【研究生精品课程】理论实践知行合一:把“平行线”变成“同心圆”

——记物理学院基于项目的研究生创新培养计划“电磁器件智能设计能力提升计划”

文:刘欣 苟灵 周晓宁 图:王任 / 来源:物理学院 / 2021-09-12 / 点击量:746

在课堂上学习到的理论知识不知道往哪里用,做科研时又苦于没有相应的基础支撑,这是令许多研究生苦恼的挑战。如何在教学中打破理论与实践割裂的僵局,引导学生把理论与实践统一起来?

今年8月,由研究生院、物理学院共同开展的基于项目的研究生创新培养计划——“电磁器件智能设计能力提升计划项目”给出了自己的答案,有效地把理论与实践的“平行线”变成了“同心圆”。

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王秉中教授在介绍课程

改革创新:项目专设“实践模块”

为了全面推进落实全国研究生教育会议精神,持续深化研究生教育教学改革,提升课程质量,学校在2020年启动了“基于项目的研究生创新培养计划”项目建设工作。物理学院积极响应,很快推出了“电磁器件智能设计能力提升计划项目”。

“电磁器件智能设计能力提升计划项目”面向在学研究生(包括硕士和博士)和应用物理强基计划高年级本科生,重点培养学生在电磁器件智能设计方面的方法创新能力和实践应用能力,力求培养自主学习,自主探究的科研型人才。

今年8月暑假期间,该项目的实践模块——“电磁器件智能设计实践训练”暑期训练班顺利开班。该训练班以“电磁器件智能设计”为主题,教学内容分为3个专题,包括20学时的课堂研讨和9天的学生课外实践。来自全校不同专业的27位博士生、硕士生和高年级本科生参加了暑期训练班的学习。

项目组负责人、物理学院院长王秉中教授负责本次暑期训练班的教学工作,主讲教师有王秉中教授、邵维教授、王任副教授三位老师。王秉中教授表示,要做到理论与实践的“知行合一”,不仅要在内容设计上改革,也要在教学模式上创新,引导学生把理论与实践融合起来,不仅要掌握电磁器件的智能设计方法,而且要提升创新思维和实践能力。

秉承“立德树人,服务需求,提高质量,追求卓越”的指导原则,“电磁器件智能设计能力提升计划项目”以“授课+研讨+长期综合设计”的全新形式,使“理论课”与“科研”水乳交融。课程的改革经验,显示出了重要的学术价值和工程应用前景。

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邵维教授在集中授课

循序渐进:根据实际设定难度

“电磁器件智能设计”共有3个专题,每个专题的教学都采用了“授课教师引导+小组学生研讨”的教学模式。在前期了解的基础上,项目组考虑到学生可能无法快速适应课题设计时间紧、任务重、难度大、要求高的特点,因此,在专题设计上,除了答疑解惑,还在教材、PPT的编辑上尽量贴合学生的知识水平,引导学生进入佳境。

教材怎么选,对学生学习很重要。项目组没有简单地拿来就用,而是在把握教学规律的基础上,结合学生的实际情况,动手自编课程讲义,传统的教材只被列为参考或建议阅读书目。

据介绍,新编的课程讲义涵盖了所在专题的主要知识框架,在设计上以引导为主、解释为辅,囊括了当前该专题学术范围内的主要研究领域。即便是没有接触过计算电磁学的同学,也能相对容易地进入学习状态。每个专题后面还设有可供学生选择的设计案例。在案例选择上,老师们筛选出了最符合课程进度和学生知识体系建设的案例,帮助学生循序渐进地掌握课程知识。

授课用的PPT也经过授课教师的反复打磨。例如,项目组王任副教授在《拓扑优化算法与电磁器件的逆设计》专题中讲到拓扑优化算法时,以斯坦福大学的一篇经典文献为依托,根据自己的理解对原文中的图作了少许改动,以更方便学生理解。

刘欣同学在学习了该专题之后表示:“王任老师的讲解条理清晰,用独特的方法诠释了晦涩的知识点,通过老师PPT上的图解,我在阅读相关文献、理解算法含义等方面都取得了长足的进步。”

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课后实训案例

融会贯通:理论实践辩证统一

电磁器件智能设计的方法创新及工程实现,涉及数学反问题建模、电磁逆散射分析、工程逆设计方法、电磁器件实现技术等诸多方面,具有融合数学、物理、工程、技术多学科知识和能力综合达成的特征。

邵维教授表示:“课程涉及的高等电磁场理论、格林函数、计算电磁学等知识,需要学生理解很多数学推导和物理意义,如果不辅以实际的案例设计,很容易使学生困在纯理论推导的境况中。”

为了避免学生只知理论、不知应用,致使理论知识成为“空中楼阁”,项目组基于“知行合一”的理念推出了新的教学模式,即:每个课题设计用三天时间来学习,第一天上午老师只讲授课题设计的基础理论知识,其余时间由学生分组进行案例设计。王秉中教授在课堂上对学生的要求是:“案例做到哪里算哪里,做不完也没关系,但是一定要动手去做,动手去写程序。”

正所谓“实践出真知”。在课题设计中做到理论与实践的辩证统一,学生才能真正透彻地理解知识,才能把理论落到实践层面,真切体会到理论知识的运用过程。学习了理论知识进而进入编程实现,这是“学以致用”;设计案例的过程中促进对所学理论的掌握,这是“用以致学”。

据介绍,该课程的三个专题的案例设计均需要通过编程来实现,而程序的编写思路、程序中的具体公式,都需要学生在熟悉理论知识的基础上提炼、整合,融会贯通。

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学生分小组进行实践

师生互动:教师引导学生研讨

在案例设计的过程中,王秉中教授综合考虑学生学习方向的不同,将学生分为三个组,每个组都由来自不同教研室的学生组成。在课题研讨过程中,学生结合自己所学提出对课题的见解,并分工合作进行文献解读、代码复现。对于课题设计过程中出现的困难,大家能够做到齐心协力、集思广益。在做第一个专题的三天时间里,王秉中教授发现,学生的协作越来越好,不断增进了团队合作的默契与信心。

在专题进行的第二天和第三天,学生们来到会议室作分组汇报,介绍设计进展以及设计经验。在分享经验的过程中,其他学生也能相互印证,从中汲取对自己的课题有帮助的观点和方法,同时加深对理论体系的理解。

对于学生在设计过程中的疑难问题,老师也会结合课堂内容作详尽辅导。邵维教授注意到第三小组对课题的展开有点困难,协助同学们改换了课题;有学生汇报的PPT非常精简,但没有很好地展现小组合作和研究的过程,邵维教授建议该小组的学生:“研讨,不仅在于展示成果,更在于分享过程,既要分享小组如何协作,也要分享设计过程如何展开。”

在课题设计中,选择一个正确的方向会起到“事半功倍”的效果,相反则导致“事倍功半”的情况。在每天的研讨中,老师都会及时对学生的探索方向作出引导和指正,确保学生在探讨设计中能以课题为中心,以专业知识为基础展开,保质保量地完成课题设计作业。

立德树人:课程思政润物无声

课程组始终坚持立德树人根本任务,潜移默化地引领学生立大志、担大任。王秉中教授在《计算电磁学》专业课教学中挖掘思政元素,将专业知识与社会热点,行业形态热点以及国际形势热点相结合,培养学生正确的人生观、价值观和世界观。

在介绍本课程的后续深入研究时,王秉中教授勉励同学们:“近年来,我们国家的科技发展突飞猛进,但也正面临一系列卡脖子的问题,大家选题时要不怕困难,勇往直前,把在本课程中所学的思路和技术用在国家亟需的研究领域,努力为国家发展做出自己最大的贡献。”

邵维教授表示,“电磁器件智能设计能力提升计划项目”以“授课+研讨+长期综合设计”的全新形式,使“理论课”与“科研”水乳交融,进一步强化科研育人,做到研究型的教、研究型的学。同学们把理论知识与科研项目实践相结合,通过综合性、设计性实验教学,以及科教融合的科研实践训练过程,潜移默化地塑造学生求实、合作、严谨、周密、坚韧的科学精神,强化为国家科技事业贡献力量的责任感和使命感。

王任副教授在指导学生案例设计过程中,要求同学们按照项目驱动的模式进行课题设计,学生结合自己所学提出对课题的见解,并分工合作进行文献解读、代码复现。对于设计过程中出现的困难,大家齐心协力、集思广益,随着团队合作的默契与信心的提升,同学们自主学习、吃苦耐劳、科研创新、团队合作能力和开拓创新的工匠精神都得到了很好的锻炼。

着眼未来:把短期收获转化为长期能力

为期9天的实践训练,使学生对电磁器件智能设计有了一定的了解,设计能力有了迅速提高,打下了电磁器件智能设计的基础。为了使学生能把握好这个基础,并在该基础上不断开拓创新,把短期收获转化为长期能力,该课程还设立了为期一年的长期项目。

据介绍,学生在项目组老师指导下所选的长期项目,一方面要结合科研项目,一方面必须是电磁器件智能设计的综合设计项目。这样做,是为了助力学生在后续的学习上把握方向、抓住重点,有利于研究生阶段的整体规划。

在课程考核上,不再局限于仅“课堂+考试”的考核模式,而是兼顾了“课程模块、实践训练、综合设计与相关讲座”,将长期项目与相关讲座纳入考核,延长了课程的考核周期同时拓宽了课程的考核范围,有利于开拓学生的眼界,学习到当前数学、物理、工程、技术等领域的先进知识。

项目组强调“要以发展的眼光看问题”。经过为期一年的长期项目与讲座知识的不断汲取,学生的知识体系将会不断得到重构与更新。与此同时,学生在不断发展中将各个阶段学习到的知识融会贯通,对于课题的研究也将不断趋于深入。

电磁器件智能设计方法以拓扑结构演化类算法为核心,可以用于天线、波导、多功器、耦合器等电磁器件设计,展示了传统设计方法难以实现的功能和难以达到的性能,极大地拓展了电磁器件设计的解空间和自由度、提高了电磁器件的集成度和性能。这门课程的设立,正契合了当今时代电子信息类人才的培养要求。

在项目组老师的共同努力下,这门课程做到了打破理论实践“平行线”的隔阂,使得理论实践变为“同心圆”共同发展。项目组表示,在之后的课程设计中也将力求做到更加贴合时代发展与人才培养的需要,着力打造愈加完善的精品课程。


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为了全面推进落实全国研究生教育会议精神,持续深化研究生教育教学改革,提升课程质量,电子科技大学于2020年启动了“基于项目的研究生创新培养计划”项目建设工作。通过“基于项目的研究生创新能力提升计划、基于项目的学科(类别)核心课程群(模块)、基于项目的研究生精品课程”三类项目建设,从培养方案、课程体系、课程三个层次改革研究生培养和教学模式,进一步完善科教融合、产教融合育人机制,培养具有知识创新能力和实践创新能力的高层次人才。

本项目属于“基于项目的研究生创新能力提升计划”项目,通过加强与服务国家重大战略需求的知名科研院所和行业领先企(事)业单位合作,基于实际科研合作项目,构建多学科(类别)交叉融合的课程体系,引入新的教学模式,强化科学思维和素养培养,重点提升学生跨专业的系统分析、设计与集成开发、研究与创新能力,培养宽广的视野、良好的职业素养和发展潜力,能服务于产、学、研等领域的相关工作。项目为学生提供多模块课程和基于实际项目的实践机会,学生可根据自己的兴趣、需求和时间选择课程模块和实践项目,经考核合格,便可获得学校颁发的研究生创新能力提升计划项目证书,提升就业竞争力。


编辑:李国一  / 审核:王晓刚  / 发布者:陈伟