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【研究生精品课程】探索铁磁奥秘,激发创新“磁”场
文:学生记者团 董云鹏 新闻中心 刘瑶 研究生院 胡添勇 图:受访者提供 来源:新闻中心 时间:2024-07-04 1863

1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了通过电流的导线周围存在磁场,即“电生磁”的物理现象;

1831年,英国物理学家法拉第发现了闭合回路中磁通量变化可产生感应电流,即“磁生电”的物理现象;

1865年,英国物理学家麦克斯韦在研究中总结出了“麦克斯韦方程组”,通过“场”的概念将电学与磁学二者紧密结合。

这些理工科大学生耳熟能详的科学发展史,揭示着电学与磁学之间密不可分的联系。然而,大部分人往往将注意力聚焦于生活中无处不在的“电”,而对看不见摸不着的“磁”鲜有关注。

为了增强材料科学相关专业研究生对磁学理论的了解,2002年,兰中文教授牵头开设了“铁磁学”这门课程。20多年来,课程始终立足于铁磁学理论基础,在课程建设上屡次优化改革,并成功入选学校第一批“研究生精品课程”建设名单。 

返璞归真:突出“知识型学科”本质  

“使学生能从微观物理本质来看待材料宏观性能变化的规律和机理,提高分析问题和解决问题的能力,增强思辨能力和集成创新能力,为研究新型材料和提高材料性能打好基础,是课程开设初衷之所在。”课程的首任主讲教师,兰中文教授感慨地说道。

作为材料科学与工程、材料与化工、电子信息材料与元器件等专业的基础课,“铁磁学”致力于让同学们从磁的角度认识和理解物质的属性,为材料的设计、合成、加工、分析、表征以及应用打好基础。

怎样更好地帮助同学们理解抽象的理论知识?如何让不同基础的学生在课上真正学有所获?课程组提出了“因材施教、优化课件、案例描述”三大举措,基础薄弱学生先通过自学、个别辅导等强化基础,理论基础扎实的学生,则侧重于拓展其知识视野,深化专业理解,并使用动画等教学辅助手段,通过生活中常见的事例将抽象的物理概念和理论形象化,深化学生的理解。 

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生动形象的举例常常出现在课程的讲述中,讲到自旋波时,老师举了“两人三足”的例子:“如奔跑中有同学因某种原因跌倒,就相当于磁矩受外界影响产生了自旋翻转,一个自旋的翻转会导致相邻自旋的翻转,形成此起彼伏的波动。如果把他们看成是电子自旋,就形成了自旋波。”

为了进一步提高课程教学质量,课程组还精心组织了一系列的教师交流讨论会,经常开展随堂听课,洞察教学的每一个细节,并精心制作了一系列的典型教学微视频和引导课,帮助学生更加直观和深入地理解课程知识。此外,课程组还广泛收集学生的听课反馈,不断调整和优化教学方式,并力求使教学内容更加贴近学生的实际需求。

“课程组老师认真严谨,帮助同学们克服了从宏观世界到微观世界认知转变中的种种困难。”材料学院2021级博士研究生吴涛说。从原理性的磁性分类、磁性来源,到较为深奥的分子场理论、超交换作用,“铁磁学”由浅入深,为学子打开了磁性世界的大门。

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铁磁学作为重要的物理学分支,其课程教材的更新与完善对于培养新一代科研创新人才至关重要。为了确保课程内容紧跟学科发展前沿,兰中文亲自手写了三本课程讲义,字里行间都透露着对知识的尊重和对教育事业的热爱。如今,课程负责人的交接棒已然传到四川省学术和技术带头人、材料与能源学院副院长孙科教授手中,并组成了精干的课程组,“铁磁学”在传承中行稳致远。

双管齐下:形成“教学互促”机制

课程组在多年的教学工作实践中总结出了一套行之有效的经验。首先,对课程的六章内容根据难易程度进行学时划分,在此基础上进行启发式教学,让学生提出问题,引入教学内容,围绕本学时重点和难点,深入分析,互动交流,把学生的注意力牢牢吸引在中心内容上,然后归纳总结,提炼结论,总体做到“深入浅出”。

从2023年开始,在已有教学积累的基础上,课程组进行了“大班授课、小班研讨”的教学改革,即在大班讲授的基础上,课程从教学实际需求出发,将80人左右的大班分为40人左右的两个小班,围绕课程内容开展小班研讨。学生通过查阅文献、梳理归纳、小组研究、答疑总结的前期准备,在课上进行小组交流、碰撞思辨、教师点评、相互启发。

这一课程改革加深了学生对课程知识的掌握,取得了良好的教学效果。“大班授课、小班研讨”这种方式激发了同学们的学习热情和创新精神。同学们也更愿意上台展示自我,并在其他同学的分享中获取更多样的思路,不仅扩充了眼界,也在同辈互助学习中提升了能力。”课程助教、材料与能源学院2021级博士研究生马泽南对此深有体会。

此外,课程组充分依托高水平教师队伍,持续加强与科研团队的交流合作及科研项目的深度融合,共同完成相关课题攻关,鼓励学生依托课程资源,积极参与科学研究,构建了“教学-实验-科研”三位一体协同机制。“这样可以有效加深学生对教学内容的理解,认识到课程内容不是虚无缥缈的,而是触手可及的。”课程组认为,课程与项目二者在融合中相辅相成、相得益彰。

为了进一步引导学生从解决实际问题出发,课程组注重加强与兄弟高校和研究院所资源共享和优势互补,尤其是推动材料与理工医等各学科的密切合作与互动,形成互为适应的教育资源管理和应用服务新机制,充分发挥学校特色学科建设与科学研究的强有力支撑作用。

截至目前,课程组与中电科技集团重庆声光电有限公司、中国电科第九研究所、广东东阳光磁性材料有限公司、四川京都龙泰科技有限公司、松山湖材料实验室等科研生产单位构建了持续性研究生校企联合培养模式,建立了良好的合作关系,形成了大开放、大协作的教学-科研-人才合作共赢新格局。

 课程思政:树牢科技报国信念

“如何进一步提高我校研究生培养质量,更好服务国家发展是我们必须认真深入思考的问题。”在22年的课程建设历程中,课程组始终注重强化“课程思政”建设,突出求真务实、开拓创新、精益求精的工匠精神,将“中国制造2025”、“新材料产业‘十四五’发展规划”等磁性领域中国家重大战略编入课程。

兰中文认为,历史传承在“铁磁学”的课程思政建设中占有举足轻重的地位。“因为会有部分人不从历史纵向的维度看待科技发展,所以我举了‘中国古代四大发明’之一司南的例子,表明两千多年前中国古人就会灵活地将磁现象运用于生产生活之中。”在课堂上,课程组通过阐述我国近代科学技术的发展历程,来增强同学们的文化自信。

在孙科看来,通过课程思政教育使同学们树立正确的科研价值观同样不可或缺。任何一门课都有自己的内在思想,课程思政最根本是要把这种专业内容中所蕴含的思想性挖掘和展示给学生,从而唤醒、激活和促使学生形成自己的思想,自觉践行社会主义核心价值观。“简言之,课程思政就是用科学思想和价值观塑造来引领我们的课程教学改革,就像盐溶于水。”孙科说道。

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在探讨“原子的壳层结构及其磁性”时,课程组提出材料的磁特性是原子磁矩的宏观呈现,增强学生求真务实、开拓创新的科学素养,有机融入国家与个人概念,引导学生构建国家-个人“命运共同体”;在讲授“自发磁化唯象理论”、“自发磁化交换作用理论”时,课程组瞄准当今铁磁、反铁磁、亚铁磁三种常见磁性材料领域世界前沿科技和国家重大需求,结合电子信息材料领域中的卡脖子技术等热点话题,不仅点燃学生对科学创新探索的热情,更能激发大家建设世界科技强国的使命感、责任感与紧迫感。

展望课程未来建设,孙科说,课程组正在着手编撰《铁磁学》教材,计划引入更多现代的实验方法和理论模型,确保学生能够掌握最前沿的铁磁学知识。同时,教材还将增加对新兴技术如磁存储、磁传感器等领域的介绍,以培养学生的创新思维和解决实际问题的能力。

“未来,课程组将以培养引领新材料发展与创新的学术精英、行业精英和创业精英作为目标,助力我国磁性材料的生产领域由‘并跑’变为‘领跑’,为我国高水平科技自立自强贡献成电力量。”老师们笃定地说。


编辑:刘瑶  / 审核:李果  / 发布:陈伟