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摘 要：在南京邮电大学的光电信息科学与工程专业参加工程教育专业认证的过程中，通过深入学习工程教育专业认证的基本理念，将其应用于《光电信息物理基础》课程建设的探索之中。第一，以学生为中心，以毕业达成度为目标，修缮教学大纲，明确课程教学目标和课程支撑毕业要求相关指标点的一一对应关系。第二，以学习成果产出为导向，围绕教学目标和学生毕业要求的指标点，采用相应的教学手段和教学资源，进行实际课堂教学。第三， 建立持续改进机制，通过教学环节、过程监控和质量评价，提高教学质量，促进毕业要求的达成；并定期进行课程体系的设置和教学质量的评价。
关键词：教学探索；工程教育专业认证；光电信息物理基础
本文引用格式：孔梅梅 , 等 . 基于工程教育专业认证理念的《光电信息物理基础》课程建设的探索 [J]. 教育现代化 ,2020,7(32):129-132.
exploration on the course construction of "fundamentals of Optoelectronic Information physics" based on engineering education professional certification concept
KONG Mei-mei, DENG Ling-ling, ZHANG Rong, ZHENG Jia-jin
(School of Electronic and Optical Engineering & School of Microelectronics, university of Posts and Telecommunications, Nanjing Jiangsu)
Abstract: In the process of the photoelectric information science and engineering major of Nanjing University of Posts and Telecommunications participating in the professional certification of engineering education, it was applied to the exploration of the curriculum construction of “photoelectric information physics foundation”. First, take students as the center, take graduation achievement as the goal, repair the teaching syllabus, and clarify the one-to-one correspondence between the teaching objectives of the curriculum and the relevant index points of the curriculum support graduation requirements. Secondly, taking the output of learning results as the orientation, the actual classroom teaching is carried out by adopting corresponding teaching methods and teaching resources around the teaching objectives and the index points required by students for graduation. Third, establish a continuous improvement mechanism to improve the teaching quality and promote the graduation requirements through teaching links, process monitoring and quality evaluation. At the same time, we regularly set up the curriculum system and evaluate the teaching quality.
Key words: Teaching exploration; Professional certification of engineering education; Physical basis of Photoelectric
Information
一 引 言
《光电信息物理基础》课程是光电信息科学与工程专业本科生进入专业课学习阶段的第一门重要的专业基础理论课程，是该专业的必修课程。先修课程主要为《高等数学》、《大学物理》等数理课程，基于这几门课的基础知识，来理解分析本课程中量子力学、固体物理和半导体物理基础的推导和结论，为后续的专业必修课程，如《光电子学》、《激光原理》、《光电子器件》等课程的学习提供理论基础，亦可为今后在与光电信息及技术相关专业的进一步研究生学习提供一定的专业基础知识。因此，作为光电信息科学与工程专业的专业基础课程，《光电信息物理基础》的课程建设一直是该专业建设的重要内容之一。
工程教育专业认证的核心是要确认工科专业的毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，是一种以培养目标和毕业要求为导向的合格性评价 [1]。南京邮电大学的光电信息科学与工程专业于 2019 年参加了工程教育专业认证，并顺利通过了认证。在认证的过程中，通过深入学习了工程教育专业认证“以学生为中心、以成果产出为导向 OBE（Outcome-Based Education）、持续改进”的基本理念，将其应用于《光电信息物理基础》课程建设的探索之中。
二 以学生为中心，修缮教学大纲
该课程主要包括量子力学基础、固体物理学基础和半导体物理学基础三部分内容。其中，量子力学是物理学的基础理论之一，用现代的观点理解物理世界，运用量子假设建立相关概念，解决经典力学无法解决的问题。固体物理和半导体物理部分则是基于量子力学的基础理论分析晶体中微观粒子如原子、电子等的运动状态及其相关特性，及其与晶体材料宏观性质之间的关系。通过本课程的学习， 使学生掌握量子力学中描述微观粒子的基本概念和讨论微观粒子运动规律的方法，掌握描述晶体材料性质的基本概念，掌握描述半导体中电子状态的概念和分析电子运动的方法，为后续相关专业知识的学习打好基础。
工程教育专业认证的核心理念是“以学生为中心”：教育目标围绕学生的培养；教学设计聚焦学生的能力培养；师资与教育资源满足学生学习效果的达成；评价的焦点是对学生效果的评价 [1,2]。因此， 必须以学生为中心，以毕业达成度为目标，修缮教学大纲，明确课程教学目标和课程支撑毕业要求相关指标点的一一对应关系。在教学大纲的引导下， 进行实际的课堂教学，才有可能提高教学质量 [3]。
基于工程教育专业认证的背景，《光电信息物理基础》课程对学生达到毕业要求应该提供以下支撑： 主要培养学生理解和掌握量子力学基本假定、定律和研究方法，并应用其解决量子力学的简单问题的能力；理解构成晶体材料中的基本粒子之间的相互作用、结合以及空间的分布方式与成晶体材料的宏观性质之间的关系；应用能带理论初步分析晶体材料尤其是半导体材料的基本电学性质，理解半导体结构光电性质的微观机制；培养学生应用现在物理思想解决实际复杂问题的能力。
根据《光电信息物理基础》课程对学生毕业要求的达成提供的支撑点，我们将本课程的教学目标设定为：
1.使学生能够了解微观世界和微观粒子的运动规律，掌握量子力学建立的基本假定（如波函数假设、薛定谔方程等）、定律、基本概念和一些重要的研究方法，明确基本假定在量子力学解决问题中的重要性，并具有运用这些基本假定、定律和研究方法解决简单量子问题的能力（支撑毕业要求指标点 1.3）。
2.使学生掌握晶体结构的特点，掌握晶体特别是半导体中原子及电子运动的规律，掌握半导体导电性的分析方法，能够运用所掌握的知识点分析晶体的物理性质，重点对半导体结构中的载流子运动进行分析讨论。培养学生从晶体材料微观性质探究其外在物理性质的思维习惯，训练学生综合基础知识，分析半导体中实际的复杂问题的能力（支撑毕业要求指标点 1.3）。
3.帮助学生在处理光电信息问题方面建立扎实的理论基础，培养学生的科学思维能力和灵活思考的能力，训练学生分析和解决实际复杂工程问题的能力，为后续专业课程的学习打好相关的物理基础（支撑毕业要求指标点 2.3）。
在考核评价机制方面，目前多采用平时作业、考勤与期末考试来评价学生的学习效果。为了落实专业认证注重实效的原则，在教学过程中，除了必须按照教学大纲实施教学，通过采用各种教学手段， 提高教师的教学效果，还需要通过各种反馈信息， 发现授课过程中存在的不足之处，并对全体学生评估以上三种能力的达成度，进行相应的记录。
三 基于 OBE 理念进行教学
OBE 理念是以学生的成果产出（知识、能力、素质）为培养目标的一种教育理念 [1]， 注重的是应帮助学生如何有效地取得什么样的学习成果，以及如何确定学生是否已取得了这些学习成果。因此， 课程的教学重点也应该从“教师教什么”转移到“学生学到了什么”上 [4]。根据《光电信息物理基础》课程的培养目标和毕业要求，对本课程的建设主要进行了以下几个方面的探索。
（一） 采用多种教学手段，使学生掌握基本理论知识
《光电信息物理基础》课程是一门理论性较强的专业基础课，主要涵盖了三部分的内容：量子力学基础、固体物理基础和半导体物理基础。具体而言， 本课程的教学任务是使学生掌握基本的量子力学概念，深刻理解固体的形成过程和基本结构，理解能带理论，并应用能带理论对材料的性质进行定性分析，理解半导体导电性的微观机制，对半导体结构的光电性质进行分析，培养和提高学生的分析问题解决问题的能力。具体内容包括：波函数的统计意义、薛定谔方程、力学量算符、定态微扰论、晶体结构、晶体中的原子结合、晶格振动、晶体中的电子状态以及晶体中的缺陷、半导体中的电子状态、半导体中载流子的统计分布、pn 结和半导体的光吸收。
实际上，以上三个部分均可独立设立成为专业基础课程中的一门主干课程，教师要在有限的授课时间内（56 学时），使学生不仅掌握好这几部分的基本概念和基础理论——在掌握和理解量子力学的基本假定和基本概念的基础上，推导微扰理论，并将微扰理论应用到能带理论的理解过程中；理解晶体的形成过程和基本结构，理解能带理论；应用有效质量等概念准确分析材料中电子的准经典运动并判断材料的电学特性；理解半导体中的电子状态和运动规律，分析半导体结构中电子和空穴的运动并用以解释其光电性质，而且还要培养学生的工程思维和实际应用能力，教学难度着实较大。因此，若是只采用单一教学手段，容易让学生在学习过程中产生枯燥困难、知识点太多、内容繁杂等问题 [5]，不利于学生的成果产出。
图 1 课堂教学中主要采用的多种教学手段的简意图
因此，为了提高教学效果和学生对课程的掌握程度及兴趣度，围绕本课程中学生需掌握的重要基本理论知识，主要从以下三个方面进行课堂教学的多种方式的实施，图 1 是相应的简意图：
第一，课堂的理论教学中除了课件演示以外， 还需要针对于重点和难点的理论知识点，结合物理含义，以详细的板书形式进行推导、总结，并同时解释说明，以便于学生更好地接受和理解，从而可以抓住核心内容。
第二，提供一个轻松的教学氛围，设计一些具有启发性或趣味性的问题，让学生对问题感兴趣的同时，逐步引导学生积极主动地思考，从而激发学生对本课程学习的自主性。而且还可以适当穿插一些与理论相关的物理学趣事或发展史。从而使学生愉快地掌握知识，发展他们的各种潜能。
第三，通过图形化、视频化的方式来提高学生的学习兴趣，例如，动画演示辅助教学将微观粒子在晶体中的运动直观地表示出来，加深学生对微观物质的理解；进行形象化的教学，将深奥的物理知识用通俗易懂的语言表示出来，使学生对物理图像更加清楚；授课时，对于比较难于理解的基本假定和基本概念，尽可能结合合理的举例说明，并提供生动的动画或短片演示，以提高学生的兴趣度，同时便于学生理解。
（二） 强化能力培养的课堂教学
传统的课堂以知识传授为主，教师传授的是知识，学生接收的是知识，考试考的是知识。但是， 知识不等于能力，仅传授学生知识是不够的，应该更加注重培养学生的能力 [6]。因此，课堂的教学过程中，除了传授学生本课程基本的专业理论知识， 还需要注重学生在学习这些大量知识的基础之上， 进一步培养和提升他们的学习能力。
图 2 课程中主要三部分内容的“大树”示意图
例如，由于本课程中的量子力学基础、固体物理基础和半导体物理基础这三部分的知识量比较大， 那么可以将思维导图的方法引入其中，帮助学生将这三个部分看成是“三棵大树”（如图 2 所示），其中，每一部分的核心知识就是大树的主干，而每部分的 每个知识点就是大树的每片树叶或每个分支、树枝， 只需要抓住关键的核心内容，再展开进一步的联系 或比较，就可以把整个内容都掌握好。而且这三部分之间有部分知识点是会有所交叉的，如“简并”、“跃迁”的概念在量子力学基础和半导体物理基础中都有涉及，“能级”的概念在量子力学基础和固体物 理基础中也都有涉及，那么这些概念的重复出现及 应用就像是每棵树的树叶重叠之处或树枝的相交处，所以，这三棵树是既相互独立又相互关联的。这种学习方法和能力的培养比单一某一门课程知识点的传授更有意义，能够让学生在学习专业理论知识的同时，掌握学习新知识的方法和能力，即所谓的“授人以鱼不如授人以渔”。
四 加强反馈，实施持续改进
工程教育认证的一大重要特点就是要求专业建立持续改进的质量文化 [1]。《光电信息物理基础》课程是光电信息科学与工程专业后续课程《光电子学》、《激光原理》、《光电子器件》等专业课的理论基础课。如果学生对于本课程存在的问题得不到及时解决将影响后续课程的学习。因此，需要建立授课过程中和每学期的课程结束后两方面的反馈机制，进行持续改进。
一方面，在本课程的授课过程中，实时根据学生对课程内容的理解、学生作业、课堂研讨、课后答疑以及教学督导等反馈，及时了解教学中的不足之处，针对学生的不同情况及时调节授课过程中的教学状态，在后续的授课中加以改进。另一方面， 每学期的课程结束后，通过整体分析改学期的授课计划、教学手段和考核方式等，从而找到不足之处， 进而在下一轮的课程教学中，实施逐步改进、提高，确保可以达成相应毕业要求的指标点。
总之，基于对工程教育专业认证理念的认真学习，我们对《光电信息物理基础》的课程建设进行了一些探索工作，所有的教学活动都必须围绕教学目标和学生毕业要求的达成而实施，做到“以学生为中心、以成果产出为导向、持续改进”。在这样的理念引导下培养出来的专业人才，不仅在学习后续专业课时具备了坚实的基础，而且可以使他们能够掌握分析、解决光电类复杂工程问题的能力，同时具有扎实的专业理论知识。
参考文献
[1]中国工程教育专业认证协会. 工程教育认证工作指南(2016 版) [M]，2015.
[2]王芳 , 胡小平 , 冯莉媚 . 新标准下高等工程教育专业认证的思考 [J]. 教育现代化 , 2017(1):96-98.
[3]郭仁慧 , 高志山 . 工程教育专业认证理念引导下的《应用光学》课程建设 [J]. 高教学刊，2018(5): 103-105.
[4]边心田 , 陈贵宾 . 基于 OBE 理念的应用光学课程改革与实践[J]. 高教学刊 , 2017(18): 125-127.
[5]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)：130-131, 135.
[6]李培丽 , 施伟华 , 邹建华 , 等 . 工程教育专业认证背景下“光电子学”课程教学改革初探 [J]. 教育现代化，2016(31): 47-49.
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