工程教育认证背景下基于OBE的《量子与固体物理》课程改革思路
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作者:陈琳 陶志阔 方贺男 解其云
摘要：《量子与固体物理》是工程教育认证背景下电子科学与技术专业课程整合的成果，是专业体系中具有重要桥梁作用的一门专业基础课。在以成果导向的教学大纲设计、教学手段的实践尝试等多方面进行了教学改革探索，使这门传统的理论课程恰当地支撑工科学生的知识结构，并在教学中使学生的工程能力得到锻炼。
关键词：工程教育认证;固体物理;成果导向
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）42-0110-02
成果导向的教育模式（Outcomes-Based Education简称OBE）最早出现在美国与澳大利亚的基础教育改革中。美国学者Spady W.D.把OBE定义为“清晰地聚焦和组织教育系统，使之确保学生能获得在未来取得实质性成功的经验”，这一理念很快得到了人们的重视，并逐渐成为欧美许多国家教育改革的主流理念。我国于2013年6月加入《华盛顿协议》，拉开了具有国际标准的工程教育专业认证的帷幕。而这一认证于美国工程教育认证协会（ABET）创立时即接受并坚持贯彻OBE理念于其中。目前，这一认证和OBE教育理念正快速深入国内各高校各专业的教学实践中。
一、课程改革背景
作者所在的电子与光学工程学院电子科学与技术专业，所依托一级学科“电子科学与技术”已入选国家“双一流”建设学科。本专业于2012年10月首次申请工程专业认证，2013年接受专家现场考查。在所考查的7类项目要求中，认证专家指出三个方面需要关注的内容。第一，在毕业要求方面，理论知识与工程实践学习的系统性问题需要关注;第二，在持续改进方面，跟踪反馈的机制在常态化和长效化方面需要关注;第三，在课程体系方面，毕业设计（论文）选题结合本专业工程实际问题的比例需要关注。经过反复讨论和深入思考，我们发现这三方面问题可以归结到一个根本点，即传统的培养模式和课程体系与日益进步的社会需求不适应，与工程应用型人才培养目标不适应，当前必须以基于OBE的培养目标为指南，深入专业课程体系的改革。
《南京邮电大学“卓越工程师教育培养计划”工作进展报告》提出：在专业基础课程的设置上，要“着重核心课程的梳理和建设，使得参与卓越计划的学生通过本模块课程的学习，初步具備进入合作企业实习所需要的基础理论”。量子物理与固体物理课程作为电子科学与技术专业学生从学科基础课程迈入专业领域学习的桥梁和踏板，是教学设计与知识体系构建中的难点与重点。
二、课程改革的重点和难点
量子物理作为传统的理论物理四大力学之一，概念较为深奥抽象，难于熟习;固体物理是电子类、材料类、光学类及凝聚态等方向的基础课程，多学科跨度使其概念繁杂，内容冗长。对于本专业学生来说，从事微电子、光电子或光通信领域的学习研究，固体物理学都是必备的先修课程，在固体物理课程中奠定的认识模式和研究习惯将影响后续课程甚至是工程实践中的学习和工作能力。而量子物理又是固体物理必需的先修课程，不仅在固体物理的一些基本概念和基本理论的学习理解中起支撑作用，本身也能够帮助工科学生树立科学严谨的思维态度。但对于电子科学与技术专业学生来说，物理、化学等类专业的通用量子力学课程深度和难度较大，其中较艰深的知识点并不会用到固体物理或后续的专业课程当中，徒然增加门槛、削弱了学生的学习兴趣。因此，在新一轮的培养计划修订中，我们大胆将量子物理与固体合二为一，改组成为全新的64学时课程《量子与固体物理》。
在本课程2019年最新修订的大纲中对学生能力培养的要求描述为：“通过本课程的学习，要求学生具有进行科学抽象思维的能力，分析微观粒子和固体状态及能量问题的能力和在后续课程中应用量子与固体物理概念和量子与固体物理方法处理问题的能力。”该门课程对电子科学与技术专业学生毕业要求的支撑点为，掌握信息电子的基本理论，能将专业知识用于描述和分析信息电子领域复杂工程问题的解决方案。作为衔接平台课与专业课的纽带，其关键意义可见一斑。
三、OBE思路的课程大纲设计和教学探索
在课程改革与大纲设计中，本课程立足电子科学与技术专业的学科背景，吸收了专业课程多年教学的经验得失，涵盖了电子类和光电类专业所需的量子力学和固体物理知识，而对于纯物理性质、远离后续课程且数学处理繁杂的内容则尽量舍去。总体上，大纲方案力求让学生学有所获，为建设学生的工科应用型知识结构服务。
本次聚焦成果导向的大纲设计中，我们特别关注本课程在学生能力培育中的价值。2019版大纲所确定的能力培养目标如下：
1.初步具备利用量子和固体知识描述电子运动规律以及描述固体结构和性能的能力。
2.初步具备分析实际固体电子器件问题的能力。
3.初步具备就量子与固体物理相关领域专业问题进行陈述和表达观点的能力。
具体到固体物理部分的教学来说，针对其理论体系庞杂的特点，我们在探讨教学方法时就大胆扬弃了知识树中的细枝末节，以能力培养的成果导向指导思想为指导，引导学生主动提出问题并设想问题的解决思路。固体物理的许多章节都包含重要的假设、近似和模型，这是历史上该领域的开拓者们留下的思想烙印，也正可作为锻炼学生面对问题时拓宽思路的极好范本。例如，在电子能带理论的模型建立中，采用了三级近似：绝热近似、单电子近似和周期场近似。这些近似逐步深入且环环相扣，将不可能处理的复杂多体问题变成了具有一定可行性的单体问题，进而引入了布洛赫定理。在传统教学中，这些知识点都是按部就班地机械灌输，很难唤起学生的求知欲。而在我们的课程改革中，结合学生在量子物理中刚刚学过的薛定谔方程，将这个难解的多体问题抛向学生，引导他们讨论该问题的简化思路。过程中，教师适时地切入一些近似观点和物理思想，使学生不仅学到了知识，更循着科学前辈的思想足迹锻炼了合理化繁为简解决复杂工程问题的思路。这些尝试不仅活跃了课堂氛围，也使学生真正学有所得，对他们将来走上科研和工作岗位的工程能力有莫大助益。
四、教学手段的探索
在课堂教学中，基于固体物理的知识特点，我们充分运用了多媒体课件和仿真动画进行教学演示。例如，在能带论章节中，对周期性能带结构分别就近自由电子近似和紧束缚近似进行了带间“互斥”形成能隙和能级劈裂形成能带的动态展示，同时对其画法做了三种类型布里渊区的绘制过程的展示，让学生不仅对能带这一要点有深刻印象，同时能够领悟其中的处理思想，为后续课程打下基础。
又如在“晶体结构”一章中，面心立方、六角密堆积等典型晶格的几何结构在传统课件中只能平面展示，难于理解其空间位置关系。在这次课程改革中，我们利用CrystalMaker Demo软件进行基础的晶格结构绘制和动态演示的教学，能让学生创建并从各个角度观察晶格的对称性，找出其对称元素及组合方式，显著加强了学生对对称性概念及与晶体结构关系的理解。晶格转化中一些较难理解的问题，通过软件中简单的几个设置就能方便地给学生解释清楚，大大提高了晶体结构一章的教学质量和学习兴趣。
总结来看，我们在工程教育认证背景下实施专业课程的OBE改革，将为学生带来诸多收益：扎实的技术能力、杰出的个人和专业素质、初步的工程应用经验以及一定的动手能力。
参考文献：
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