光学工程专业“量子光学”课程建设的探索性研究

周原 王晴岚 吕东燕

关键词：光学工程;量子光学;课程建设

1绪论

经典光学，即光学，是一门非常古老的学科，距今已有数百年的发展历程。日新月异的科技发展极大地促进了全世界对光学技术的研究、应用以及突破。自从1960年第一台红宝石激光器诞生以来，光的量子“世界”之神秘面纱逐渐褪去，量子光学迎来了60多年的蓬勃发展，人们有理由确认量子光学聚焦了当前以及未来光学领域所有前沿问题。21世纪以来，量子信息技术的发展突飞猛进，从墨子号量子通信卫星到2021年的九章量子模拟原型机，这些研究成果都代表着当前该领域的世界最高水平，而且这些成果的获取都是基于量子光学的研究和应用。2021年2月10日，中国教育部已经首次将量子信息科学（物理学类编号：070206T）纳入普通高等学校教育的本科基本专业。中国未来的普通高等教育中，“量子”这个关键词，将会越来越频繁的出现，如量子物理、量子信息、量子光学、量子技术等。所以普通高等院校在对光学专业及其他相关专业人才培养的过程中，也完全有必要和需要将“量子光学”的课程体系纳入基本的人才培养方案中来。

自从2018年我院获批光学工程一级学科硕士点以来，并于2020年对光学工程专业的硕士研究生的人才培养方案进行了修订，其中将“量子光学”的课程体系引入了专业学位课程里面，设置的学时要求为32学时，学分2分，开课时间为研究生一年级第一学期。对光学工程专业的硕士研究生来说，仅单纯地研究和学习经典光学的相关知识和理论是不能够适应当今社会和科技进步的需求的，适当地引入前沿的量子光学理论对于研究生的培养质量将具有关键的影响力和提升力。然而相较于学院的其他一些固有课程，量子光学则是一门全新的课程，无论是课程建设与教学执行，还是课程考核与教学反思，这都将是一个富有挑战性的系统性工程。根据光学工程专业硕士研究生的培养目标的基本定位，本课程组从教学实践出发，从教材、教学大纲、授课计划、教案四个基本环节对量子光学课程进行了初步建设，并对该课程建设中所遇到的一些问题开展了探索性的讨论和分析。

2课程建设的基本思路

以我院为例，光学工程全日制学术型硕士研究生培养方案的培养目标定位为：培养能够从事光学工程及相关领域的科学研究、技术开发、教学与工程管理工作，具有一定创新精神的高级专门人才。（1）具备严谨科学态度和优良学风，德、智、体全面发展，能适应我国新型社会主义现代化建设事业的需要;（2）掌握光学工程的基本理论和实验技能，了解本领域的最新研究动态，能独立开展与本学科有关的科研、教学和技术开发工作，具备创新研究能力，具有创新性成果;（3）有较强的语言表达与沟通能力，能熟练地进行专业阅读和科研论文写作。

根据这一培养目标，结合我校产出型人才培养模式的大环境，光学工程专业硕士研究生的培养可以基本凝练成三个递进的层级：解决问题的能力、发现问题的能力和问题创新的能力。如下图所示，按照这样一个递进的关系，我们将“量子光学”的课程教学目标定位为解决问题、发现问题和问题创新这三个层级，按照这样的一个分层逻辑来设计课程建设的基本内容，包含课程大纲、教学计划、讲义、课件、考核、教学反馈以及线上教学平台搭建等一系列环节。

3围绕人才培养目标。制定合理的课程大纲

从教学实践出发且基于前期的调研工作，初步设计了该课程的大纲。我们将课程目标设计为三级教学目标，如下：

目标1：为培养学生良好的科学素养和技术创新能力打下基础。让学生扎实掌握基本的量子光学的知识、原理、定理和定律，学会研究前沿问题的一些基本思想和方法，使其具备成为创新型人才应必备的光学基础知识，为后续其他专业课程的学习做好知识和能力准备（解决问题）;

目标2：树立学生的创新意识。使学生能尝试使用物理学原理、知识和方法来处理其课题研究中遇到的实际问题，并培养其在实际工作中提出、分析和解决问题的综合应用能力（发现问题）;

目标3：培养学生自主学习和解决问题的能力。提升其建构自己的知识体系的能力，为其今后的终身学习打好知识基础（问题创新）。

根据三级课程目标，我们对课程的基本内容进行了相关设计，如表1所示，课程的基本结构主要分为准备知识（第0部分）、基本知识（第1～4部分）和前沿课题知识点（第5部分）。在大纲中，对于不同的知识点，拟采取不同的授课模式。

由于本学院光学工程专业研究生的基础知识储备方面参差不齐，部分学生还存在跨专业调剂录取的情况，且考虑到量子光学在课程衔接方面可能存在一些知识点空缺的问题，我们在设计补充知识方面，进行了一番调研和讨论，对第0部分需要补充的知识进行了细化和归类。参照课程大纲的基本学时要求，我们对补充知识点进行了两个方面的归类：线性代数和量子力学两部分补充知识点，如表2和表3所示，表2是线性代数知识点的补充部分，表3则是量子力学基本知识点的补充内容。通过这样的设计和考虑，能够让学生更好地入门量子光学的基本理论。

4教学反馈和优化建议

在实际教学实践过程，我们发现每一门课程从开设到建课，从课程内容的设置到课程大纲的编写，从教学计划的制订到教案、讲义的凝练，无不体现为一项复杂且系统性的工程，而且其中每一个环节都是非常重要的。在教学实践中，针对那些对本课程非常感兴趣的研究生，我们在课程之余将有关的科学问题抛给了学生，在任课老师的指导下学生顺利完成了相关科研工作。针对那些仅仅是修学分的研究生，我们将量子光学课程中的一些基本的、重要的问题筛选出来，将问题抛给学生，让学生在学习和上课的过程中，逐渐找到解决的方法并解答出来，以此来锻炼学生解决问题的能力。另外，我们通过调研汇报和大论文撰写来锻炼学生发现问题和提炼问题的能力，通过学生各自导师的指导进而找到问题创新的方法。

教学反馈是整个教学过程中非常重要的环节，对“量子光学”课程教学过程的基本反馈，我们主要从主观反馈和客观反馈两方面来评价和衡量课程目标的执行情况和达成情况。首先在主观方面，我们一方面总结任课老师在课程教学的日常过程中，在教与学的互动中总结和反馈一些问题;另一方面我们采取问卷调查的方式和教学反馈会议这两种方式来总结经验和发现问题。其次在客观方面的反馈，我们主要聚焦于课程考核和达成度分析，对于考核过程，我们采用试卷考核+大论文+学术报告三种方式组合的形式来完成考核，目的就是训练学生解决问题、提炼信息和汇报工作的能力。对研究生的考核过程，我们发现学生的考试成绩基本都能达到优秀，但是在大论文和学术报告上面，个体问的差异较大。由于课程的建设和发展都是螺旋式的前进过程，只有总结和发现问题并有效地解决问题，才能更加合理地促进课程教学的健康发展。

通过教学反馈和教学反思，我们凝练和总结主要问题并提出了几点优化课程建设的建议：（1）在知识点补充方面应该下一番工夫，将线性代数和量子力学的知识点结合到一起，既要从物理的角度来说明数学补充知识的应用之道，又要在线性代数的角度来理解量子力学为什么称为矩阵力学;（2）在大论文和学术报告方面，应该与学生的硕士生导师密切合作，对于不同研究方向的研究生，在导师的指导下完成相关领域的文献调研，来撰写调研大论文和汇报调研情况，对于调研的情况，聘请相关导师对学生的调研情况给出更加客观的评分;（3）在教学实践中，学生的整体表现应该能清晰地体现本课程在教学过程中所设置的三级目标——解决问题一发现问题一问题创新，所以在具体的教学实践过程中要准备一些前沿的课题或者问题，通过抛出问题，引导学生想办法解决问题，然后再反思这个问题的方法来培养学生科研的逻辑思维;（4）可以借鉴学习通等软件APP系统增加线上课程建设的方式，将传统的教学模式改变为线上+线下的混合式的教学模式;（5）鼓励并大力支持对该课程特别感兴趣的研究生参与到量子光学领域的科研工作中来，指导这些学生完成相关的科研工作。

5结语

研究生课程教学研究和课程改革一直以来很容易在高等教育中被忽略的一个环节，仿佛科研创新就是他们三年学业生涯中唯一关注的点，然而教学和科研一直以来都是相生相长的，尤其是研究生的课程，更是教学中包含科研，科研又反过来更新著我们的教学，与时俱进。在本文中，课程组对光学工程专业硕士研究生专业学位课程“量子光学”的课程建设展开了讨论和分析，从人才培养的目标定位、课程大纲的设计、学生基础知识储备和课程衔接、学生反馈等几个方面阐述了本课程的基本建设思路。通过实际执行的教学实践和获得的教学反馈来分析课程目前的建设情况和教学执行效果，并进一步提出了几点优化的建议。通过此次教学研究和教学工作的总结，我们将进一步完善“量子光学”课程建设的各个环节，借鉴混合式的教育模式来提升教学效果和改善学生的教学体验，为实现三级教学目标打下坚实的基础。