《光電信息物理基礎》課程教學的研究與探索

【摘要】《光電信息物理基礎》課程是光電信息科學與工程類專業核心的專業基礎課程，涵蓋電磁理論、量子力學、固體物理、半導體物理和固體光學等主干內容。具有內容廣，理論性強，教學難度大、模式單一等特點。針對這些特點，本文結合光電信息科學與工程專業課程建設、教學要求和學生學習特點，初步探討提高《光電信息物理基礎》課程教學質量的方式方法。

【關鍵詞】光電信息物理 課程探索 教學

【中圖分類號】TN20-4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）34-0182-02

1 引言

光電信息科學與工程專業旨在培養符合光電行業發展和企業需求的光電信息技術方面的高級專業人才[1]，雖然光電信息技術的應用和發展日新月異，但其與物理學和光學基礎的深刻聯系卻始終密不可分。《光電信息物理基礎》作為光電信息科學與工程類專業最為核心的專業基礎課，其主體內容包括電磁理論、量子力學、固體物理、半導體物理和固體光學。這些內容剛好是光電信息技術發展的重要理論基礎[2]，所以對于該專業的學生來講，全面掌握好這門課是非常必要的。教學效果，作為最直接影響知識掌握程度的因素，在這個過程中就顯得尤為重要。為此，本文針對專業課程設置特點及整個教學過程存在的問題，對光電信息物理基礎的課堂教學、課后交流及考核模式進行初步的分析與探討。

2 明確課堂教學難點，有的放矢地優化教學內容和調整教學方法

對于面向光電信息科學與工程專業的這門《光電信息物理基礎》課程來講，其課堂教學面臨較多的特定困難，下面分別闡述課堂教學的難點所在，并對應給出課堂教學解決方案，做到有的放矢。

（1）學生數學物理基礎薄弱，課堂教學應融合講解前置學科知識點

南京郵電大學采用的教材為電子工業出版社沈為民等主編的《光電信息物理基礎》（第2版），屬于普通高等教育“十二五”規劃教材。該教材共分為三篇，依次是電磁理論、量子理論和固體光電基礎，涉及的內容廣，知識多，公式復雜，學科交叉性強，需要學生具有扎實的高等數學、大學物理及數學物理方法等前置學科的基礎知識。該門課程的授課對象為光電信息科學與工程專業本科二年級學生，雖然在大一，學生系統學習過高等數學和大學物理等基礎課程，但普遍反映這兩門課程基礎較差。這就導致課程教學難度大大增加，特別是在需要大量的微積分背景知識的量子理論部分。如果不考慮這些特殊問題，而按照原有教學模式純粹地講授該教材內容，授課效果及學生理解程度必定不盡人意。學生在聽課過程中，也會感到頭緒繁多，理解困難，容易產生畏學厭學情緒。因此在實際的教學過程中，在一些重要的公式推導及物理意義的講解過程中，需以回顧的形式將微積分、三角變換、大學物理的相關知識融合貫穿進去，避免學生理解發生斷片，認識產生跳躍，以及解題時只停留在公式的書寫記憶上。

（2）教材提供內容多范圍廣，課堂授課內容應作明確調整與優化

從內容來看，這門課程涵蓋了電磁場理論、量子力學、固體物理、半導體物理和固體光學這五個部分的內容，實際上，每個部分均可作為一門獨立的主干課程來設立，其授課量可想而知。要在有限的授課時間內（56學時）使學生較好地掌握這幾大部分的基本概念和基礎理論，培養學生的物理思維和實際應用能力，必須根據這幾部分內容的內在聯系及學生的接受能力，精選合適的教學內容及授課順序。該教材整體的編排及內容的設置都是合理的，前面的章節均為后面章節的前置“學科”。如量子力學是固體物理、半導體物理及固體光學的前置學科，固體物理又是半導體物理和固體光學的前置學科。但是在授課過程中，我們會對部分小節內容作相應調整，列舉其中一個小例子，量子理論中的“簡并”，教材是在第4節“氫原子的量子力學描述”中才第一次解釋“簡并”概念及相關知識點，其實在講第2節“力學量算符”，特別是厄米算符的正交歸一本征函數組的時候，“簡并”就應該是一個核心的前置知識點。

除了授課順序的調整，基于專業特點及學生實際情況，我們對內容也作了一些刪減和補充處理。由于該專業同期還開設了《電磁場與光波導理論》課程，為避免重復，教材的第一部分電磁理論不作要求。另外也補充了一些該教材中沒有的內容，主要包括：“定態微擾理論”中增加變分法；在“電子自旋”章節增加簡單塞曼效應；在“半導體電子運動”中補充回旋共振實驗、半導體能帶結構等相關內容；在“PN結”中融合補充異質結的內容。這些補充主要是方便學生作類同比較，利于學生更好地理解和掌握教材知識點，同時也會拓寬學生的知識面，具有“1+1>2”的效果。

（3）課程各篇內容均抽象枯燥，教學方式應以激發學生興趣為導向加強知識的理解、滲透與遷移

無論是量子理論，還是固體物理，這門課程中各個部分都存在著“有理無物”的嚴重問題[3][4]。學生也普遍反映該門課程概念抽象、公式繁雜、理論性強，學習起來無比枯燥，同時有學生認為這種偏重理論的抽象課程與日后的學習工作毫無聯系，運用性淺，這就更加降低了學生的學習興趣。這些問題的存在都會影響《光電子學》、《激光原理》等后續課程的學習，同時對學生專業素養的培養和光電技術的發展也極其不利。針對這樣的問題，從本源上來改觀并不是很難，也就是要想方設法地提高學生的學習興趣。借助現代發達的信息技術，并且將其優勢在教學過程中最大限度的發揮出來，問題基本可解決一大半。比如在講晶體結構的時候，動態三維晶體結構的多媒體課件展示可以讓學生很直觀的了解晶體的基本結構、晶面及對稱操作等知識點。在講解量子力學的過程，可以放映量子相關的科普短片，因為短片中會有很多制作好的演示動畫，這樣不僅可以提高學生的興趣，還可以使抽象的物理現象直觀地展現在學生眼前，起到事半功倍的效果。

除了通過圖形化、視頻化的方式來提高學生的學習興趣之外，還應適當穿插相關物理學家事跡及相關物理學史。針對學生提出的該課程與日后的學習工作似乎建立不起聯系，運用性淺的問題，我們得對癥下藥，以實際應用案例來升華學生對枯燥理論知識的理解程度。不僅激發學習動力，同時加深學生對理論知識的滲透理解，并提高他們的實驗技能和實際問題的分析處理能力。

3 重視課后教學補充，立體化教學模式和多樣化考核方式

在保證課堂教學良好質量的同時，課后的師生互動交流、答疑以及考核，作為該門課程知識的鞏固及收尾階段，同樣不容忽視。《光電信息物理基礎》兼具基礎性和專業前沿性，因此在課后交流的知識鞏固過程中，要適當結合實際技術。較好的實踐教學體系可以很好的培養學生的實踐創新能力。但由于學時以及條件的限制，學院并未針對該門課程并開設實驗操作課程，也沒有實驗學時。這在一定程度上增加了理論教學的難度，但可以通過課后的立體化交流來彌補這種缺憾。可以帶領學生參觀學校現有的相關科研實驗室，接觸相關光電材料與器件，實地了解課堂上講解的理論知識的實際用處。也可以鼓勵學生積極參與相關的大學生科技創新項目，讓學生能夠有機會親自參與實驗研究，運用理論知識解決實際問題。還可以組織學生參觀相關光電行業的公司，參與企業實踐活動等。

考核作為檢驗學生對該門課程的掌握程度，在一定意義上是會影響學生的學習積極性，特別是這種理論性非常強的學科。傳統的考核成績包括平時成績和期末考試成績兩個部分。這種考核方式存在一定的弊端，第一，后期單次的理論考試無法有效的激發學生一整個學期的長期學習熱情，考試成績也可以通過考試前的突擊復習得到提高；第二，雖然平時成績（考勤和作業）對學生的學習有一定的推動作用，但實際上是不治本的。目前南郵針對重點課程的“三階段考試計劃”是比較可行的，分階段考試可以克服學生平時長期的倦怠松懈狀態，同時能讓學生注意這一階段的學習總結。除增加考試次數之外，卷面試題內容也要做相應改變，應減少公式計算類試題，增加主觀論述類型的題目，激發和培養學生主動思考的能力。另外，在作業布置方面，可以嘗試一些類似小型論文性質的作業，讓學生單獨或者分組討論完成，最后以科技論文形式或者PPT匯報的形式提交。這樣不僅可以加深學生在資料搜集過程對理論知識的理解，還可以提高學生獨立思考或協作討論的素養，激發探索精神，避免作業的互相抄襲現象。

4 總結

國家高等教育的要求就是高等院校培養的專業人才必須是基礎扎實、專業能力強、綜合素質高，并且富有創新精神和國際視野的復合型人才。教學質量作為復合型人才培養過程中的核心環節就顯得尤為重要。作為應用技術型人才培養的理工科特色院校，光電信息物理教學的責任重大。本文基于平時的教學實際，針對整個教學過程存在的問題，對課堂理論教學、課后實踐及考核模式改革進行了初步嘗試，以適應當代復合型人才培養的要求。為進一步提高教學效果，將繼續不斷地探索更加行之有效的教學改革方法，探索具有光電信息科學與工程專業特色的復合型人才培養之路。

參考文獻：

[1]董軍，劉繼紅，嚴學文，等.光電信息工程專業創新實踐教學體系的探索與研究[J].寧夏師范學院學報，2012，（33）：89-91.

[2]郎婷婷，周盛華，沈為民.《光電信息物理基礎》課程建設的探索與實踐[J].光學技術，2010，（36）：130-135.

[3]游善紅，王明湘.工科專業的量子力學教學方法探索[J].大學物理，2012，（31）：60-61.

[4]周本胡，曾愛華，劉英.固體物理課程教學改革與建設措施探討[J].時代教育，2015，（21）：250-251.

作者簡介：

張偉（1986—），男，博士，講師，主要從事鐵電/介電/壓電氧化物功能薄膜和半導體光電器件等方面的研究工作。