光學(xué)工程專業(yè)“量子光學(xué)”課程建設(shè)的探索性研究

周原 王晴嵐 呂東燕

關(guān)鍵詞：光學(xué)工程;量子光學(xué);課程建設(shè)

1緒論

經(jīng)典光學(xué)，即光學(xué)，是一門非常古老的學(xué)科，距今已有數(shù)百年的發(fā)展歷程。日新月異的科技發(fā)展極大地促進(jìn)了全世界對(duì)光學(xué)技術(shù)的研究、應(yīng)用以及突破。自從1960年第一臺(tái)紅寶石激光器誕生以來，光的量子“世界”之神秘面紗逐漸褪去，量子光學(xué)迎來了60多年的蓬勃發(fā)展，人們有理由確認(rèn)量子光學(xué)聚焦了當(dāng)前以及未來光學(xué)領(lǐng)域所有前沿問題。21世紀(jì)以來，量子信息技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，從墨子號(hào)量子通信衛(wèi)星到2021年的九章量子模擬原型機(jī)，這些研究成果都代表著當(dāng)前該領(lǐng)域的世界最高水平，而且這些成果的獲取都是基于量子光學(xué)的研究和應(yīng)用。2021年2月10日，中國教育部已經(jīng)首次將量子信息科學(xué)（物理學(xué)類編號(hào)：070206T）納入普通高等學(xué)校教育的本科基本專業(yè)。中國未來的普通高等教育中，“量子”這個(gè)關(guān)鍵詞，將會(huì)越來越頻繁的出現(xiàn)，如量子物理、量子信息、量子光學(xué)、量子技術(shù)等。所以普通高等院校在對(duì)光學(xué)專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)的過程中，也完全有必要和需要將“量子光學(xué)”的課程體系納入基本的人才培養(yǎng)方案中來。

自從2018年我院獲批光學(xué)工程一級(jí)學(xué)科碩士點(diǎn)以來，并于2020年對(duì)光學(xué)工程專業(yè)的碩士研究生的人才培養(yǎng)方案進(jìn)行了修訂，其中將“量子光學(xué)”的課程體系引入了專業(yè)學(xué)位課程里面，設(shè)置的學(xué)時(shí)要求為32學(xué)時(shí)，學(xué)分2分，開課時(shí)間為研究生一年級(jí)第一學(xué)期。對(duì)光學(xué)工程專業(yè)的碩士研究生來說，僅單純地研究和學(xué)習(xí)經(jīng)典光學(xué)的相關(guān)知識(shí)和理論是不能夠適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)和科技進(jìn)步的需求的，適當(dāng)?shù)匾肭把氐牧孔庸鈱W(xué)理論對(duì)于研究生的培養(yǎng)質(zhì)量將具有關(guān)鍵的影響力和提升力。然而相較于學(xué)院的其他一些固有課程，量子光學(xué)則是一門全新的課程，無論是課程建設(shè)與教學(xué)執(zhí)行，還是課程考核與教學(xué)反思，這都將是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)性工程。根據(jù)光學(xué)工程專業(yè)碩士研究生的培養(yǎng)目標(biāo)的基本定位，本課程組從教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，從教材、教學(xué)大綱、授課計(jì)劃、教案四個(gè)基本環(huán)節(jié)對(duì)量子光學(xué)課程進(jìn)行了初步建設(shè)，并對(duì)該課程建設(shè)中所遇到的一些問題開展了探索性的討論和分析。

2課程建設(shè)的基本思路

以我院為例，光學(xué)工程全日制學(xué)術(shù)型碩士研究生培養(yǎng)方案的培養(yǎng)目標(biāo)定位為：培養(yǎng)能夠從事光學(xué)工程及相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、教學(xué)與工程管理工作，具有一定創(chuàng)新精神的高級(jí)專門人才。（1）具備嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度和優(yōu)良學(xué)風(fēng)，德、智、體全面發(fā)展，能適應(yīng)我國新型社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的需要;（2）掌握光學(xué)工程的基本理論和實(shí)驗(yàn)技能，了解本領(lǐng)域的最新研究動(dòng)態(tài)，能獨(dú)立開展與本學(xué)科有關(guān)的科研、教學(xué)和技術(shù)開發(fā)工作，具備創(chuàng)新研究能力，具有創(chuàng)新性成果;（3）有較強(qiáng)的語言表達(dá)與溝通能力，能熟練地進(jìn)行專業(yè)閱讀和科研論文寫作。

根據(jù)這一培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合我校產(chǎn)出型人才培養(yǎng)模式的大環(huán)境，光學(xué)工程專業(yè)碩士研究生的培養(yǎng)可以基本凝練成三個(gè)遞進(jìn)的層級(jí)：解決問題的能力、發(fā)現(xiàn)問題的能力和問題創(chuàng)新的能力。如下圖所示，按照這樣一個(gè)遞進(jìn)的關(guān)系，我們將“量子光學(xué)”的課程教學(xué)目標(biāo)定位為解決問題、發(fā)現(xiàn)問題和問題創(chuàng)新這三個(gè)層級(jí)，按照這樣的一個(gè)分層邏輯來設(shè)計(jì)課程建設(shè)的基本內(nèi)容，包含課程大綱、教學(xué)計(jì)劃、講義、課件、考核、教學(xué)反饋以及線上教學(xué)平臺(tái)搭建等一系列環(huán)節(jié)。

3圍繞人才培養(yǎng)目標(biāo)。制定合理的課程大綱

從教學(xué)實(shí)踐出發(fā)且基于前期的調(diào)研工作，初步設(shè)計(jì)了該課程的大綱。我們將課程目標(biāo)設(shè)計(jì)為三級(jí)教學(xué)目標(biāo)，如下：

目標(biāo)1：為培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)創(chuàng)新能力打下基礎(chǔ)。讓學(xué)生扎實(shí)掌握基本的量子光學(xué)的知識(shí)、原理、定理和定律，學(xué)會(huì)研究前沿問題的一些基本思想和方法，使其具備成為創(chuàng)新型人才應(yīng)必備的光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，為后續(xù)其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做好知識(shí)和能力準(zhǔn)備（解決問題）;

目標(biāo)2：樹立學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。使學(xué)生能嘗試使用物理學(xué)原理、知識(shí)和方法來處理其課題研究中遇到的實(shí)際問題，并培養(yǎng)其在實(shí)際工作中提出、分析和解決問題的綜合應(yīng)用能力（發(fā)現(xiàn)問題）;

目標(biāo)3：培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決問題的能力。提升其建構(gòu)自己的知識(shí)體系的能力，為其今后的終身學(xué)習(xí)打好知識(shí)基礎(chǔ)（問題創(chuàng)新）。

根據(jù)三級(jí)課程目標(biāo)，我們對(duì)課程的基本內(nèi)容進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，如表1所示，課程的基本結(jié)構(gòu)主要分為準(zhǔn)備知識(shí)（第0部分）、基本知識(shí)（第1～4部分）和前沿課題知識(shí)點(diǎn)（第5部分）。在大綱中，對(duì)于不同的知識(shí)點(diǎn)，擬采取不同的授課模式。

由于本學(xué)院光學(xué)工程專業(yè)研究生的基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備方面參差不齊，部分學(xué)生還存在跨專業(yè)調(diào)劑錄取的情況，且考慮到量子光學(xué)在課程銜接方面可能存在一些知識(shí)點(diǎn)空缺的問題，我們?cè)谠O(shè)計(jì)補(bǔ)充知識(shí)方面，進(jìn)行了一番調(diào)研和討論，對(duì)第0部分需要補(bǔ)充的知識(shí)進(jìn)行了細(xì)化和歸類。參照課程大綱的基本學(xué)時(shí)要求，我們對(duì)補(bǔ)充知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了兩個(gè)方面的歸類：線性代數(shù)和量子力學(xué)兩部分補(bǔ)充知識(shí)點(diǎn)，如表2和表3所示，表2是線性代數(shù)知識(shí)點(diǎn)的補(bǔ)充部分，表3則是量子力學(xué)基本知識(shí)點(diǎn)的補(bǔ)充內(nèi)容。通過這樣的設(shè)計(jì)和考慮，能夠讓學(xué)生更好地入門量子光學(xué)的基本理論。

4教學(xué)反饋和優(yōu)化建議

在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐過程，我們發(fā)現(xiàn)每一門課程從開設(shè)到建課，從課程內(nèi)容的設(shè)置到課程大綱的編寫，從教學(xué)計(jì)劃的制訂到教案、講義的凝練，無不體現(xiàn)為一項(xiàng)復(fù)雜且系統(tǒng)性的工程，而且其中每一個(gè)環(huán)節(jié)都是非常重要的。在教學(xué)實(shí)踐中，針對(duì)那些對(duì)本課程非常感興趣的研究生，我們?cè)谡n程之余將有關(guān)的科學(xué)問題拋給了學(xué)生，在任課老師的指導(dǎo)下學(xué)生順利完成了相關(guān)科研工作。針對(duì)那些僅僅是修學(xué)分的研究生，我們將量子光學(xué)課程中的一些基本的、重要的問題篩選出來，將問題拋給學(xué)生，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)和上課的過程中，逐漸找到解決的方法并解答出來，以此來鍛煉學(xué)生解決問題的能力。另外，我們通過調(diào)研匯報(bào)和大論文撰寫來鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和提煉問題的能力，通過學(xué)生各自導(dǎo)師的指導(dǎo)進(jìn)而找到問題創(chuàng)新的方法。

教學(xué)反饋是整個(gè)教學(xué)過程中非常重要的環(huán)節(jié)，對(duì)“量子光學(xué)”課程教學(xué)過程的基本反饋，我們主要從主觀反饋和客觀反饋兩方面來評(píng)價(jià)和衡量課程目標(biāo)的執(zhí)行情況和達(dá)成情況。首先在主觀方面，我們一方面總結(jié)任課老師在課程教學(xué)的日常過程中，在教與學(xué)的互動(dòng)中總結(jié)和反饋一些問題;另一方面我們采取問卷調(diào)查的方式和教學(xué)反饋會(huì)議這兩種方式來總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)問題。其次在客觀方面的反饋，我們主要聚焦于課程考核和達(dá)成度分析，對(duì)于考核過程，我們采用試卷考核+大論文+學(xué)術(shù)報(bào)告三種方式組合的形式來完成考核，目的就是訓(xùn)練學(xué)生解決問題、提煉信息和匯報(bào)工作的能力。對(duì)研究生的考核過程，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生的考試成績基本都能達(dá)到優(yōu)秀，但是在大論文和學(xué)術(shù)報(bào)告上面，個(gè)體問的差異較大。由于課程的建設(shè)和發(fā)展都是螺旋式的前進(jìn)過程，只有總結(jié)和發(fā)現(xiàn)問題并有效地解決問題，才能更加合理地促進(jìn)課程教學(xué)的健康發(fā)展。

通過教學(xué)反饋和教學(xué)反思，我們凝練和總結(jié)主要問題并提出了幾點(diǎn)優(yōu)化課程建設(shè)的建議：（1）在知識(shí)點(diǎn)補(bǔ)充方面應(yīng)該下一番工夫，將線性代數(shù)和量子力學(xué)的知識(shí)點(diǎn)結(jié)合到一起，既要從物理的角度來說明數(shù)學(xué)補(bǔ)充知識(shí)的應(yīng)用之道，又要在線性代數(shù)的角度來理解量子力學(xué)為什么稱為矩陣力學(xué);（2）在大論文和學(xué)術(shù)報(bào)告方面，應(yīng)該與學(xué)生的碩士生導(dǎo)師密切合作，對(duì)于不同研究方向的研究生，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)調(diào)研，來撰寫調(diào)研大論文和匯報(bào)調(diào)研情況，對(duì)于調(diào)研的情況，聘請(qǐng)相關(guān)導(dǎo)師對(duì)學(xué)生的調(diào)研情況給出更加客觀的評(píng)分;（3）在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生的整體表現(xiàn)應(yīng)該能清晰地體現(xiàn)本課程在教學(xué)過程中所設(shè)置的三級(jí)目標(biāo)——解決問題一發(fā)現(xiàn)問題一問題創(chuàng)新，所以在具體的教學(xué)實(shí)踐過程中要準(zhǔn)備一些前沿的課題或者問題，通過拋出問題，引導(dǎo)學(xué)生想辦法解決問題，然后再反思這個(gè)問題的方法來培養(yǎng)學(xué)生科研的邏輯思維;（4）可以借鑒學(xué)習(xí)通等軟件APP系統(tǒng)增加線上課程建設(shè)的方式，將傳統(tǒng)的教學(xué)模式改變?yōu)榫€上+線下的混合式的教學(xué)模式;（5）鼓勵(lì)并大力支持對(duì)該課程特別感興趣的研究生參與到量子光學(xué)領(lǐng)域的科研工作中來，指導(dǎo)這些學(xué)生完成相關(guān)的科研工作。

5結(jié)語

研究生課程教學(xué)研究和課程改革一直以來很容易在高等教育中被忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)，仿佛科研創(chuàng)新就是他們?nèi)陮W(xué)業(yè)生涯中唯一關(guān)注的點(diǎn)，然而教學(xué)和科研一直以來都是相生相長的，尤其是研究生的課程，更是教學(xué)中包含科研，科研又反過來更新著我們的教學(xué)，與時(shí)俱進(jìn)。在本文中，課程組對(duì)光學(xué)工程專業(yè)碩士研究生專業(yè)學(xué)位課程“量子光學(xué)”的課程建設(shè)展開了討論和分析，從人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位、課程大綱的設(shè)計(jì)、學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備和課程銜接、學(xué)生反饋等幾個(gè)方面闡述了本課程的基本建設(shè)思路。通過實(shí)際執(zhí)行的教學(xué)實(shí)踐和獲得的教學(xué)反饋來分析課程目前的建設(shè)情況和教學(xué)執(zhí)行效果，并進(jìn)一步提出了幾點(diǎn)優(yōu)化的建議。通過此次教學(xué)研究和教學(xué)工作的總結(jié)，我們將進(jìn)一步完善“量子光學(xué)”課程建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，借鑒混合式的教育模式來提升教學(xué)效果和改善學(xué)生的教學(xué)體驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)三級(jí)教學(xué)目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。