環(huán)節(jié)適當(dāng)調(diào)整授課內(nèi)容，開展針對性教學(xué)，在教學(xué)內(nèi)容大框架不變的情況下，滿足學(xué)生個性化需要。該研討式教學(xué)模式的主導(dǎo)思想是以學(xué)生為主體，結(jié)合科學(xué)問題導(dǎo)向，全員參與，深入剖析問題，激發(fā)學(xué)生的求知動力與探索精神，使其積極主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決問題的能力，最終取得了良好的教學(xué)效果［4-7］。

（二）經(jīng)典教材加特色研究方向編寫課件

北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究生課程“磁性物理與磁性材料”針對一年級研究生所需的磁學(xué)基本知識，以《磁性物理學(xué)》（宛德福和馬興隆著）和《磁學(xué)基礎(chǔ)知識與磁性材料》（嚴(yán)密和彭曉領(lǐng)著）為主要參考書目，結(jié)合學(xué)生的研究方向，根據(jù)學(xué)生需求適當(dāng)調(diào)整授課內(nèi)容，編寫雙語PPT課件，開展針對性教學(xué)。

雙語課件中重點內(nèi)容會以中英文交替出現(xiàn)，從多方面對一個問題進(jìn)行闡述，加深學(xué)生的記憶和理解，從而提高課堂效果。學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時積累本領(lǐng)域的專業(yè)英語詞匯，有助于研究生今后的科研工作。例如，對于外斯理論和磁疇結(jié)構(gòu)的描述等內(nèi)容會以雙語的形式出現(xiàn)在課件中，以中英文從不同的角度和形式描述這種微觀、抽象的理論，以適應(yīng)學(xué)生不同的思維方式，幫助學(xué)生深刻理解，方便后續(xù)的靈活應(yīng)用。

（三）重視基礎(chǔ)，翻轉(zhuǎn)課堂，補(bǔ)充先進(jìn)磁學(xué)理念

“磁性物理與磁性材料”課程的基礎(chǔ)理論部分涉及大量的經(jīng)典理論推導(dǎo)，要求學(xué)生具備必要的晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識，同時要對量子力學(xué)和原子物理有一定的了解。來自不同本科院校的研究生，前期知識儲備差異較大，整體而言存在知識遺忘及概念模糊的問題。涉及的相關(guān)知識若講解太多則占用學(xué)時，不講解則影響教學(xué)效果。利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源通過翻轉(zhuǎn)課堂可以很好地解決這一問題。作為教師需要找到合適的資源，推薦給學(xué)生課外學(xué)習(xí)，適時督促便能有所成效。例如，對于量子力學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，國內(nèi)外專家講授的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)課程就能滿足該課程的需求，在這些優(yōu)質(zhì)的視頻課程中，像自旋、自旋-軌道耦合等抽象的概念都配有生動的講解和形象的動畫演示，學(xué)生自主觀看學(xué)習(xí)就能有一些基本的理解，再結(jié)合課堂討論與講解，基礎(chǔ)理論的理解問題就能解決。

磁學(xué)是一個古老而又年輕的學(xué)科，磁學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論既有經(jīng)典也存在一些拓展創(chuàng)新，傳統(tǒng)的教材只有經(jīng)典磁學(xué)理論，但在授課過程中需要補(bǔ)充先進(jìn)磁學(xué)理念，有助于學(xué)生對專業(yè)知識的深入理解。例如，在磁疇理論部分，傳統(tǒng)課程都是基于經(jīng)典的磁疇理論，但近年來拓展的拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)的研究目前采用的都是微磁學(xué)理論，特別是在薄膜材料中，很多情況磁疇理論不再適用，所以需要對該部分內(nèi)容拓展講解，使學(xué)生了解最新、全面的基本概念和知識。

（四）激發(fā)興趣，緊跟前沿

為了避免課堂枯燥緊張，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣，在首次課程結(jié)束以后，建立“磁性物理與磁性材料”的公眾號，鼓勵學(xué)生撰寫或轉(zhuǎn)載磁性物理及磁性材料的基礎(chǔ)理論知識、磁學(xué)發(fā)展史、磁性材料的神奇性能及前沿科研論文，為學(xué)生提供一個共享學(xué)習(xí)的平臺。

例如，《我國古代關(guān)于磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)》《磁現(xiàn)象·我國古代磁學(xué)成就》《磁性材料的磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)》、Nobel Lecture: Origin,Development,and Future of Spintronics等文章以通俗易懂的語言，介紹了磁學(xué)的發(fā)展及磁學(xué)領(lǐng)域在實驗和理論方面的最新研究進(jìn)展，通過這些內(nèi)容的介紹，學(xué)生能夠?qū)崟r掌握磁學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展和熱點，拓寬眼界，并且容易銜接課程內(nèi)容，通過課堂的溝通交流，可以完成知識的吸收［8］。

結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，適時引入專題報告或優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)資源，銜接科學(xué)前沿，深化理解，拓寬知識面，利用先進(jìn)理念和實驗現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生探索未知。例如，在講授磁疇理論時，引入磁疇結(jié)構(gòu)最新的實驗觀測結(jié)果，如利用高分辨的透射電鏡觀測的疇壁結(jié)構(gòu)變化，并利用所學(xué)的理論知識進(jìn)行解釋，證實理論的實用價值；介紹科學(xué)前沿，如磁渦旋、磁泡、磁性斯格明子的最新研究成果，鼓勵學(xué)生不斷學(xué)習(xí)，堅持創(chuàng)新。在夯實基礎(chǔ)理論的同時拓寬學(xué)生知識面，使學(xué)生感受到自己所學(xué)的內(nèi)容與當(dāng)前熱點科學(xué)問題息息相關(guān)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動力。

（五）多媒體教學(xué)，通過動畫展示磁性物理圖像

“磁性物理與磁性材料”課程的另一個難點是理論公式較為復(fù)雜、物理圖像難以理解。利用多媒體教學(xué)能夠有效解決這一問題，例如，用計算軟件如COMSOL、Matlab對這些復(fù)雜的公式進(jìn)行直接求解或畫出對應(yīng)曲線，對影響參數(shù)和適用范圍等進(jìn)行直接演示和驗證，方便直觀理解，并能根據(jù)學(xué)生實時的提問進(jìn)行驗證。

多媒體教學(xué)還能使磁學(xué)的物理圖像變得更加直觀，讓學(xué)生輕松理解。例如，磁致伸縮機(jī)理中的場致形變是晶粒在磁場中發(fā)生轉(zhuǎn)動帶著磁矩轉(zhuǎn)動。因為涉及通過界面的一致轉(zhuǎn)動，學(xué)生難以想象，但是這些難懂的物理圖像可以通過動畫清楚地表現(xiàn)出來，在理論解釋的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生能夠有更加直觀深刻的認(rèn)識。此外，在講授矯頑力機(jī)理的時候，需要理解磁疇在磁場作用下的形核、移動或釘扎等，這對于剛建立磁疇和疇壁概念的學(xué)生來說難以想象和理解。若結(jié)合常用專業(yè)軟件OOMMF、MuMax3等對這一過程進(jìn)行課堂演示教學(xué)，清楚直觀。在此過程中邀請學(xué)生上臺操作，促使學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，針對自己感興趣的問題修改參數(shù)，探索各因素對這一過程的影響，激發(fā)學(xué)生探索問題和研究問題的熱情。

（六）引入實例，課堂研討解決問題，貼近研究生科研工作

“磁性物理與磁性材料”不僅是一門理論基礎(chǔ)課程，還包含磁性材料的應(yīng)用。磁性材料在我們的生活中應(yīng)用廣泛，無處不在，小至U盤、手機(jī)聽筒，大到磁懸浮列車、衛(wèi)星、飛船、火箭等。為了使課堂與科研實踐相結(jié)合，我們在課堂教學(xué)中引入恰當(dāng)?shù)拇判圆牧蠈嶋H應(yīng)用實例。例如，針對當(dāng)前研究的磁懸浮列車上使用的永磁材料中磁疇演化與矯頑力機(jī)理的研究，提出問題：“如果這個工作由你來完成，你準(zhǔn)備進(jìn)行什么表征？如何表征磁疇演化過程，如何將磁疇演化過程和矯頑力機(jī)理聯(lián)系起來？”引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析思考問題，并學(xué)會提出解決方案。然后，展示已經(jīng)發(fā)表的文章中如何解決這些問題，進(jìn)而讓學(xué)生了解磁性物理圖像的建立、問題的解決過程。鼓勵學(xué)生利用學(xué)校文獻(xiàn)資源，查閱文獻(xiàn)，尋找更加簡便、有用的解決問題的辦法，并在課堂討論不同方法之間的優(yōu)劣。

這樣的教學(xué)方式，會極大地激發(fā)學(xué)生的對授課內(nèi)容的興趣，通過當(dāng)前磁學(xué)中熱點研究問題，引導(dǎo)學(xué)生利用已經(jīng)學(xué)過的知識思考解決問題，學(xué)以致用。

（七）邀請國內(nèi)外磁學(xué)領(lǐng)域?qū)＜沂谡n

為了增加學(xué)生對磁性物理及磁性材料領(lǐng)域前沿?zé)狳c研究方向的認(rèn)知，拓寬視野，激發(fā)學(xué)生對磁學(xué)的研究興趣，本課程將邀請國內(nèi)外磁學(xué)領(lǐng)域的專家，通過騰訊會議的方式面對面交流，介紹相關(guān)磁學(xué)領(lǐng)域的最新理論和材料研究進(jìn)展。例如，邀請日本理化學(xué)研究所的Yoshinori Tokura教授講解磁性材料在磁儲存領(lǐng)域應(yīng)用面臨的瓶頸問題及拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)作為新型存儲介質(zhì)的優(yōu)勢，邀請沈保根研究員講解稀土永磁材料在磁懸浮列車和航空航天中的應(yīng)用。科學(xué)家們善于從科學(xué)研究的角度引出問題、解決問題，更容易激發(fā)學(xué)生的興趣。

（八）挖掘思政元素并融入課堂教學(xué)

基于“磁性物理與磁性材料”課程在相關(guān)領(lǐng)域研究生培養(yǎng)中的重要性，積極響應(yīng)習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上提出的使各類課程與思想政治理論課同向同行的要求［9］，該課程蘊(yùn)含的思想政治資源也需深入挖掘，使其發(fā)揮在學(xué)生思想政治培養(yǎng)方面的重要作用?；诳平倘诤系恼n程設(shè)計，課程中關(guān)聯(lián)的科學(xué)認(rèn)識規(guī)律、科學(xué)家們不畏艱難堅持探索的精神和高尚道德情操，以及蘊(yùn)含的哲學(xué)思想等思政元素都能引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，提高學(xué)生的政治素養(yǎng)，實現(xiàn)傳授知識與價值引領(lǐng)相融合［10］。

例如，該課程開始的緒論部分主要介紹磁學(xué)的發(fā)展歷史和基礎(chǔ)知識，旨在闡明磁學(xué)和磁性材料的重要性。在講授該部分的過程中，引入了磁學(xué)發(fā)展歷史中的典型事件介紹，如：中國是最先應(yīng)用磁性的國家，早在公元前4世紀(jì)就利用磁石制成了司南（指南針的前身），開始了磁學(xué)的研究。以磁學(xué)發(fā)展為引子，讓學(xué)生體會到科學(xué)認(rèn)知要循序漸進(jìn)，不能一蹴而就。以我國科學(xué)研究方面的光輝歷史引導(dǎo)學(xué)生樹立民族自信、文化自信。

我校作為國家航天領(lǐng)域的服務(wù)學(xué)校，在授課過程中培養(yǎng)學(xué)生為祖國航空航天事業(yè)奉獻(xiàn)的責(zé)任感和使命感。例如，在磁性材料部分，可以介紹永磁材料在重大工程中的應(yīng)用，如我國自主研發(fā)的永磁材料已經(jīng)應(yīng)用于神舟系列飛船、嫦娥系列衛(wèi)星、5G通信等。

三、考核方式

雖然“磁性物理與磁性材料”課程是專業(yè)理論課，但是實用性很強(qiáng)，基本概念、物理圖像和處理問題的思路和方法尤為重要，單一的考試很難反映學(xué)生真實的學(xué)習(xí)情況。合理設(shè)計考核方式可以提高學(xué)生對各部分課堂內(nèi)容設(shè)計的重視程度，有助于提升教學(xué)效果?；凇皬?qiáng)化基礎(chǔ)、科教融通、以學(xué)生為本”的教學(xué)理念，在本課程的考核上突出了“學(xué)習(xí)過程評價”和“多元化考核”。通過學(xué)生在課程初期匯報關(guān)于磁學(xué)理論的基本認(rèn)識，到中期的課堂提問及課程結(jié)束時的總結(jié)匯報，全方位讓學(xué)生展示自己的聽課成果。加入學(xué)生自我評價成績及學(xué)生評價成績，綜合教師的評價及試卷結(jié)果得到學(xué)生的最終成績。這一過程學(xué)生全程參與，考核多元化，可在吸引學(xué)生興趣的同時提升教學(xué)效果。

結(jié)語

“磁性物理與磁性材料”課程的難點是如何將抽象的物理圖像形象化，如何將復(fù)雜的公式直觀化，如何將抽象的基礎(chǔ)理論知識與解決科學(xué)研究中的實際問題相聯(lián)系。受限于理論知識較深，傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以使學(xué)生很好地理解和掌握。我們通過“知識點教學(xué)+翻轉(zhuǎn)課堂+分組討論解決問題”等多模式融合的手段來提高教學(xué)效果，將“重視基礎(chǔ)，激發(fā)興趣，緊跟前沿，特色小班教學(xué)”的設(shè)計應(yīng)用于“磁性物理與磁性材料”這一研究生課程的教學(xué)實踐，同時融入課程思政元素，獲得了良好的教學(xué)效果。這種多模式教學(xué)不僅能使學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識扎實、知識面拓寬，還能提高學(xué)生利用所學(xué)的理論知識解決實際問題的能力，有助于培養(yǎng)善于獨立思考、強(qiáng)于解決問題、樂于交流的新時代綜合性人才，在類似課程教學(xué)改革中具有推廣價值。