【研究生精品課程】理論實踐知行合一：把“平行線”變成“同心圓”
在課堂上學習到的理論知識不知道往哪里用，做科研時又苦于沒有相應的基礎支撐，這是令許多研究生苦惱的挑戰。如何在教學中打破理論與實踐割裂的僵局，引導學生把理論與實踐統一起來？
今年8月，由研究生院、物理學院共同開展的基于項目的研究生創新培養計劃電磁器件智能設計能力提升計劃項目”給出了自己的答案，有效地把理論與實踐的“平行線”變成了“同心圓”。
為了全面推進落實全國研究生教育會議精神，持續深化研究生教育教學改革，提升課程質量，學校在2020年啟動了“基于項目的研究生創新培養計劃”項目建設工作。物理學院積極響應，很快推出了“電磁器件智能設計能力提升計劃項目”。
“電磁器件智能設計能力提升計劃項目”面向在學研究生（包括碩士和博士）和應用物理強基計劃高年級本科生，重點培養學生在電磁器件智能設計方面的方法創新能力和實踐應用能力，力求培養自主學習，自主探究的科研型人才。
今年8月暑假期間，該項目的實踐模塊——“電磁器件智能設計實踐訓練”暑期訓練班順利開班。該訓練班以“電磁器件智能設計”為主題，教學內容分為3個專題，包括20學時的課堂研討和9天的學生課外實踐。來自全校不同專業的27位博士生、碩士生和高年級本科生參加了暑期訓練班的學習。
項目組負責人、物理學院院長王秉中教授負責本次暑期訓練班的教學工作，主講教師有王秉中教授、邵維教授、王任副教授三位老師。王秉中教授表示，要做到理論與實踐的“知行合一”，不僅要在內容設計上改革，也要在教學模式上創新，引導學生把理論與實踐融合起來，不僅要掌握電磁器件的智能設計方法，而且要提升創新思維和實踐能力。
秉承“立德樹人，服務需求，提高質量，追求卓越”的指導原則，“電磁器件智能設計能力提升計劃項目”以“授課+研討+長期綜合設計”的全新形式，使“理論課”與“科研”水乳交融。課程的改革經驗，顯示出了重要的學術價值和工程應用前景。
“電磁器件智能設計”共有3個專題，每個專題的教學都采用了“授課教師引導+小組學生研討”的教學模式。在前期了解的基礎上，項目組考慮到學生可能無法快速適應課題設計時間緊、任務重、難度大、要求高的特點，因此，在專題設計上，除了答疑解惑，還在教材、PPT的編輯上盡量貼合學生的知識水平，引導學生進入佳境。
教材怎么選，對學生學習很重要。項目組沒有簡單地拿來就用，而是在把握教學規律的基礎上，結合學生的實際情況，動手自編課程講義，傳統的教材只被列為參考或建議閱讀書目。
據介紹，新編的課程講義涵蓋了所在專題的主要知識框架，在設計上以引導為主、解釋為輔，囊括了當前該專題學術范圍內的主要研究領域。即便是沒有接觸過計算電磁學的同學，也能相對容易地進入學習狀態。每個專題后面還設有可供學生選擇的設計案例。在案例選擇上，老師們篩選出了最符合課程進度和學生知識體系建設的案例，幫助學生循序漸進地掌握課程知識。
授課用的PPT也經過授課教師的反復打磨。例如，項目組王任副教授在《拓撲優化算法與電磁器件的逆設計》專題中講到拓撲優化算法時，以斯坦福大學的一篇經典文獻為依托，根據自己的理解對原文中的圖作了少許改動，以更方便學生理解。
劉欣同學在學習了該專題之后表示：“王任老師的講解條理清晰，用獨特的方法詮釋了晦澀的知識點，通過老師PPT上的圖解，我在閱讀相關文獻、理解算法含義等方面都取得了長足的進步。”
電磁器件智能設計的方法創新及工程實現，涉及數學反問題建模、電磁逆散射分析、工程逆設計方法、電磁器件實現技術等諸多方面，具有融合數學、物理、工程、技術多學科知識和能力綜合達成的特征。
邵維教授表示：“課程涉及的高等電磁場理論、格林函數、計算電磁學等知識，需要學生理解很多數學推導和物理意義，如果不輔以實際的案例設計，很容易使學生困在純理論推導的境況中。”
為了避免學生只知理論、不知應用，致使理論知識成為“空中樓閣”，項目組基于“知行合一”的理念推出了新的教學模式，即：每個課題設計用三天時間來學習，第一天上午老師只講授課題設計的基礎理論知識，其余時間由學生分組進行案例設計。王秉中教授在課堂上對學生的要求是：“案例做到哪里算哪里，做不完也沒關系，但是一定要動手去做，動手去寫程序。”
正所謂“實踐出真知”。在課題設計中做到理論與實踐的辯證統一，學生才能真正透徹地理解知識，才能把理論落到實踐層面，真切體會到理論知識的運用過程。學習了理論知識進而進入編程實現，這是“學以致用”；設計案例的過程中促進對所學理論的掌握，這是“用以致學”。
據介紹，該課程的三個專題的案例設計均需要通過編程來實現，而程序的編寫思路、程序中的具體公式，都需要學生在熟悉理論知識的基礎上提煉、整合，融會貫通。
在案例設計的過程中，王秉中教授綜合考慮學生學習方向的不同，將學生分為三個組，每個組都由來自不同教研室的學生組成。在課題研討過程中，學生結合自己所學提出對課題的見解，并分工合作進行文獻解讀、代碼復現。對于課題設計過程中出現的困難，大家能夠做到齊心協力、集思廣益。在做第一個專題的三天時間里，王秉中教授發現，學生的協作越來越好，不斷增進了團隊合作的默契與信心。
在專題進行的第二天和第三天，學生們來到會議室作分組匯報，介紹設計進展以及設計經驗。在分享經驗的過程中，其他學生也能相互印證，從中汲取對自己的課題有幫助的觀點和方法，同時加深對理論體系的理解。
對于學生在設計過程中的疑難問題，老師也會結合課堂內容作詳盡輔導。邵維教授注意到第三小組對課題的展開有點困難，協助同學們改換了課題；有學生匯報的PPT非常精簡，但沒有很好地展現小組合作和研究的過程，邵維教授建議該小組的學生：“研討，不僅在于展示成果，更在于分享過程，既要分享小組如何協作，也要分享設計過程如何展開。”
在課題設計中，選擇一個正確的方向會起到“事半功倍”的效果，相反則導致“事倍功半”的情況。在每天的研討中，老師都會及時對學生的探索方向作出引導和指正，確保學生在探討設計中能以課題為中心，以專業知識為基礎展開，保質保量地完成課題設計作業。
