基于科研与教学互促的教学改革研究

李 彤，梁贤干，李伟钊

（长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410114）

随着现代电子科学技术的发展，电子设备的数量及种类不断增加，电磁环境（EME）也日趋复杂，改善系统间的电磁兼容性就显得越来越重要。电磁兼容理论的飞速发展，使其在IT信息技术领域、医疗器械、航空航天等领域得到广泛运用。《电磁兼容理论与设计》是电子专业学生重要的专业选修课程之一，本门课程注重理论知识的讲解，同时也要对实际案例中的电磁兼容情况进行详细分析。因此，学生参与学习的过程中，不仅要掌握电磁兼容的理论知识，而且需要了解电磁兼容技术的国内外发展现状及相关应用成果。

结合时代发展的趋势，我们需要在传统教学方式的基础上，为《电磁兼容理论与设计》这门课程注入新活力。习近平总书记在文章《努力成为世界主要科学中心和创新高地》中强调了培养创新性科研人才的重要性[1]。我们可以通过将科研引入课堂的方式，鼓励学生在学习理论基础的同时，拓宽其学术视野，激发其探索新鲜事物的精神。探索科研参与课堂、课堂反哺科研的教学方式，更有利于为社会的发展培养创新型人才。

1 树立教学与科研并重的思想

教学是科研的基础，能够指引并促进科研的发展。科研是教学的目的，对教学具有反馈作用。科研有助于教学系统的完善，促进教学内容的改革，提高教学质量；能够帮助学生进一步了解科学，增强学习积极性，明确发展目标。科学合理地把握好教学与科研的关系，通过以教学推动科研，以科研促进教学，以相辅相成的关系形成教学与科研的良性互动，促进二者共同发展，对于提高教师总体水平、提高教学质量都是非常关键的[2]。

与前辈教师不同的是，青年教师进入课堂的时间较短，对于如何上好课、教好学生及管理课堂等，尚处于磨合的阶段。因此，在青年教师的课堂中，更有利于探索和实现科研与教学相结合的新型教学模式。其一，青年教师可以把与自身相关的科学研究成果和方法引入和渗透到教学环节中，将科研课题分解后作为教学案例在课堂中进行研究性教学。其二，青年教师与学生年龄差距不大，与学生能够进行良好的沟通，借此吸引学生参与科研课题中以培养他们的思维逻辑能力。以大学生科研创新平台为依托，建立科研创新项目小组，促进教学与科研的有机结合，以此提高教学质量和学生的综合素质。其三，科研创新项目又能反向拓宽学生的学术视野，帮助他们了解更多前沿科研动态，从而进一步确定自己的兴趣方向，以兴趣带动学习更有利于发挥自身的主观能动性，成为新时代下社会发展所需的创新型人才[3]。

2 科研融入教学的方式

《电磁兼容理论与设计》是电子专业的重要选修专业课程之一，设置为2学分/32课时。主要采用多媒体教学，重点介绍电磁兼容的理论知识部分，并穿插电磁兼容案例分析，依次讲解：电磁兼容概论、电磁干扰源、电磁干扰的耦合与传播、接地与搭接技术、屏蔽技术、滤波技术等基本知识，分析不同器件之间由于电磁兼容带来的各项效应，同时配置相关视频演示资料。由于所讲解课程多为理论知识部分，对学生来说难免枯燥。从改革教学模式、调动课堂氛围、提高学习积极性的角度出发，笔者考虑在传统课堂中，增加学生分享科技文献的环节，提高学生的课堂参与度[4]。

为了使学生进一步理解电磁兼容理论知识并锻炼学生的自主学习能力，在课堂中不妨以学生为主体，在理论课堂的讲解中穿插学生自主分享科技文献的环节，以此使学生更快地融入到课堂氛围之中，更为广泛的了解电磁兼容前沿成果。笔者为此准备了多篇与电磁兼容相关的文献供学生们自主选择，学生也可选择与其所感兴趣研究方向相关的电磁兼容性文献进行分享，时间安排为每次课程的第二大节课，每次汇报时间安排约为20分钟，并会在每名学生汇报分享文献内容之后，鼓励其他同学对分享内容进行提问和分析，既能让全体学生学习到阅读科研文献的方法，也能让他们更为全面的理解课堂内容所涉及的各个领域的相关应用。

除此以外，笔者还将此环节列入课程的考核要求之中，既鼓励学生在教师的引导下结合兴趣进行自主学习，又从一定程度上对分享内容进行合理、科学的约束，锻炼了学生的逻辑思维能力。通过以上考核方法，能够打破传统课堂以单一的考试方式考核学生掌握课堂内容的局限性，综合测评了学生对课程内容的掌握程度，及学生自主学习、科技文献阅读、知识分享及分析问题的能力，为下一阶段的科研学习打下良好的基础。

3 教学带动科研的方式

无线电电子设备的电磁兼容性是指发射机和接收机在受到干扰时在实际环境中以所需水准运行的能力。在设计电子设备时，考虑到其电磁兼容性，需要采取一定的防护手段。这些技术措施可以确保设备的内部抗扰度，也可对电子设备运行期间可能出现的外部影响进行抗干扰处理[5]，那么设备之间的电磁屏蔽就显得尤为重要。吸收器可作为实现电磁屏蔽的方法之一，笔者结合自身科研项目的情况，可就如何利用微纳光学结构设计吸收器实现电磁屏蔽的内容融入教学中，帮助学生深刻理解电磁屏蔽技术在前沿科学中的应用。

3.1 电磁屏蔽的原理

电磁屏蔽的原理就是当电磁波到达屏蔽体表面时，由于电介质和屏蔽层的交界面上阻抗不连续（二者波阻抗不相同），电磁波的一部分能量被反射掉，另一部分进入屏蔽体并在传播的过程中受到衰减，也就是所谓的吸收。在屏蔽体内尚未衰减掉的能量，会由于反射传到材料的另一表面，而且是连续、多次的，这也就意味着对电磁波能量的吸收也是多次的。电磁屏蔽是利用屏蔽体对电磁波的吸收、反射来达到减弱干扰能量的作用，也就是切断电磁波的耦合途径。在这个过程中，影响吸收器性能的主要因素是吸收器的尖端、衬底的形状及介电常数，这与影响微纳光吸收器性能的因素是一致的。

3.2 微纳结构吸收器的原理

微纳光吸收器对电磁波的吸收机理与实现电磁屏蔽的机理类似。微纳光吸收器大多采用金属—介质—金属的三明治结构，电磁波的入射在结构顶层会形成一个反射效果，但为了增加吸收器的吸收率，一般采用的设计是使得该反射率近乎为零。未被反射的部分进入器件内部，在中间介质层中形成电磁振荡，实现部分电磁波的吸收。未被吸收的能量又会因为底部金属层起到的阻隔作用，使其反射回中间介质层中实现再一次吸收，如此反复在器件内进行多次吸收从而实现完美吸收的效果。

3.3 教学反哺科研

基于电磁兼容的相关理论知识，笔者设计了一种基于埋在氮化硅间隔物中的双层金属光栅阵列的偏振选择性双向吸收器，设计的结构可以实现对666 nm附近的TM偏振光波的偏振选择性吸收[6]。在垂直照明下，器件在正（反）向光入射下的吸收效率超过95%（77%），并且当入射光倾斜角达到30°时，正（反）向光入射下的吸收效率仍然超过80%（77%）。所设计器件针对线性偏振光具有良好的吸收效应，对于光学防伪、光电探测、光学传感及热辐射等领域的发展具有重要作用，能够积极推动光学在信息、材料、能源和生物等学科中的交叉应用。

4 结语

本文以电子专业课程《电磁兼容理论与设计》为例，对科研与教学互促的教学改革方法进行了分析、讨论和实践。通过教学模式改革：一方面，从学生的角度出发，不再是单方面从课堂中理解和掌握理论知识，而是需要主动参与到新知识的挖掘过程中，相互分享讨论从而拓宽学术视野；另一方面，对青年教师而言也能将课程理论融入科研项目中，提取新思路进行科研创新后再反哺课堂，帮助学生更加全面的理解课堂理论。