時代背景下的基礎(chǔ)學(xué)科專業(yè)課教學(xué)模式創(chuàng)新

張鵬　王守宇　呂英波　李延輝　劉芬　孫琿　關(guān)成波　叢偉艷

摘? 要：當(dāng)前中國工程師紅利已取代人口紅利，成為推動中國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要力量。與此同時，中國的高等教育正邁入大眾化普及教育階段。要建設(shè)創(chuàng)新型國家，我們不僅需要工程師紅利，更需要人才紅利。這就要求在“雙一流”國家戰(zhàn)略下，高校的教學(xué)改革要兼顧精英教育和大眾教育。課程教改往往關(guān)注的是課堂教學(xué)的形式和內(nèi)容，以學(xué)生為本，這對于教育的普及化十分重要。實踐證明，對于基礎(chǔ)學(xué)科的專業(yè)課，從理論學(xué)習(xí)到知識創(chuàng)新不可能全部在課堂完成。我們還需要將理論有機拓展到第二課堂的學(xué)術(shù)研究中。同時，合理的師資配置也應(yīng)該受到重視。

關(guān)鍵詞：人才紅利;精英教育;大眾教育

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）36-0055-04

Abstract： Nowadays， the demographic dividend in China has been replaced by engineer dividend， which becomes an important power to promote economic high-quality development. Meanwhile， the higher education in China is striding into universal education. Under the situation of COVID-19 pandemic， the internet online teaching courses growth rapidly， becoming an efficient way to popularize education. However， to build an innovation-oriented country， China needs talent dividend too. For a basic subject course， it should cover not only mass education， but also elite education， which may contributes to the country's construction plan of world-class universities and first-class disciplines. The curriculum reform and practice always focus on the teaching form and content in class based on student-oriented. However， the whole process from theory learning to knowledge innovation cannot be fulfilled only in class. Teachers need to extend the theory learning to practice activities. Meanwhile， proper allocation of teachers in a teaching department should be emphasis too. Our teaching reforms on Materials simulation and computing present a practical solution.

Keywords： talent dividend; elite education; mass education

一、基礎(chǔ)學(xué)科專業(yè)課建設(shè)的時代背景

（一）高等教育正進(jìn)入普及化階段

2020年3月4日，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會、中國工程院、中國聯(lián)合國教科文組織全國委員會聯(lián)合發(fā)文稱，當(dāng)前中國工程師紅利已取代人口紅利，成為推動中國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要力量[1]。每年工學(xué)類普通本科畢業(yè)生超過140萬，考慮到還有大量的理學(xué)類本科畢業(yè)生也會加入到工程師行列，在此背景下，未來新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有充分的工程師紅利，中國經(jīng)濟(jì)長期向好的發(fā)展趨勢不變。這正是在大眾教育模式下，中國人才現(xiàn)狀的一個縮影。

當(dāng)代教育家馬丁·特羅將高等教育的毛入學(xué)率作為衡量一個國家高等教育規(guī)模的量化指標(biāo)。他認(rèn)為低于15%是精英教育;發(fā)展規(guī)模在適齡人口15%和50%之間的屬大眾教育;當(dāng)超過50%時，稱為普及教育[2]。新中國成立后，我國有過很長一段時間的精英教育。1998年，高等教育大規(guī)模擴招之后，教育理念逐漸向大眾教育過渡。根據(jù)教育部最新發(fā)布的全國教育事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報，2019年中國的高等教育毛入學(xué)率突破50%，達(dá)51.6%，各類高等教育在學(xué)總規(guī)模超過4000萬人，按照馬丁·特羅的標(biāo)準(zhǔn)，我國已邁入高等教育的普及化階段[3]。

如今，在大學(xué)教學(xué)改革方面，與大眾教育相適應(yīng)的一個典型實例就是各個高校都在進(jìn)行慕課、SPOC等線上或線上線下相結(jié)合的課程建設(shè)。線上教學(xué)是互聯(lián)網(wǎng)時代實現(xiàn)教育普及化的有效方式，尤其是2020年以來，突如其來的新型冠狀病毒肺炎疫情給全世界帶來了生活、工作模式的巨大變化，其所波及在學(xué)校教育方面就是師生之間物理空間分割的在線教學(xué)。據(jù)統(tǒng)計，截至4月3日，全國在線開學(xué)的普通高校共計1454所，95萬余名教師開設(shè)94.2萬門、713.3萬門次在線課程，參加在線課程學(xué)習(xí)的學(xué)生達(dá)11.8億人次[4]。

那么，從國家層面上看，是不是大眾化的普及教育就滿足要求了呢？

（二）“雙一流”國家戰(zhàn)略培養(yǎng)的目標(biāo)人群是精英人才

建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科即“雙一流”建設(shè)，作為中國高等教育繼“211工程”“985工程”之后的又一國家戰(zhàn)略，其建設(shè)任務(wù)明確指出，要培養(yǎng)“拔尖創(chuàng)新人才”[5]。顯然，其對標(biāo)的目標(biāo)人群應(yīng)該是接受精英教育的這部分大學(xué)生。習(xí)近平總書記在北師大師生座談會上指出，當(dāng)今世界的綜合國力競爭，說到底是人才競爭，人才越來越成為推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的戰(zhàn)略性資源，教育的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、全局性地位和作用更加突顯[6]。

2018年6月在教育部召開的新時代中國高校本科教育工作會議上，陳寶生部長提出，對大學(xué)生要有效“增負(fù)”，要把“水課”轉(zhuǎn)變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”。2019年10月，教育部印發(fā)《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》，提出了“金課”的具體量化指標(biāo)，計劃三年左右的時間，建成萬門左右的國家級和萬門左右省級一流本科課程。

因此，作為國家宏觀層面的頂層設(shè)計，既要有大眾教育的科學(xué)文化普及，也要為創(chuàng)新型國家培育精英人才。

縱觀當(dāng)今教育發(fā)達(dá)國家，不同階段的教育形態(tài)往往同時存續(xù)。比如牛津、劍橋大學(xué)，其教育的作用仍然是為社會各個領(lǐng)域培養(yǎng)領(lǐng)軍人物。而美國的社區(qū)學(xué)院、日本的專修學(xué)校則是為大多數(shù)人在發(fā)達(dá)工業(yè)化社會中的生活做準(zhǔn)備，屬于普及性教育。

目前，對于我國大多數(shù)高校而言，在追求“雙一流”建設(shè)目標(biāo)的過程中，大學(xué)教育應(yīng)兼顧這兩個功能。

（三）基礎(chǔ)學(xué)科專業(yè)課建設(shè)的時代要求和困境

一個國家的創(chuàng)新能力離不開基礎(chǔ)科學(xué)研究。全球的許多創(chuàng)新都是從基礎(chǔ)研究發(fā)展而來。比如，iPhone的觸摸屏技術(shù)，就是很早以前基礎(chǔ)研究的一個成果[7]。中國要建設(shè)創(chuàng)新型國家，實現(xiàn)“兩個一百年”奮斗目標(biāo)和中華民族偉大復(fù)興的中國夢，不僅需要工程師紅利，更需要創(chuàng)新型人才紅利。因此，不論是基礎(chǔ)學(xué)科還是應(yīng)用學(xué)科，既要為同班中的本科畢業(yè)生培養(yǎng)通用技能，又要把那些準(zhǔn)備繼續(xù)深造者培育成創(chuàng)新型人才。對于基礎(chǔ)學(xué)科而言，后者的成分更重。因此，基礎(chǔ)學(xué)科的專業(yè)課建設(shè)應(yīng)該能夠?qū)⒋蟊娊逃c精英教育融合在一個課堂里，這是處于中上游高校教學(xué)改革的時代要求。

然而，如何將看似矛盾的二者融為一體，高校尚缺乏明確的發(fā)展戰(zhàn)略，也沒有清晰的技術(shù)路線。從高校的具體實踐來看，有的教師專于教學(xué)，能充分調(diào)動線上線下各種資源，提高教學(xué)效果，學(xué)生接受程度高。不過他們在學(xué)術(shù)研究上可能用時不多，因此在引導(dǎo)學(xué)生將最新的理論進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用方面缺乏有效手段;另一方面，一個教學(xué)單位內(nèi)各課題組的學(xué)術(shù)領(lǐng)軍人物，科研任務(wù)重，不愿在教學(xué)上投入過多精力，會利用與他人合講課程等形式規(guī)避教學(xué)任務(wù)。雖然教育部三令五申，教授必須給本科生上課，然而，這種教、研分流的現(xiàn)象仍普遍存在。從課程建設(shè)的角度看，實現(xiàn)科教融合有一個現(xiàn)實的瓶頸。

二、“材料模擬與計算”專業(yè)課教學(xué)的模式創(chuàng)新

我們是為物理類本科生三年級開設(shè)“材料模擬與計算”這門專業(yè)課。物理學(xué)原本是一門實驗科學(xué)，后逐漸分為實驗物理和理論物理兩個研究方向。進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著量子力學(xué)理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，通過計算機進(jìn)行實驗仿真得到研究對象的宏觀物理性質(zhì)的研究方法即計算物理成為物理學(xué)的第三大分支。目前，凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最為常用的算法是密度泛函理論，不過本科階段開設(shè)這類課程的高校十分鮮見，也沒有很適用的教材。我們依據(jù)部分參考書，按照學(xué)科體系，自編講義，從2016年開始進(jìn)行教學(xué)改革實踐，無論在教學(xué)內(nèi)容和形式、科教融合等方面都有不同于傳統(tǒng)教學(xué)的改革思路。

（一）第一課堂進(jìn)行實踐-理論-創(chuàng)新的教學(xué)模式改革

教學(xué)內(nèi)容上我們沒有遵從傳統(tǒng)教材的大綱順序，也沒有安排專門的上機實驗?，F(xiàn)在的大學(xué)生一般都有筆記本電腦，學(xué)生將計算軟件安裝在自己的電腦上，帶入課堂。開課之初，我們先指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)上機案例，通過自建一個材料模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性質(zhì)計算，再分析數(shù)據(jù)、討論結(jié)果，完成一個問題研究的全流程操作。幾輪實踐應(yīng)用后，學(xué)生們體驗到了物理原理的現(xiàn)實意義，打消了很多人“學(xué)習(xí)無用論”的思想。實踐使他們體會到知識的力量，然后就有了學(xué)習(xí)理論原理的動力。這樣接下來的理論課教學(xué)就能產(chǎn)生事半功倍的效果。

為深化課程實踐，開課之初同步布置了課程論文的任務(wù)，讓學(xué)生做好選題，通過貫穿整個學(xué)期的實踐訓(xùn)練，到結(jié)課時要求學(xué)生上交一份符合期刊論文格式的研究成果。大三學(xué)生基本都有科研立項經(jīng)歷，這時他們在選題、調(diào)研等方面已有良好的基礎(chǔ)。最終，結(jié)合計算物理的研究方法，學(xué)生們通過訓(xùn)練，整體上提高了科研素養(yǎng)。有創(chuàng)新點的論文經(jīng)過修改可投稿發(fā)表。在這個模式下，自2017年至今，本科生已發(fā)表第一作者SCI論文13篇?？傊?，課堂教學(xué)將理論-應(yīng)用的傳統(tǒng)模式改為實踐-理論-創(chuàng)新的貼近實戰(zhàn)的教學(xué)模式。

在教學(xué)形式上，綜合運用線上線下各種手段，對學(xué)生進(jìn)行多元評價。我們隨堂伴有線上教學(xué)視頻，同步播放PPT，進(jìn)行考勤簽到、布置作業(yè)等。學(xué)生課后還可通過回放以消化吸收知識難點。在教學(xué)過程中設(shè)置搶答獎勵分，通過競爭性評價鼓勵學(xué)生積極思考。教學(xué)過程中會提出一些開放性課題與大家討論，提出某些知識點涉及到的前沿學(xué)術(shù)問題，引導(dǎo)感興趣者深入思考。比如講到晶格振動的理論與計算時，告訴學(xué)生冰的兩個氫鍵振動峰至今尚未解釋清楚，并把我們的研究進(jìn)展講給學(xué)生。這個問題吸引了很多學(xué)生課后加入到這項研究之中。學(xué)術(shù)討論沒有局限在一個小的知識點，而是貫穿了整個知識體系，將現(xiàn)實問題聯(lián)系起來，提高了學(xué)生深入學(xué)習(xí)的興趣和從事物理職業(yè)的未來期望。

同時，教學(xué)過程中通過介紹人物、事件背景潛移默化地進(jìn)行課程思政教育，牢固建立社會主義核心價值觀。比如，講解密度泛函理論的K-S方程時，隨堂介紹華人沈呂九的事跡，其中的S就是沈教授。這讓大家體會到中國人也同樣聰明，能在科技進(jìn)步中發(fā)揮重要的作用。講數(shù)值計算的算法優(yōu)化時談到移動互聯(lián)網(wǎng)5G的進(jìn)展，指出美國對華為的打壓本質(zhì)上是不容許我國在高科技上出現(xiàn)領(lǐng)跑點。這些案例讓學(xué)生意識到，國人當(dāng)自強，只有現(xiàn)在努力學(xué)習(xí)，將來奮發(fā)圖強才能為國家的發(fā)展貢獻(xiàn)智慧。

（二）第二課堂的科研訓(xùn)練是實現(xiàn)創(chuàng)新的重要環(huán)節(jié)

從理論學(xué)習(xí)到知識創(chuàng)新不可能全部在課堂上完成。實踐課程是大學(xué)教育的必備環(huán)節(jié)，但往往與專業(yè)課脫鉤。主講老師要將那些有興趣的學(xué)生組織到課外的學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊中。我們將前沿理論有機拓展到第二課堂，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課題研究。在理論課之外，我們通過定期的學(xué)術(shù)討論會解決面上的問題，比如學(xué)習(xí)英語文獻(xiàn)，講解研究背景和技術(shù)手段;再通過個別指導(dǎo)加快他們科研成果的產(chǎn)出。尤其在英文論文寫作方面，先提供范文，讓學(xué)生理清思路后模仿寫作，再經(jīng)過老師的指導(dǎo)修改到最后投稿。學(xué)生在研究問題時常常會遇到理論落后于實踐的困境。我們一以貫之的思想是，人不可能在掌握所有理論后才去解決問題。此時，老師的隨時跟進(jìn)指導(dǎo)十分關(guān)鍵，這才能保證學(xué)生持續(xù)取得研究進(jìn)展。

現(xiàn)實中，這方面的教改涉及諸多現(xiàn)實障礙。比如學(xué)生開展課題研究的經(jīng)費哪里來？就這門課而言，只有計算機上的虛擬實驗，成本很低，但也要有超算中心的機時費、文章服務(wù)費、版面費等大的開支。學(xué)校、學(xué)院在這方面有一套較完備的體制機制作保障。比如大一新生一入學(xué)就通過本科生導(dǎo)師制建立了師生的直接聯(lián)系。然后通過大學(xué)生科研立項解決了學(xué)生進(jìn)行課題研究的經(jīng)費問題。同時，指導(dǎo)教師也有績效獎勵等等。總之，學(xué)校要有配套的政策措施提供保障并進(jìn)行激勵。

（三）為專業(yè)課教學(xué)配置合適的師資

學(xué)生要分類施教，同樣，師資也要合理配置。這個視角在教學(xué)研究中往往被無視。在一個教學(xué)單位，一般有多個學(xué)術(shù)團(tuán)隊。每個團(tuán)隊中有學(xué)術(shù)帶頭人，有二牛，三牛等等和以教學(xué)、實驗為主的教師。課題組要根據(jù)學(xué)科發(fā)展，為學(xué)生開設(shè)專業(yè)方向課，讓那些既活躍在科研一線，科研任務(wù)又相對較輕的師資主講專業(yè)課，以便于打通二者的界限。專業(yè)課不同于基礎(chǔ)課，理論必須跟上學(xué)科的發(fā)展。就是說，要把學(xué)術(shù)前沿的理論成果和問題帶入課堂。這樣的要求對于專門以教學(xué)為主的教師就很難承擔(dān)。實踐中，這些師資將精力放在大學(xué)物理公共課和專業(yè)基礎(chǔ)課上比較合適，他們也有更好的條件開展線上線下課程的教學(xué)研究。同時，現(xiàn)實條件下，學(xué)術(shù)帶頭人肩負(fù)科研重任，研究生群體大，很難有精力再去顧及本科生的課程和科研訓(xùn)練。總之，要在一個教學(xué)單位內(nèi)部進(jìn)行師資的優(yōu)化配置，把合適的人放在適任的教學(xué)崗位，這是解決問題的一個新的維度。

（四）創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實踐成果

這門課迄今已進(jìn)行了四輪的教改實踐。上課人數(shù)每屆平均80多人。近三年學(xué)生面上的總體評價，滿意度排名在前10名以內(nèi)。其中2017年，學(xué)生評價成績94.05，排名8/123;2018年，學(xué)生評價成績93.57，排名7/140;2019年，學(xué)生評價成績94.77，排名9/105。學(xué)生面上反映說明該課程的接受程度較好，實現(xiàn)了大眾教育的目標(biāo)。在精英教育方面，自2017年開始，部分大學(xué)生利用所學(xué)計算機模擬方法進(jìn)行學(xué)術(shù)研究，截至今日已在校發(fā)表第一作者SCI論文13篇，平均影響因子3.202。尤其是2019年，有7篇論文發(fā)表，教改成效十分明顯。這些優(yōu)秀學(xué)生中已有9人畢業(yè)。他們的畢業(yè)出口都是到更高的平臺深造。其中有兩人獲得美國普渡大學(xué)、加州理工大學(xué)洛杉磯分校博士全額獎學(xué)金出國留學(xué);其他學(xué)生則到北大、中科院物理所、上海交大、中國科大等名校讀研。其中有一名學(xué)生特別優(yōu)秀，分別發(fā)表文章于期刊Journal of Physical Chemistry C（IF=4.309）和New Journal of Physics （IF=3.773）。這種學(xué)生如果早發(fā)現(xiàn)、早培養(yǎng)，可促進(jìn)他們早成才、快成才、成大才。與之對比的是，有一名2015級學(xué)生因有多門不及格成績而延遲畢業(yè)。盡管如此，該生立志要出國留學(xué)，堅持參加第二課堂的學(xué)術(shù)討論。2019年下半年，該生的研究成果發(fā)表于期刊ACS Omega （IF=2.584）。由此可見，學(xué)生只要有學(xué)習(xí)的興趣和動力，經(jīng)過努力都可以成才。而這個過程中，需要教師的不斷啟發(fā)和持續(xù)培養(yǎng)。

在學(xué)術(shù)科技競賽方面，學(xué)生團(tuán)隊2019年獲得全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模一等獎，第十六屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽全國二等獎等好成績。國際交流方面，有兩人次獲日本J-PARC國家實驗室全額獎學(xué)金，分別于2017、2018寒假去訪學(xué)。一人次獲美國UCLA的獎學(xué)金，于2019年赴美參加科研夏令營。一人次獲加拿大麥吉爾大學(xué)夏令營資助，可惜因今年疫情被取消。

同時，在學(xué)院的推廣下，很多工作在教學(xué)科研一線的教師也加入到專業(yè)課教改工作中。學(xué)院有應(yīng)用物理學(xué)和空間科學(xué)與技術(shù)兩個專業(yè)，2017年之前，全院每年本科生在讀期間發(fā)表SCI論文偶爾有一兩篇，2017、2018、2019年分別是3、7、9篇，呈現(xiàn)大幅的增長。只有動員有條件的教師都積極投入，才能呈現(xiàn)面上開花的局面，使得本科生的培養(yǎng)質(zhì)量整體提升。

三、結(jié)束語

在兼顧精英教育與大眾教育的理念下，基礎(chǔ)學(xué)科專業(yè)課的課程設(shè)計要追求高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面做出有顯示度的成績;教學(xué)過程中要綜合運用線上線下各種資源，提高學(xué)生對知識的理解和掌握程度。一門“金課”最終應(yīng)實現(xiàn)將學(xué)生中的優(yōu)秀者培養(yǎng)成未來精英，一般者培養(yǎng)成社會通才的教育目標(biāo)?；A(chǔ)學(xué)科的專業(yè)課教學(xué)有很多共性，本文的教學(xué)模式創(chuàng)新實踐迎合了國家宏觀層面的制度設(shè)計，提供了一條可復(fù)制、可借鑒、可推廣的操作路徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國新聞網(wǎng).中國工程師紅利已取代人口紅利 成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要力量[EB/OL].（2020-03-04）[2020-06-05].http：//www.chinanews.com/gn/2020/03-04/9113712.shtml.

[2]史朝.高等教育發(fā)展的整體思路——評馬丁·特羅的高等教育發(fā)展階段理論[J].高等教育研究，1999（04）：95-99.

[3]教育部.2019年全國教育事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[EB/OL].（2020-05-20）[2020-06-05].http：//www.moe.gov.cn/jyb_sjzl/sjzl_fztjgb/202005/t20200520_456751.html.

[4]教育部.教育部將啟動高校在線教學(xué)英文版國際平臺建設(shè)項目[EB/OL].（2020-04-10）[2020-06-05].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/202004/t20200410_442294.html.

[5]中國政府網(wǎng).國務(wù)院關(guān)于印發(fā)統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案的通知[EB/OL].（2015-11-05）[2020-06-05].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-11/05/content_10269.htm.

[6]中國新聞網(wǎng).習(xí)近平同北京師范大學(xué)師生代表座談時的講話[EB/OL].（2014-09-09）[2020-06-05].http：//www.chinanews.com/gn/2014/09-10/6575002.shtml.

[7]光明網(wǎng).基礎(chǔ)研究是國家創(chuàng)新的源泉——訪湯森路透中國區(qū)總裁劉煜[EB/OL].（2014-09-21）[2020-06-05].http：//epaper.gmw.cn/gmrb/html/2014-09/21/nw.D110000gmrb_20140921_3-06.htm？div=-1.

*基金項目：山東省教育廳2018本科教改重點項目“物理專業(yè)大學(xué)生圍繞專業(yè)課進(jìn)行科研訓(xùn)練模式創(chuàng)新研究”（編號：Z2018B110）;山東大學(xué)（威海）2019校級教改重點項目“基礎(chǔ)學(xué)科創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式研究”（編號：Z2019010）的研究成果之一

作者簡介：張鵬（1971-），男，漢族，山東淄博人，博士，教授，研究方向：凝聚態(tài)物理。