光學工程專業“量子光學”課程建設的探索性研究

周原 王晴嵐 呂東燕

關鍵詞：光學工程;量子光學;課程建設

1緒論

經典光學，即光學，是一門非常古老的學科，距今已有數百年的發展歷程。日新月異的科技發展極大地促進了全世界對光學技術的研究、應用以及突破。自從1960年第一臺紅寶石激光器誕生以來，光的量子“世界”之神秘面紗逐漸褪去，量子光學迎來了60多年的蓬勃發展，人們有理由確認量子光學聚焦了當前以及未來光學領域所有前沿問題。21世紀以來，量子信息技術的發展突飛猛進，從墨子號量子通信衛星到2021年的九章量子模擬原型機，這些研究成果都代表著當前該領域的世界最高水平，而且這些成果的獲取都是基于量子光學的研究和應用。2021年2月10日，中國教育部已經首次將量子信息科學（物理學類編號：070206T）納入普通高等學校教育的本科基本專業。中國未來的普通高等教育中，“量子”這個關鍵詞，將會越來越頻繁的出現，如量子物理、量子信息、量子光學、量子技術等。所以普通高等院校在對光學專業及其他相關專業人才培養的過程中，也完全有必要和需要將“量子光學”的課程體系納入基本的人才培養方案中來。

自從2018年我院獲批光學工程一級學科碩士點以來，并于2020年對光學工程專業的碩士研究生的人才培養方案進行了修訂，其中將“量子光學”的課程體系引入了專業學位課程里面，設置的學時要求為32學時，學分2分，開課時間為研究生一年級第一學期。對光學工程專業的碩士研究生來說，僅單純地研究和學習經典光學的相關知識和理論是不能夠適應當今社會和科技進步的需求的，適當地引入前沿的量子光學理論對于研究生的培養質量將具有關鍵的影響力和提升力。然而相較于學院的其他一些固有課程，量子光學則是一門全新的課程，無論是課程建設與教學執行，還是課程考核與教學反思，這都將是一個富有挑戰性的系統性工程。根據光學工程專業碩士研究生的培養目標的基本定位，本課程組從教學實踐出發，從教材、教學大綱、授課計劃、教案四個基本環節對量子光學課程進行了初步建設，并對該課程建設中所遇到的一些問題開展了探索性的討論和分析。

2課程建設的基本思路

以我院為例，光學工程全日制學術型碩士研究生培養方案的培養目標定位為：培養能夠從事光學工程及相關領域的科學研究、技術開發、教學與工程管理工作，具有一定創新精神的高級專門人才。（1）具備嚴謹科學態度和優良學風，德、智、體全面發展，能適應我國新型社會主義現代化建設事業的需要;（2）掌握光學工程的基本理論和實驗技能，了解本領域的最新研究動態，能獨立開展與本學科有關的科研、教學和技術開發工作，具備創新研究能力，具有創新性成果;（3）有較強的語言表達與溝通能力，能熟練地進行專業閱讀和科研論文寫作。

根據這一培養目標，結合我校產出型人才培養模式的大環境，光學工程專業碩士研究生的培養可以基本凝練成三個遞進的層級：解決問題的能力、發現問題的能力和問題創新的能力。如下圖所示，按照這樣一個遞進的關系，我們將“量子光學”的課程教學目標定位為解決問題、發現問題和問題創新這三個層級，按照這樣的一個分層邏輯來設計課程建設的基本內容，包含課程大綱、教學計劃、講義、課件、考核、教學反饋以及線上教學平臺搭建等一系列環節。

3圍繞人才培養目標。制定合理的課程大綱

從教學實踐出發且基于前期的調研工作，初步設計了該課程的大綱。我們將課程目標設計為三級教學目標，如下：

目標1：為培養學生良好的科學素養和技術創新能力打下基礎。讓學生扎實掌握基本的量子光學的知識、原理、定理和定律，學會研究前沿問題的一些基本思想和方法，使其具備成為創新型人才應必備的光學基礎知識，為后續其他專業課程的學習做好知識和能力準備（解決問題）;

目標2：樹立學生的創新意識。使學生能嘗試使用物理學原理、知識和方法來處理其課題研究中遇到的實際問題，并培養其在實際工作中提出、分析和解決問題的綜合應用能力（發現問題）;

目標3：培養學生自主學習和解決問題的能力。提升其建構自己的知識體系的能力，為其今后的終身學習打好知識基礎（問題創新）。

根據三級課程目標，我們對課程的基本內容進行了相關設計，如表1所示，課程的基本結構主要分為準備知識（第0部分）、基本知識（第1～4部分）和前沿課題知識點（第5部分）。在大綱中，對于不同的知識點，擬采取不同的授課模式。

由于本學院光學工程專業研究生的基礎知識儲備方面參差不齊，部分學生還存在跨專業調劑錄取的情況，且考慮到量子光學在課程銜接方面可能存在一些知識點空缺的問題，我們在設計補充知識方面，進行了一番調研和討論，對第0部分需要補充的知識進行了細化和歸類。參照課程大綱的基本學時要求，我們對補充知識點進行了兩個方面的歸類：線性代數和量子力學兩部分補充知識點，如表2和表3所示，表2是線性代數知識點的補充部分，表3則是量子力學基本知識點的補充內容。通過這樣的設計和考慮，能夠讓學生更好地入門量子光學的基本理論。

4教學反饋和優化建議

在實際教學實踐過程，我們發現每一門課程從開設到建課，從課程內容的設置到課程大綱的編寫，從教學計劃的制訂到教案、講義的凝練，無不體現為一項復雜且系統性的工程，而且其中每一個環節都是非常重要的。在教學實踐中，針對那些對本課程非常感興趣的研究生，我們在課程之余將有關的科學問題拋給了學生，在任課老師的指導下學生順利完成了相關科研工作。針對那些僅僅是修學分的研究生，我們將量子光學課程中的一些基本的、重要的問題篩選出來，將問題拋給學生，讓學生在學習和上課的過程中，逐漸找到解決的方法并解答出來，以此來鍛煉學生解決問題的能力。另外，我們通過調研匯報和大論文撰寫來鍛煉學生發現問題和提煉問題的能力，通過學生各自導師的指導進而找到問題創新的方法。

教學反饋是整個教學過程中非常重要的環節，對“量子光學”課程教學過程的基本反饋，我們主要從主觀反饋和客觀反饋兩方面來評價和衡量課程目標的執行情況和達成情況。首先在主觀方面，我們一方面總結任課老師在課程教學的日常過程中，在教與學的互動中總結和反饋一些問題;另一方面我們采取問卷調查的方式和教學反饋會議這兩種方式來總結經驗和發現問題。其次在客觀方面的反饋，我們主要聚焦于課程考核和達成度分析，對于考核過程，我們采用試卷考核+大論文+學術報告三種方式組合的形式來完成考核，目的就是訓練學生解決問題、提煉信息和匯報工作的能力。對研究生的考核過程，我們發現學生的考試成績基本都能達到優秀，但是在大論文和學術報告上面，個體問的差異較大。由于課程的建設和發展都是螺旋式的前進過程，只有總結和發現問題并有效地解決問題，才能更加合理地促進課程教學的健康發展。

通過教學反饋和教學反思，我們凝練和總結主要問題并提出了幾點優化課程建設的建議：（1）在知識點補充方面應該下一番工夫，將線性代數和量子力學的知識點結合到一起，既要從物理的角度來說明數學補充知識的應用之道，又要在線性代數的角度來理解量子力學為什么稱為矩陣力學;（2）在大論文和學術報告方面，應該與學生的碩士生導師密切合作，對于不同研究方向的研究生，在導師的指導下完成相關領域的文獻調研，來撰寫調研大論文和匯報調研情況，對于調研的情況，聘請相關導師對學生的調研情況給出更加客觀的評分;（3）在教學實踐中，學生的整體表現應該能清晰地體現本課程在教學過程中所設置的三級目標——解決問題一發現問題一問題創新，所以在具體的教學實踐過程中要準備一些前沿的課題或者問題，通過拋出問題，引導學生想辦法解決問題，然后再反思這個問題的方法來培養學生科研的邏輯思維;（4）可以借鑒學習通等軟件APP系統增加線上課程建設的方式，將傳統的教學模式改變為線上+線下的混合式的教學模式;（5）鼓勵并大力支持對該課程特別感興趣的研究生參與到量子光學領域的科研工作中來，指導這些學生完成相關的科研工作。

5結語

研究生課程教學研究和課程改革一直以來很容易在高等教育中被忽略的一個環節，仿佛科研創新就是他們三年學業生涯中唯一關注的點，然而教學和科研一直以來都是相生相長的，尤其是研究生的課程，更是教學中包含科研，科研又反過來更新著我們的教學，與時俱進。在本文中，課程組對光學工程專業碩士研究生專業學位課程“量子光學”的課程建設展開了討論和分析，從人才培養的目標定位、課程大綱的設計、學生基礎知識儲備和課程銜接、學生反饋等幾個方面闡述了本課程的基本建設思路。通過實際執行的教學實踐和獲得的教學反饋來分析課程目前的建設情況和教學執行效果，并進一步提出了幾點優化的建議。通過此次教學研究和教學工作的總結，我們將進一步完善“量子光學”課程建設的各個環節，借鑒混合式的教育模式來提升教學效果和改善學生的教學體驗，為實現三級教學目標打下堅實的基礎。