服務(wù)于科技人才培養(yǎng)的微納光子學(xué)課程教學(xué)改革探索

姚偉　呂剛

摘要：隨著現(xiàn)代社會對科技人才的需求日益增長，微納光子學(xué)作為一個前沿領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。文章探討在科技人才培養(yǎng)模式下，通過教學(xué)內(nèi)容更新、跨學(xué)科合作、中英雙語教學(xué)、多方位實踐教學(xué)、教師緊跟前沿科研、考核方式優(yōu)化等教學(xué)改革措施，改革微納光子學(xué)課程，旨在培養(yǎng)微納光子學(xué)領(lǐng)域的科技人才。

關(guān)鍵詞：微納光子學(xué)；科技人才培養(yǎng)；教學(xué)改革

一、引言

隨著世界各國科技水平的高速發(fā)展，科技人才對國家生產(chǎn)力的發(fā)展越來越重要，成為建設(shè)現(xiàn)代化強國的重要力量?？萍既瞬排囵B(yǎng)一直是高等教育領(lǐng)域的核心任務(wù)，高校作為教育、科技、人才的集中交匯點，需培養(yǎng)具備前沿科技知識和創(chuàng)新能力的人才。同時，高校的課程也應(yīng)積極適應(yīng)社會的變化，不斷改進(jìn)教育方法和內(nèi)容，以滿足社會對高素質(zhì)科技人才的需求。

微納光子學(xué)作為一門前沿領(lǐng)域的交叉學(xué)科，主要研究在微納尺度下光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律及其光的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)控、探測和傳感等方面的應(yīng)用，其融合了微納米技術(shù)和光子學(xué)的研究領(lǐng)域。微納光子學(xué)在信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、能源環(huán)境、電子通信、材料科學(xué)等重大科技領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，所以培養(yǎng)具備微納光子學(xué)知識和技能的科技人才成為許多高校的迫切需求。然而，傳統(tǒng)教育體系一成不變的課程內(nèi)容和教學(xué)方法往往落后于微納光子學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展和不斷更新的知識體系，難以滿足現(xiàn)代科技人才培養(yǎng)的需求。因此，高校要改革微納光子學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和方法，以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和競爭力。

二、傳統(tǒng)微納光子學(xué)課程教學(xué)存在的問題

作為一門重要的交叉學(xué)科，微納光子學(xué)課程的設(shè)立有利于學(xué)生建立包括物理學(xué)、材料科學(xué)、電子工程、光學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的交叉知識體系，對培養(yǎng)科技人才至關(guān)重要。然而，相關(guān)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)微納光子學(xué)課程教學(xué)存在一系列教育問題。

（一）教學(xué)內(nèi)容滯后于微納光子學(xué)理論和技術(shù)的發(fā)展

微納光子學(xué)是一個不斷發(fā)展和演進(jìn)的前沿領(lǐng)域，新的高性能光學(xué)材料、高效率光學(xué)器件和更便捷的微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)不斷涌現(xiàn)，衍生出新的光與物質(zhì)相互作用的理論和科學(xué)問題。例如，早期的微納光學(xué)材料多為無機半導(dǎo)體，后來有機微納光功能材料出現(xiàn)在人類視野中，而近幾年以過渡金屬硫化物、金屬鹵化物和金屬氧化物為代表的二維材料家族因其獨特的光學(xué)性質(zhì)得到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。因此，傳統(tǒng)微納光子學(xué)課程往往難以跟上這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展，使得教材和課程內(nèi)容很快過時、滯后。

（二）跨學(xué)科性質(zhì)使學(xué)生望而卻步

微納光子學(xué)涉及復(fù)雜的電磁場理論、波動光學(xué)、激光原理和微納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計，要求學(xué)生具備多個學(xué)科領(lǐng)域的知識，包括物理學(xué)、材料科學(xué)、電子工程和光學(xué)等。跨學(xué)科性質(zhì)使得課程設(shè)計和教學(xué)變得更加復(fù)雜，學(xué)生需要花更多的時間學(xué)習(xí)和理解這些不同領(lǐng)域的知識，容易產(chǎn)生畏難情緒。

（三）純漢語教學(xué)模式不利于培養(yǎng)具備國際競爭力的科技人才

作為全球性的研究領(lǐng)域，微納光子學(xué)吸引了不同國家和文化背景的研究人員。相關(guān)的國際學(xué)術(shù)論文和會議涉及很多專業(yè)英語詞匯，純漢語教學(xué)可能會減少學(xué)生信息獲取渠道，不利于培養(yǎng)學(xué)生獲取英語文獻(xiàn)、國際期刊和全球信息的能力，進(jìn)而妨礙他們對最新國際研究的了解。同時，學(xué)生可能會因為英語不流利，缺乏與國際同行互動的機會，無法掌握跨文化交流和合作能力，在國際競爭中失去競爭力。

（四）知識點與實際應(yīng)用結(jié)合不夠緊密

傳統(tǒng)微納光子學(xué)課程過于側(cè)重光子學(xué)的抽象理論知識，如波導(dǎo)理論、激光原理、光子晶體帶隙等，而忽略了實際案例研究或項目以展示微納光子學(xué)如何應(yīng)用于實際，導(dǎo)致學(xué)生可能不清楚微納光子學(xué)在行業(yè)、科研或社會中的實際應(yīng)用。此外，微納光子學(xué)需要實驗技能，但傳統(tǒng)課程缺乏實驗室時間或?qū)嶒烅椖浚瑢W(xué)生缺少獲得實際操作經(jīng)驗的機會，不利于將理論知識轉(zhuǎn)化為實際技能，限制其發(fā)展成創(chuàng)新型科技人才。

三、微納光子學(xué)課程教學(xué)改革及實踐

（一）教學(xué)內(nèi)容緊跟研究前沿

傳統(tǒng)微納光子學(xué)的教學(xué)內(nèi)容包括微納光子學(xué)基礎(chǔ)、微納光纖及光波導(dǎo)、光學(xué)微腔及微納激光器、表面等離子體、微納材料制備、微納光子學(xué)器件加工技術(shù)等部分。然而，微納光子學(xué)的研究領(lǐng)域發(fā)展迅速，教師應(yīng)時刻關(guān)注領(lǐng)域內(nèi)的最新進(jìn)展，以及新的理論和實驗結(jié)果，每學(xué)年至少進(jìn)行一次審查和更新課程內(nèi)容，以確保課程知識與前沿研究保持同步，幫助學(xué)生接觸到最新的知識和發(fā)展趨勢。此外，在教學(xué)內(nèi)容方面，教師可以增加“微納米光子學(xué)前沿討論”這一章節(jié)，重點介紹最新的研究成果。在教材方面，除了傳統(tǒng)的微納光子學(xué)相關(guān)書籍之外，教師應(yīng)引入靈活的教材，如開源教材、在線資源和數(shù)字教育工具等，以便實時更新內(nèi)容，及時反映領(lǐng)域的變化。

（二）促進(jìn)跨學(xué)科合作

基于微納光子學(xué)學(xué)術(shù)交叉的特點，高校設(shè)立跨學(xué)科微納光子學(xué)授課團(tuán)隊，以促進(jìn)不同學(xué)科領(lǐng)域的交流合作，助力學(xué)生從多個角度了解微納光子學(xué)。例如，在講解量子點時，不同學(xué)科教師可以聯(lián)合授課，材料學(xué)教師側(cè)重量子點的可控制備，光學(xué)教師講解量子點的光學(xué)性質(zhì)，生物學(xué)教師則展示如何將量子點與生物分子結(jié)合成一種高亮度且穩(wěn)定的熒光探針應(yīng)用于生物成像。這種跨學(xué)科合作不僅可以滿足不同學(xué)生的需求，降低學(xué)習(xí)門檻，還可以鼓勵學(xué)生跨足多個領(lǐng)域，為學(xué)生深入研究提供機會。

（三）進(jìn)行雙語授課

為了培養(yǎng)具備國際競爭力的科技人才，教師可以在漢語授課基礎(chǔ)上引入英語授課，但是不能急于求成進(jìn)行全英文授課。鑒于跨學(xué)科高門檻的課程性質(zhì)，全英文授課會影響學(xué)生對復(fù)雜知識的吸收，反而不利于學(xué)生能力的提高。因此，教師可以進(jìn)行雙語授課。在漢語環(huán)境下，學(xué)生更易接收新的課程內(nèi)容，專有名詞和專業(yè)技術(shù)則需要配上英語詞匯，提高學(xué)生英語科技術(shù)語和文獻(xiàn)閱讀能力。例如，在講授激光原理的章節(jié)時，教師可以使用一些在日常英語交流中不常用的專業(yè)詞匯，包括激光器、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、諧振腔、Q因子、模間距等，使學(xué)生在國際競爭中更具吸引力，也更容易獲得國際獎學(xué)金、交換項目和國際實習(xí)機會，提高國際競爭力。

（四）構(gòu)建多方位的實踐教學(xué)體系

創(chuàng)新實踐能力是學(xué)生綜合素質(zhì)的重要體現(xiàn)，也是衡量高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。然而，傳統(tǒng)微納光子學(xué)課程的基礎(chǔ)知識教學(xué)與實踐教學(xué)仍處于分離狀態(tài)，將實踐訓(xùn)練融入理論學(xué)習(xí)過程，是提高教學(xué)效率的重點和難點。微納光子學(xué)采用實驗室實踐驗證和實際案例研究構(gòu)建多方位的實踐教學(xué)體系，教師應(yīng)鼓勵并引導(dǎo)學(xué)生親自進(jìn)行微納光子學(xué)領(lǐng)域的實驗，將課堂上的理論知識具體化。例如，在講授微納材料章節(jié)時，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入微納器件實驗室，指導(dǎo)學(xué)生嘗試制備不同形貌的微納結(jié)構(gòu)；在講授激光原理章節(jié)時，教師可以向?qū)W生展示不同類型的激光器，并在保證安全的前提下鼓勵學(xué)生自己動手調(diào)節(jié)光路，成功使激光準(zhǔn)直進(jìn)入顯微鏡。另外，在理論教學(xué)中，教師應(yīng)引入微納光子學(xué)在通信、生物醫(yī)學(xué)、能源和傳感等領(lǐng)域的實際案例研究，以展示微納光子學(xué)的應(yīng)用價值。

（五）加強教師與前沿科研的聯(lián)系

首先，教師要持續(xù)關(guān)注微納光子學(xué)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，通過訂閱相關(guān)學(xué)術(shù)論文，積極參與微納光子學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)會議，與微納光子學(xué)領(lǐng)域的研究人員交流學(xué)習(xí)等方式，持續(xù)不斷地提高自己的專業(yè)知識。其次，教師要加強與其他學(xué)科領(lǐng)域的研究團(tuán)隊合作。最后，教師可以嘗試科研導(dǎo)向的教學(xué)，將科研成果融入教學(xué)，以提供更豐富的教育經(jīng)驗，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，促使學(xué)生深入了解微納光子學(xué)。

（六）優(yōu)化課程考核方式

課程考核不僅能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，考查學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，而且是檢驗教師教學(xué)成果和教學(xué)改革的重要手段。微納光子學(xué)打破傳統(tǒng)的一張試卷評定成績的模式，采用40%的平時成績和60%的期末成績的考核方式。

一方面，教師要優(yōu)化平時成績的考核方式，加大教學(xué)過程的考查比重，將課程考核貫穿整個教學(xué)環(huán)節(jié)，如課堂表現(xiàn)、小組討論、課后作業(yè)、是否自主學(xué)習(xí)等，尤其注重學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握后，對前沿的光子學(xué)研究熱點的創(chuàng)新性思考和實踐性應(yīng)用。

另一方面，教師要優(yōu)化期末考試方式，采用開放式報告方式，由學(xué)生自行選擇微納光子學(xué)內(nèi)容相關(guān)的課題，進(jìn)行20分鐘的口頭報告，內(nèi)容涉及該課題的研究背景、科學(xué)問題、當(dāng)前進(jìn)展、未來挑戰(zhàn)等，并鼓勵學(xué)生用英語匯報，全面評估學(xué)生的知識和技能，測試他們解決問題的能力。

四、課程教學(xué)改革成果分析

優(yōu)秀的教學(xué)改革實踐經(jīng)得起時間的考驗，南京工業(yè)大學(xué)的研究生課程微納光子學(xué)自2018年設(shè)立以來，為微納光子學(xué)領(lǐng)域培養(yǎng)出多名具有國際競爭力的科技人才。

（一）提高教育質(zhì)量

教師通過引入多層次、多學(xué)科合作，多語言的教學(xué)模式和多樣化的考核方式，使微納光子學(xué)課程的教學(xué)更有層次性和引導(dǎo)性，學(xué)生更積極地參與課堂互動，光子學(xué)知識吸收快，記憶牢，并在期末考核和實踐項目中取得更好的成績。微納光子學(xué)課程自授課以來，年年獲得學(xué)生的一致好評，獲得很高的滿意度。

（二）促進(jìn)創(chuàng)新和研究

有效的教學(xué)改革必然會激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新和研究興趣，在各種微納光子學(xué)和跨學(xué)科前沿研究實際案例的影響下，學(xué)生對此領(lǐng)域的研究充滿了好奇和向往。例如，多名學(xué)習(xí)本課程的研究生，在后續(xù)的實驗室微納光子學(xué)研究中展現(xiàn)出較高的創(chuàng)新實踐能力，發(fā)表了高質(zhì)量國際學(xué)術(shù)論文，在畢業(yè)時榮獲“校優(yōu)秀畢業(yè)生”稱號。

（三）推動微納光子學(xué)領(lǐng)域發(fā)展

在科技人才培養(yǎng)模式下，微納光子學(xué)課程的教學(xué)改革對微納光子學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究產(chǎn)生積極影響，幫助學(xué)生掌握多學(xué)科的前沿知識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐思維，有利于學(xué)生創(chuàng)新性地、創(chuàng)造性地參與科研項目，發(fā)表研究論文，推動該領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新。

五、結(jié)語

微納光子學(xué)領(lǐng)域的前沿科研、科技創(chuàng)新對推動社會進(jìn)步和改善生活質(zhì)量至關(guān)重要，教師必須不斷改進(jìn)微納光子學(xué)課程，建立一套完整的理論教學(xué)和實踐教學(xué)系統(tǒng)，培養(yǎng)更多具備前沿知識、實踐技能和國際視野的科技人才，為微納光子學(xué)領(lǐng)域的未來作貢獻(xiàn)。

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基金項目：南京工業(yè)大學(xué)2023年校級教改課題“實踐導(dǎo)向下的課程優(yōu)化與創(chuàng)新研究”，項目編號：20230197。