馬曉萍

(三峽大學(xué)理學(xué)院 湖北 宜昌 443002)

1 引言

翻轉(zhuǎn)課堂在一定程度上是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種顛覆[1～3].傳統(tǒng)教學(xué)是以教師為中心，教師在課堂上講授知識，學(xué)生在課堂上聽.因?yàn)橐v授的內(nèi)容較多，課時又相對較少等原因，教師的授課以教師講授為主，教師和學(xué)生的互動很少.學(xué)生的學(xué)習(xí)是被動的，甚至是填鴨式的.而翻轉(zhuǎn)課堂這種教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)發(fā)展學(xué)生的個性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和主動性，從而達(dá)到讓學(xué)生自主高效地學(xué)習(xí)的教學(xué)目的.和傳統(tǒng)的老師教學(xué)生學(xué)的教學(xué)手段相比，這種教學(xué)模式的最大特點(diǎn)就是師生角色互換，在教學(xué)中充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，并充分使用多媒體等現(xiàn)代信息技術(shù)，從而更好地提升課堂教學(xué)的效果和效率.反轉(zhuǎn)課堂不僅能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還能很好地將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂太過抽象、理論與實(shí)踐脫節(jié)的缺點(diǎn).近年來，國內(nèi)外的教育工作者根據(jù)其所教授的課程的特點(diǎn)，將反轉(zhuǎn)課堂與在線平臺相結(jié)合，如慕課+反轉(zhuǎn)課堂的模式，MOOC+SPOC+反轉(zhuǎn)課堂的模式等等[4,5].翻轉(zhuǎn)課堂也被嘗試著應(yīng)用到小學(xué)、初中、高中和大學(xué)的教學(xué)活動中.本文探討基于模擬仿真的翻轉(zhuǎn)課堂在研究生教學(xué)中的應(yīng)用及其對研究生教學(xué)的有益影響.

2 研究生教學(xué)的特點(diǎn)

(1)學(xué)生人數(shù)少.這似乎是一個很不起眼的特點(diǎn)，但學(xué)生人數(shù)的多少恰恰是翻轉(zhuǎn)課堂是否能夠大面積推廣的主要因素.因?yàn)榉D(zhuǎn)課堂并不是簡單地把教師變成學(xué)生來聽課，把學(xué)生變成老師來講課.這種教學(xué)模式要求老師在上課前把任務(wù)分割給每個學(xué)生.學(xué)生課前根據(jù)老師分配的任務(wù)自主學(xué)習(xí)，如收集資料、計算推導(dǎo)、做實(shí)驗(yàn)、做調(diào)研等等.課堂上學(xué)生把學(xué)習(xí)的成果進(jìn)行匯報，老師在學(xué)生匯報的過程中加以講解、引導(dǎo)或糾錯等.如果學(xué)生比較多，而課時又比較有限的情況下，老師只能把任務(wù)分割給學(xué)生小組，而成果的展示也只能是選個代表來完成.這樣的話，很難讓每個學(xué)生都參與進(jìn)來，也難免會有偷懶的學(xué)生坐享其成.這種結(jié)果的出現(xiàn)就和翻轉(zhuǎn)課堂的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性的初衷相違背了.不管是小學(xué)、初中、高中還是大學(xué)本科，學(xué)生的人數(shù)都很多.尤其是大學(xué)本科的公共課，學(xué)生人數(shù)大都在100人以上.而研究生課，尤其是研究生的專業(yè)課，人數(shù)很少，有的一門課只有幾個學(xué)生.所以，從人數(shù)上來看，翻轉(zhuǎn)課堂很適合研究生的教育教學(xué)[6].

(2)課程內(nèi)容深奧，甚至晦澀難懂.研究生的課和本科專業(yè)課有一定的聯(lián)系，但又有不同.本科課程知識面比較廣，但很多東西淺嘗輒止，沒有對知識點(diǎn)進(jìn)行更深入地挖掘和研究.而研究生的教學(xué)更專注于某一領(lǐng)域的教學(xué)和研究，學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)更具體、更深入，相對本科專業(yè)課難度也更大.

(3)研究生課程所傳授的知識相對比較前沿.也正因?yàn)槿绱?，研究生的有些課程并沒有成熟的教材，參考資料也會相對較少.而且大多數(shù)參考資料都是外文的，這也給研究生課程的學(xué)習(xí)或多或少增加了難度.

(4)研究生課程更注重對學(xué)生科研能力的培養(yǎng).本科課程，比如筆者多年教過的《大學(xué)物理》里面的知識點(diǎn)基本上都是被大量的實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證是正確的結(jié)論.教師負(fù)責(zé)傳授并同時讓學(xué)生接受知識.而研究生課程里的有些內(nèi)容還需要進(jìn)一步的研究、探討，很多時候并沒有唯一確定的答案.這就需要教師更多地培養(yǎng)學(xué)生探索知識的能力，而不是汲取知識的能力.

3 基于模擬仿真的翻轉(zhuǎn)課堂對研究生教學(xué)的有益影響

教師在講授知識的過程中如果能輔以圖片、動畫或者結(jié)合實(shí)驗(yàn)，則能夠?qū)χR的講解更生動、更全面，學(xué)生也更易接受.舉個例子：筆者所教授的一部研究生教材《納米結(jié)構(gòu)磁學(xué)》中有兩個概念：布洛赫壁(Bloch wall)和奈爾壁(Néel wall).這門課的中文資料很少.維基百科里給出的定義是[https://en.wikipedia.org/wiki/Domain_wall_(magne-tism)]：

Bloch wall:A Bloch wall is a narrow transition region at the boundary between magnetic domains, over which the magnetization changes from its value in one domain to that in the next, named after the physicist Felix Bloch.In a Bloch domain wall, the magnetization rotates about the normal of the domain wall (in other words, the magnetization always points along the domain wall plane in a 3D system), in contrast to Néel walls.Néel wall:A Néel wall is a narrow transition region between magnetic domains, named after the French physicist Louis Néel.In the Néel wall, the magnetization smoothly rotates from the direction of magnetization within the first domain to the direction of magnetization within the second.In contrast to Bloch walls, the magnetization rotates about a line that is orthogonal to the normal of the domain (in other words, it rotates such that it points out of the domain wall plane in a 3D system).

雖然只是短短的幾句話，但理解起來并不是很容易.原因之一是英文文獻(xiàn)對于母語是中文的我們來說并不如中文文獻(xiàn)那么容易理解.筆者嘗試著在知乎里找到關(guān)于布洛赫壁和奈爾壁的定義[https://

zhuanlan.zhihu.com/p/53438232]，如下：大塊鐵磁晶體內(nèi)的磁疇壁屬于布洛赫壁.在布洛赫壁中，磁化矢量從一個磁疇內(nèi)的方向過渡到相鄰磁疇內(nèi)的方向時，磁化始終保持平行于疇壁平面，因而在疇壁上無自由磁極出現(xiàn)，這樣就保證了疇壁上不會產(chǎn)生退磁場，也能保持磁疇壁能為極小……在極薄的磁性薄膜中，存在不同于布洛赫壁的疇壁模型.在這種疇壁中，磁矩圍繞薄膜平面的法線改變方向，并且是平行于薄膜表面逐漸過渡的，而不是像布洛赫壁那樣，磁化在疇壁平面內(nèi)旋轉(zhuǎn).這種疇壁稱為奈爾壁……我們發(fā)現(xiàn)，即使是中文資料，如果只是文字表達(dá)，還是很抽象，理解起來依然有難度.但是，如果配以圖片(如圖 1 所示)，略加解釋，就可以把一個概念闡述得很清楚.

(a)布洛赫壁

比如解釋如下：磁疇是指磁性材料中磁化方向相同的區(qū)域，如圖1(a)和1(b)的左半部分和右半部分所示[7].而磁疇壁是指磁化方向相反的兩個磁疇之間的過渡區(qū)域，如圖1(a)和1(b)的中間部分所示.圖1(a)中所示的磁疇壁為布洛赫壁，而圖1(b)中所示的磁疇壁為奈爾壁.這樣解釋就算是非磁學(xué)專業(yè)的學(xué)生都能聽懂，我們甚至可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生自己總結(jié)布洛赫壁和奈爾壁的區(qū)別，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考這兩種磁疇壁哪種更易出現(xiàn)在大塊的鐵磁性材料中，哪種易出現(xiàn)在薄的鐵磁薄膜中，為什么？這種磁化分布圖可以用微磁學(xué)模擬軟件，如OOMMF，Mumax3等來實(shí)現(xiàn).

筆者在講授《納米結(jié)構(gòu)磁學(xué)》的過程中，輔以O(shè)OMMF或Mumax3這兩種微磁學(xué)模擬軟件.這兩種軟件可以模擬磁性材料在外磁場或者電流的激勵下材料內(nèi)部磁化分布的變化情況，并可以把磁化分布以圖片、數(shù)據(jù)或圖表的形式表現(xiàn)出來.這樣，在授課的過程中可以讓學(xué)生通過模擬軟件自己來探索和領(lǐng)悟某些知識.比如，講到“當(dāng)鐵磁性材料的尺寸降到微米或納米的數(shù)量級的時候，磁性材料的內(nèi)部磁化分布情況很大程度上受材料形狀的影響”這個知識點(diǎn)的時候，筆者會給學(xué)生分配模擬任務(wù)，讓學(xué)生模擬不同尺寸、不同形狀(如圓形、方形、三角形、橢圓形等)的鐵磁性材料在基態(tài)時的磁化分布，并引導(dǎo)學(xué)生通過分析、比較處于基態(tài)時不同能量(如退磁能、交換能等)的大小，來總結(jié)為什么不同的形狀會產(chǎn)生不同的磁化基態(tài).再比如，“Walker break-down”這個概念是指磁疇壁在強(qiáng)外場(磁場或電流)的激勵下內(nèi)部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)周期性的變化，進(jìn)而使磁疇壁的運(yùn)動速度降低.這個也可以讓學(xué)生通過模擬很直觀地看到磁疇壁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是如何變化的，磁疇壁是如何運(yùn)動的，疇壁的速度是如何變化的.這些都會使枯燥的概念變得生動有趣起來.整個授課的過程中，基本上是以學(xué)生為主導(dǎo).教師負(fù)責(zé)提出問題，學(xué)生負(fù)責(zé)解決問題.

《納米結(jié)構(gòu)磁學(xué)》一共32個學(xué)時.課程的進(jìn)度及分配是這樣的：微磁學(xué)模擬軟件的使用 → 給學(xué)生分配任務(wù)(用微磁學(xué)模擬軟件模擬某些知識點(diǎn))→ 學(xué)生展示模擬結(jié)果并進(jìn)行分析、討論、總結(jié) → 給學(xué)生分配任務(wù)(閱讀相關(guān)的參考文獻(xiàn)，如論文等.論文中的結(jié)果可以通過模擬的方式來驗(yàn)證)→ 學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)講解、評述 → 通過大量的文獻(xiàn)閱讀和講解找到自己的創(chuàng)新點(diǎn) → 模擬、驗(yàn)證.筆者在2020年春季學(xué)期以這種授課方式(基于微磁學(xué)模擬的翻轉(zhuǎn)課堂)來講授《納米結(jié)構(gòu)磁學(xué)》.通過一個學(xué)期的授課過程，筆者發(fā)現(xiàn)這種授課方式不僅能夠充分地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，并且在對知識的理解和掌握上也能取得事半功倍的效果.這門課一共有兩名學(xué)生，已有一名學(xué)生的相關(guān)論文被《物理學(xué)報》(中文核心，SCI)接收[8].另一名學(xué)生的相關(guān)論文已投，尚未發(fā)表.

4 結(jié)束語

總之，基于模擬仿真的翻轉(zhuǎn)課堂是很適合研究生課程的一種授課模式.這種授課模式能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性.并且這種授課方式更生動更直觀，在對知識的理解和掌握上能起到事半功倍的效果.