《光电信息物理基础》课程教学的研究与探索

【摘要】《光电信息物理基础》课程是光电信息科学与工程类专业核心的专业基础课程，涵盖电磁理论、量子力学、固体物理、半导体物理和固体光学等主干内容。具有内容广，理论性强，教学难度大、模式单一等特点。针对这些特点，本文结合光电信息科学与工程专业课程建设、教学要求和学生学习特点，初步探讨提高《光电信息物理基础》课程教学质量的方式方法。

【关键词】光电信息物理 课程探索 教学

【中图分类号】TN20-4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）34-0182-02

1 引言

光电信息科学与工程专业旨在培养符合光电行业发展和企业需求的光电信息技术方面的高级专业人才[1]，虽然光电信息技术的应用和发展日新月异，但其与物理学和光学基础的深刻联系却始终密不可分。《光电信息物理基础》作为光电信息科学与工程类专业最为核心的专业基础课，其主体内容包括电磁理论、量子力学、固体物理、半导体物理和固体光学。这些内容刚好是光电信息技术发展的重要理论基础[2]，所以对于该专业的学生来讲，全面掌握好这门课是非常必要的。教学效果，作为最直接影响知识掌握程度的因素，在这个过程中就显得尤为重要。为此，本文针对专业课程设置特点及整个教学过程存在的问题，对光电信息物理基础的课堂教学、课后交流及考核模式进行初步的分析与探讨。

2 明确课堂教学难点，有的放矢地优化教学内容和调整教学方法

对于面向光电信息科学与工程专业的这门《光电信息物理基础》课程来讲，其课堂教学面临较多的特定困难，下面分别阐述课堂教学的难点所在，并对应给出课堂教学解决方案，做到有的放矢。

（1）学生数学物理基础薄弱，课堂教学应融合讲解前置学科知识点

南京邮电大学采用的教材为电子工业出版社沈为民等主编的《光电信息物理基础》（第2版），属于普通高等教育“十二五”规划教材。该教材共分为三篇，依次是电磁理论、量子理论和固体光电基础，涉及的内容广，知识多，公式复杂，学科交叉性强，需要学生具有扎实的高等数学、大学物理及数学物理方法等前置学科的基础知识。该门课程的授课对象为光电信息科学与工程专业本科二年级学生，虽然在大一，学生系统学习过高等数学和大学物理等基础课程，但普遍反映这两门课程基础较差。这就导致课程教学难度大大增加，特别是在需要大量的微积分背景知识的量子理论部分。如果不考虑这些特殊问题，而按照原有教学模式纯粹地讲授该教材内容，授课效果及学生理解程度必定不尽人意。学生在听课过程中，也会感到头绪繁多，理解困难，容易产生畏学厌学情绪。因此在实际的教学过程中，在一些重要的公式推导及物理意义的讲解过程中，需以回顾的形式将微积分、三角变换、大学物理的相关知识融合贯穿进去，避免学生理解发生断片，认识产生跳跃，以及解题时只停留在公式的书写记忆上。

（2）教材提供内容多范围广，课堂授课内容应作明确调整与优化

从内容来看，这门课程涵盖了电磁场理论、量子力学、固体物理、半导体物理和固体光学这五个部分的内容，实际上，每个部分均可作为一门独立的主干课程来设立，其授课量可想而知。要在有限的授课时间内（56学时）使学生较好地掌握这几大部分的基本概念和基础理论，培养学生的物理思维和实际应用能力，必须根据这几部分内容的内在联系及学生的接受能力，精选合适的教学内容及授课顺序。该教材整体的编排及內容的设置都是合理的，前面的章节均为后面章节的前置“学科”。如量子力学是固体物理、半导体物理及固体光学的前置学科，固体物理又是半导体物理和固体光学的前置学科。但是在授课过程中，我们会对部分小节内容作相应调整，列举其中一个小例子，量子理论中的“简并”，教材是在第4节“氢原子的量子力学描述”中才第一次解释“简并”概念及相关知识点，其实在讲第2节“力学量算符”，特别是厄米算符的正交归一本征函数组的时候，“简并”就应该是一个核心的前置知识点。

除了授课顺序的调整，基于专业特点及学生实际情况，我们对内容也作了一些删减和补充处理。由于该专业同期还开设了《电磁场与光波导理论》课程，为避免重复，教材的第一部分电磁理论不作要求。另外也补充了一些该教材中没有的内容，主要包括：“定态微扰理论”中增加变分法；在“电子自旋”章节增加简单塞曼效应；在“半导体电子运动”中补充回旋共振实验、半导体能带结构等相关内容；在“PN结”中融合补充异质结的内容。这些补充主要是方便学生作类同比较，利于学生更好地理解和掌握教材知识点，同时也会拓宽学生的知识面，具有“1+1>2”的效果。

（3）课程各篇内容均抽象枯燥，教学方式应以激发学生兴趣为导向加强知识的理解、渗透与迁移

无论是量子理论，还是固体物理，这门课程中各个部分都存在着“有理无物”的严重问题[3][4]。学生也普遍反映该门课程概念抽象、公式繁杂、理论性强，学习起来无比枯燥，同时有学生认为这种偏重理论的抽象课程与日后的学习工作毫无联系，运用性浅，这就更加降低了学生的学习兴趣。这些问题的存在都会影响《光电子学》、《激光原理》等后续课程的学习，同时对学生专业素养的培养和光电技术的发展也极其不利。针对这样的问题，从本源上来改观并不是很难，也就是要想方设法地提高学生的学习兴趣。借助现代发达的信息技术，并且将其优势在教学过程中最大限度的发挥出来，问题基本可解决一大半。比如在讲晶体结构的时候，动态三维晶体结构的多媒体课件展示可以让学生很直观的了解晶体的基本结构、晶面及对称操作等知识点。在讲解量子力学的过程，可以放映量子相关的科普短片，因为短片中会有很多制作好的演示动画，这样不仅可以提高学生的兴趣，还可以使抽象的物理现象直观地展现在学生眼前，起到事半功倍的效果。

除了通过图形化、视频化的方式来提高学生的学习兴趣之外，还应适当穿插相关物理学家事迹及相关物理学史。针对学生提出的该课程与日后的学习工作似乎建立不起联系，运用性浅的问题，我们得对症下药，以实际应用案例来升华学生对枯燥理论知识的理解程度。不仅激发学习动力，同时加深学生对理论知识的渗透理解，并提高他们的实验技能和实际问题的分析处理能力。

3 重视课后教学补充，立体化教学模式和多样化考核方式

在保证课堂教学良好质量的同时，课后的师生互动交流、答疑以及考核，作为该门课程知识的巩固及收尾阶段，同样不容忽视。《光电信息物理基础》兼具基础性和专业前沿性，因此在课后交流的知识巩固过程中，要适当结合实际技术。较好的实践教学体系可以很好的培养学生的实践创新能力。但由于学时以及条件的限制，学院并未针对该门课程并开设实验操作课程，也没有实验学时。这在一定程度上增加了理论教学的难度，但可以通过课后的立体化交流来弥补这种缺憾。可以带领学生参观学校现有的相关科研实验室，接触相关光电材料与器件，实地了解课堂上讲解的理论知识的实际用处。也可以鼓励学生积极参与相关的大学生科技创新项目，让学生能够有机会亲自参与实验研究，运用理论知识解决实际问题。还可以组织学生参观相关光电行业的公司，参与企业实践活动等。

考核作为检验学生对该门课程的掌握程度，在一定意义上是会影响学生的学习积极性，特别是这种理论性非常强的学科。传统的考核成绩包括平时成绩和期末考试成绩两个部分。这种考核方式存在一定的弊端，第一，后期单次的理论考试无法有效的激发学生一整个学期的长期学习热情，考试成绩也可以通过考试前的突击复习得到提高；第二，虽然平时成绩（考勤和作业）对学生的学习有一定的推动作用，但实际上是不治本的。目前南邮针对重点课程的“三阶段考试计划”是比较可行的，分阶段考试可以克服学生平时长期的倦怠松懈状态，同时能让学生注意这一阶段的学习总结。除增加考试次数之外，卷面试题内容也要做相应改变，应减少公式计算类试题，增加主观论述类型的题目，激发和培养学生主动思考的能力。另外，在作业布置方面，可以尝试一些类似小型论文性质的作业，让学生单独或者分组讨论完成，最后以科技论文形式或者PPT汇报的形式提交。这样不仅可以加深学生在资料搜集过程对理论知识的理解，还可以提高学生独立思考或协作讨论的素养，激发探索精神，避免作業的互相抄袭现象。

4 总结

国家高等教育的要求就是高等院校培养的专业人才必须是基础扎实、专业能力强、综合素质高，并且富有创新精神和国际视野的复合型人才。教学质量作为复合型人才培养过程中的核心环节就显得尤为重要。作为应用技术型人才培养的理工科特色院校，光电信息物理教学的责任重大。本文基于平时的教学实际，针对整个教学过程存在的问题，对课堂理论教学、课后实践及考核模式改革进行了初步尝试，以适应当代复合型人才培养的要求。为进一步提高教学效果，将继续不断地探索更加行之有效的教学改革方法，探索具有光电信息科学与工程专业特色的复合型人才培养之路。

参考文献：

[1]董军，刘继红，严学文，等.光电信息工程专业创新实践教学体系的探索与研究[J].宁夏师范学院学报，2012，（33）：89-91.

[2]郎婷婷，周盛华，沈为民.《光电信息物理基础》课程建设的探索与实践[J].光学技术，2010，（36）：130-135.

[3]游善红，王明湘.工科专业的量子力学教学方法探索[J].大学物理，2012，（31）：60-61.

[4]周本胡，曾爱华，刘英.固体物理课程教学改革与建设措施探讨[J].时代教育，2015，（21）：250-251.

作者简介：

张伟（1986—），男，博士，讲师，主要从事铁电/介电/压电氧化物功能薄膜和半导体光电器件等方面的研究工作。