工程教育認(rèn)證背景下基于OBE的《量子與固體物理》課程改革思路

陳琳 陶志闊 方賀男 解其云

摘要：《量子與固體物理》是工程教育認(rèn)證背景下電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程整合的成果，是專業(yè)體系中具有重要橋梁作用的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。在以成果導(dǎo)向的教學(xué)大綱設(shè)計(jì)、教學(xué)手段的實(shí)踐嘗試等多方面進(jìn)行了教學(xué)改革探索，使這門傳統(tǒng)的理論課程恰當(dāng)?shù)刂喂た茖W(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并在教學(xué)中使學(xué)生的工程能力得到鍛煉。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證;固體物理;成果導(dǎo)向

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）42-0110-02

成果導(dǎo)向的教育模式（Outcomes-Based Education簡稱OBE）最早出現(xiàn)在美國與澳大利亞的基礎(chǔ)教育改革中。美國學(xué)者Spady W.D.把OBE定義為“清晰地聚焦和組織教育系統(tǒng)，使之確保學(xué)生能獲得在未來取得實(shí)質(zhì)性成功的經(jīng)驗(yàn)”，這一理念很快得到了人們的重視，并逐漸成為歐美許多國家教育改革的主流理念。我國于2013年6月加入《華盛頓協(xié)議》，拉開了具有國際標(biāo)準(zhǔn)的工程教育專業(yè)認(rèn)證的帷幕。而這一認(rèn)證于美國工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)（ABET）創(chuàng)立時(shí)即接受并堅(jiān)持貫徹OBE理念于其中。目前，這一認(rèn)證和OBE教育理念正快速深入國內(nèi)各高校各專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐中。

一、課程改革背景

作者所在的電子與光學(xué)工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，所依托一級(jí)學(xué)科“電子科學(xué)與技術(shù)”已入選國家“雙一流”建設(shè)學(xué)科。本專業(yè)于2012年10月首次申請(qǐng)工程專業(yè)認(rèn)證，2013年接受專家現(xiàn)場考查。在所考查的7類項(xiàng)目要求中，認(rèn)證專家指出三個(gè)方面需要關(guān)注的內(nèi)容。第一，在畢業(yè)要求方面，理論知識(shí)與工程實(shí)踐學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性問題需要關(guān)注;第二，在持續(xù)改進(jìn)方面，跟蹤反饋的機(jī)制在常態(tài)化和長效化方面需要關(guān)注;第三，在課程體系方面，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題結(jié)合本專業(yè)工程實(shí)際問題的比例需要關(guān)注。經(jīng)過反復(fù)討論和深入思考，我們發(fā)現(xiàn)這三方面問題可以歸結(jié)到一個(gè)根本點(diǎn)，即傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式和課程體系與日益進(jìn)步的社會(huì)需求不適應(yīng)，與工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)不適應(yīng)，當(dāng)前必須以基于OBE的培養(yǎng)目標(biāo)為指南，深入專業(yè)課程體系的改革。

《南京郵電大學(xué)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”工作進(jìn)展報(bào)告》提出：在專業(yè)基礎(chǔ)課程的設(shè)置上，要“著重核心課程的梳理和建設(shè)，使得參與卓越計(jì)劃的學(xué)生通過本模塊課程的學(xué)習(xí)，初步具備進(jìn)入合作企業(yè)實(shí)習(xí)所需要的基礎(chǔ)理論”。量子物理與固體物理課程作為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生從學(xué)科基礎(chǔ)課程邁入專業(yè)領(lǐng)域?qū)W習(xí)的橋梁和踏板，是教學(xué)設(shè)計(jì)與知識(shí)體系構(gòu)建中的難點(diǎn)與重點(diǎn)。

二、課程改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)

量子物理作為傳統(tǒng)的理論物理四大力學(xué)之一，概念較為深?yuàn)W抽象，難于熟習(xí);固體物理是電子類、材料類、光學(xué)類及凝聚態(tài)等方向的基礎(chǔ)課程，多學(xué)科跨度使其概念繁雜，內(nèi)容冗長。對(duì)于本專業(yè)學(xué)生來說，從事微電子、光電子或光通信領(lǐng)域的學(xué)習(xí)研究，固體物理學(xué)都是必備的先修課程，在固體物理課程中奠定的認(rèn)識(shí)模式和研究習(xí)慣將影響后續(xù)課程甚至是工程實(shí)踐中的學(xué)習(xí)和工作能力。而量子物理又是固體物理必需的先修課程，不僅在固體物理的一些基本概念和基本理論的學(xué)習(xí)理解中起支撐作用，本身也能夠幫助工科學(xué)生樹立科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S態(tài)度。但對(duì)于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生來說，物理、化學(xué)等類專業(yè)的通用量子力學(xué)課程深度和難度較大，其中較艱深的知識(shí)點(diǎn)并不會(huì)用到固體物理或后續(xù)的專業(yè)課程當(dāng)中，徒然增加門檻、削弱了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，在新一輪的培養(yǎng)計(jì)劃修訂中，我們大膽將量子物理與固體合二為一，改組成為全新的64學(xué)時(shí)課程《量子與固體物理》。

在本課程2019年最新修訂的大綱中對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求描述為：“通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生具有進(jìn)行科學(xué)抽象思維的能力，分析微觀粒子和固體狀態(tài)及能量問題的能力和在后續(xù)課程中應(yīng)用量子與固體物理概念和量子與固體物理方法處理問題的能力?！痹撻T課程對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的支撐點(diǎn)為，掌握信息電子的基本理論，能將專業(yè)知識(shí)用于描述和分析信息電子領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案。作為銜接平臺(tái)課與專業(yè)課的紐帶，其關(guān)鍵意義可見一斑。

三、OBE思路的課程大綱設(shè)計(jì)和教學(xué)探索

在課程改革與大綱設(shè)計(jì)中，本課程立足電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)科背景，吸收了專業(yè)課程多年教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)得失，涵蓋了電子類和光電類專業(yè)所需的量子力學(xué)和固體物理知識(shí)，而對(duì)于純物理性質(zhì)、遠(yuǎn)離后續(xù)課程且數(shù)學(xué)處理繁雜的內(nèi)容則盡量舍去?？傮w上，大綱方案力求讓學(xué)生學(xué)有所獲，為建設(shè)學(xué)生的工科應(yīng)用型知識(shí)結(jié)構(gòu)服務(wù)。

本次聚焦成果導(dǎo)向的大綱設(shè)計(jì)中，我們特別關(guān)注本課程在學(xué)生能力培育中的價(jià)值。2019版大綱所確定的能力培養(yǎng)目標(biāo)如下：

1.初步具備利用量子和固體知識(shí)描述電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及描述固體結(jié)構(gòu)和性能的能力。

2.初步具備分析實(shí)際固體電子器件問題的能力。

3.初步具備就量子與固體物理相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)問題進(jìn)行陳述和表達(dá)觀點(diǎn)的能力。

具體到固體物理部分的教學(xué)來說，針對(duì)其理論體系龐雜的特點(diǎn)，我們?cè)谔接懡虒W(xué)方法時(shí)就大膽揚(yáng)棄了知識(shí)樹中的細(xì)枝末節(jié)，以能力培養(yǎng)的成果導(dǎo)向指導(dǎo)思想為指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)提出問題并設(shè)想問題的解決思路。固體物理的許多章節(jié)都包含重要的假設(shè)、近似和模型，這是歷史上該領(lǐng)域的開拓者們留下的思想烙印，也正可作為鍛煉學(xué)生面對(duì)問題時(shí)拓寬思路的極好范本。例如，在電子能帶理論的模型建立中，采用了三級(jí)近似：絕熱近似、單電子近似和周期場近似。這些近似逐步深入且環(huán)環(huán)相扣，將不可能處理的復(fù)雜多體問題變成了具有一定可行性的單體問題，進(jìn)而引入了布洛赫定理。在傳統(tǒng)教學(xué)中，這些知識(shí)點(diǎn)都是按部就班地機(jī)械灌輸，很難喚起學(xué)生的求知欲。而在我們的課程改革中，結(jié)合學(xué)生在量子物理中剛剛學(xué)過的薛定諤方程，將這個(gè)難解的多體問題拋向?qū)W生，引導(dǎo)他們討論該問題的簡化思路。過程中，教師適時(shí)地切入一些近似觀點(diǎn)和物理思想，使學(xué)生不僅學(xué)到了知識(shí)，更循著科學(xué)前輩的思想足跡鍛煉了合理化繁為簡解決復(fù)雜工程問題的思路。這些嘗試不僅活躍了課堂氛圍，也使學(xué)生真正學(xué)有所得，對(duì)他們將來走上科研和工作崗位的工程能力有莫大助益。

四、教學(xué)手段的探索

在課堂教學(xué)中，基于固體物理的知識(shí)特點(diǎn)，我們充分運(yùn)用了多媒體課件和仿真動(dòng)畫進(jìn)行教學(xué)演示。例如，在能帶論章節(jié)中，對(duì)周期性能帶結(jié)構(gòu)分別就近自由電子近似和緊束縛近似進(jìn)行了帶間“互斥”形成能隙和能級(jí)劈裂形成能帶的動(dòng)態(tài)展示，同時(shí)對(duì)其畫法做了三種類型布里淵區(qū)的繪制過程的展示，讓學(xué)生不僅對(duì)能帶這一要點(diǎn)有深刻印象，同時(shí)能夠領(lǐng)悟其中的處理思想，為后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。

又如在“晶體結(jié)構(gòu)”一章中，面心立方、六角密堆積等典型晶格的幾何結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)課件中只能平面展示，難于理解其空間位置關(guān)系。在這次課程改革中，我們利用CrystalMaker Demo軟件進(jìn)行基礎(chǔ)的晶格結(jié)構(gòu)繪制和動(dòng)態(tài)演示的教學(xué)，能讓學(xué)生創(chuàng)建并從各個(gè)角度觀察晶格的對(duì)稱性，找出其對(duì)稱元素及組合方式，顯著加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)對(duì)稱性概念及與晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系的理解。晶格轉(zhuǎn)化中一些較難理解的問題，通過軟件中簡單的幾個(gè)設(shè)置就能方便地給學(xué)生解釋清楚，大大提高了晶體結(jié)構(gòu)一章的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)興趣。

總結(jié)來看，我們?cè)诠こ探逃J(rèn)證背景下實(shí)施專業(yè)課程的OBE改革，將為學(xué)生帶來諸多收益：扎實(shí)的技術(shù)能力、杰出的個(gè)人和專業(yè)素質(zhì)、初步的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及一定的動(dòng)手能力。

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