巴黎高等物理化學學院的精英人才培養(yǎng)模式與物理類課程設計

方 愷 張冶文 LEGRAND André Pierre

(1同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092； 2同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804； 3巴黎高等物理化學學院，巴黎，法國 75005)

巴黎高等物理化學學院(ESPCI Paris)是世界著名高等學府，居里夫婦等多位獲得諾貝爾獎的著名科學家曾工作于此，該校實行理工融合與跨專業(yè)的教學模式，培養(yǎng)工程師、碩士和博士研究生等不同層次的精英人才，也是國際知名的科學研究中心和產業(yè)創(chuàng)新研究基地。巴黎高等物理化學學院屬于規(guī)模不大的法國精英高等學校之一，有物理、化學和生物學3個專業(yè)方向，學制4年，每年招生人數為80至90名學生，教師和研究人員為300余名，另有博士研究生與博士后約為200名，其師生比例非常高。

巴黎高等物理化學學院的課程設置結構嚴謹、循序漸進、強調理論課與實踐課同等重要，并將兩者緊密結合，提出將基礎研究與應用相結合，將校內課程的知識學習與企業(yè)技術研發(fā)實習相結合，培養(yǎng)學生工程師(Student-engineers)。學院要求學生不但了解理論原理，還要進一步懂得如何將其應用于生產實踐，即達到“應知”與“應會”，培養(yǎng)面向世界的引領科學研究和工業(yè)技術的創(chuàng)新型人才[1]。2003年至今，巴黎高等物理化學學院均位列上海交通大學“世界大學學術排名”(ARWU)中，處于法國理工科院校中的領先地位。在法國工程師學校中，巴黎高等物理化學學院畢業(yè)生因其理論基礎扎實和創(chuàng)新實踐能力強等特色很受工作單位歡迎，其平均收入也名列前茅。

我國教育部的《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》中指出，人才是我國經濟社會發(fā)展的第一資源，高層次人才、高技能人才隊伍建設是我國人才強國戰(zhàn)略的重要內容之一，逐步實現由人力資源大國向人才強國的轉變[2]。許多綜合性大學對于理工結合和學科交叉，在學生培養(yǎng)方式和學科建設等方面進行了很多探索與實踐，在培養(yǎng)基礎型和應用型人才方面取得了很多成果，相關問題的研究一直深受關注[3-6]。

2017年6月發(fā)布的《教育部辦公廳關于推薦新工科研究與時間項目的通知》中指出，新興產業(yè)和新經濟的發(fā)展需要兼具理工科基礎的復合型、綜合型創(chuàng)新人才[7，8]。在新工科建設的人才培養(yǎng)模式的探索與改革中，高校需要突破原來的學科界限與產業(yè)劃分，建設多學科交叉復合的新興工科專業(yè)和理科衍生的新興工科專業(yè)，探索多學科交叉融合的工程人才培養(yǎng)模式。研究和借鑒巴黎高等物理化學學院等學校的精英人才培養(yǎng)模式的成功經驗，對探索我國跨學科、創(chuàng)新性的新工科人才培養(yǎng)模式的改革將帶來啟示。

1 發(fā)展歷程

1870年，法國在與普魯士的戰(zhàn)爭中失利，法國政府深感本國的工業(yè)技術落后于德國，因此推進工程教育，重視發(fā)展工業(yè)技術。巴黎高等物理化學學院由巴黎市政府創(chuàng)立于1882年，位于巴黎第五區(qū)(拉丁區(qū))，起初是一所為培訓工業(yè)生產管理人員而建立的市立學校，設置物理和化學兩個專業(yè)，而后增加了生物學專業(yè)。巴黎高等物理化學學院是法國頂尖的培養(yǎng)精英人才的巴黎卓越工程師學院集團的12個創(chuàng)辦者之一。

法國政府在1984年以法律的形式定義了高等教育的使命和性質，高等教育的機構為具有科學的、文化的，及職業(yè)性質的公立機構[9]。法國高等教育主要由綜合大學和大學校兩大部分構成。其中，大學校又稱高等專業(yè)學校，分為高等商學校、工程師學校和專業(yè)學校3大類，其培養(yǎng)目標主要是“高、精、尖”的小規(guī)模高端專業(yè)人才[10]。巴黎高等物理化學學院屬于培養(yǎng)精英工程師人才的大學校之一。

巴黎高等物理化學學院的學生教育順應社會對高等教育改革和發(fā)展的需要,重視師資隊伍建設,鼓勵教學科研相結合，根據新學科的創(chuàng)立和發(fā)展,不斷建設和調整研究機構設置。巴黎高等物理化學學院擁有朗之萬研究所等9個研究機構，包括17個教學科研相結合的實驗室,學院科研成果豐碩。學院培養(yǎng)學生的研究方向與現代科學前沿和工程領域相結合，包括：未來汽車設計、石化燃料替代能源、節(jié)能技術和受工農業(yè)生產污染的水與土壤治理等。

2 傳承優(yōu)秀文化 培養(yǎng)大師精神

在過去的一個多世紀中，巴黎高等物理化學學院擁有許多著名的科學家和引領科學創(chuàng)新的工作者，曾有6人次獲得諾貝爾獎：1903年，彼埃爾和瑪麗·居里夫婦(Pierre and Marie Curie)因對放射性物質的研究獲得諾貝爾物理學獎；1911年，瑪麗·居里因對鐳元素分離技術的研究獲得諾貝爾化學獎；1935年，畢業(yè)于巴黎高等物理化學學院的弗里德里克·約里奧-居里(Frédéric Joliot-Curie)因對人工放射性物質的研究，與妻子——居里夫婦的長女伊倫·約里奧-居里(Irène Joliot-Curie)一起獲得了諾貝爾化學獎；1991年，皮埃爾-吉勒·德熱納(Pierre-Gilles de Gennes)因對液晶和軟物質的研究獲得諾貝爾物理學獎；1992年，喬治·夏帕克(Georges Charpak)因對粒子探測器的研究獲得諾貝爾物理學獎。

著名物理學家、聲納技術的發(fā)明者——保羅·朗之萬(Paul Langevin)于1925年至1946年期間在學院任教，并曾任該學院院長。1931年，朗之萬教授曾作為國際聯盟派出的專家之一來華考察，并為中國物理學會的成立工作做出貢獻。我國著名物理學家、國防水聲研究的奠基人汪德昭院士曾師從朗之萬獲得巴黎大學的博士學位，并在位于巴黎高等物理化學學院的朗之萬實驗室學習和工作多年。目前，ESPCI有Fink教授與Prost教授兩名法蘭西科學院院士，Lewiner教授為法國技術院院士，在應用物理與應用化學等領域在國際上享有很高的學術聲望。

巴黎高等物理化學學院注重優(yōu)秀文化傳承，潛移默化地將其融入在學生培養(yǎng)中，讓學院在科學研究和工業(yè)技術創(chuàng)新領域一如既往地充滿活力。當年居里夫婦提煉鐳的實驗室雖然已經不復存在，但在校園中的這個位置上建了一個小紀念碑，圖文并茂地介紹了1898年10月放射性實驗室的情況(圖1)。

圖1 巴黎高等物理化學學院校園中居里夫婦實驗室原址的紀念碑

在校史館中，系統(tǒng)性地介紹和展示著學院科學家們的生平事跡，并陳列著一百余年來的具有里程碑意義的研究成果，包括：居里便攜式放射性測量儀、居里-謝納沃天平、費里石英棱鏡光譜儀、第一臺飛行記錄儀(黑匣子)和朗之萬設計的第一臺聲納等。校史館中的許多實驗裝置保存完好，至今仍可以重現經典的實驗過程，并演示實驗現象。例如，用于測量地表放射性的設備——居里便攜式放射性測量儀，屬于居里夫婦發(fā)現放射性的實驗系統(tǒng)。將放射性物質放置于底部可以打開的樣品盒中，其發(fā)出的射線能夠使空氣電離，通過實驗裝置可以測量離子化的程度。首先用一塊摩擦帶電的絕緣材料產生一定量的初始化電荷，讓懸垂與裝置中的固定位置鋁片和可彎曲的鋁膜帶上同種電荷，可以觀察到由于斥力的作用鋁膜會偏離鋁片。然后，放入放射性物質，通過顯微鏡觀察鋁膜的偏離程度，從而分析物質放射性。

3 工程師與碩士階段的課程設置

3.1 課程設置

巴黎高等物理化學學院的課程設置具有理工結合和學科交叉的特點，學生入學后不分專業(yè)，其中第一至第二學年為跨學科課程學習，通過共同的核心課程學習讓學生在物理、化學、生物學、數學、經濟學、計算機科學和語言方面打下扎實的基礎。

第一和第二學年各類別課程如表1所示，課程共分為：物理、化學、物理化學、生物學、數學與數值分析、學生分組研究項目和外語等其他課程，總共有約40門課程，均為必修課。

表1 第一和第二學年中學生各類別課程列表

續(xù)表

圖2 第一和第二學年各類別課程的課時數比較

第一和第二學年各類別課程的學時分布情況如圖2所示，總學時為1838小時，其中理論課與討論課(包括答疑課)學時為984小時，實驗課學時為854小時。在圖2中，從學時分布情況顯而易見學院對實驗課程教學的重視，其課時占總教學學時的近一半。其中，光學實驗課程共52課時(5學分)，而相應的光學理論課程為40學時(4學分)；無機化學實驗課程共40課時(4學分)，相應的理論課為32學時(3學分)。學分和學時的計劃契合了學院倡導的理論與實驗相結合的教學理念，注重培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

通過跨學科培養(yǎng)，學生可以掌握不同專業(yè)的基礎知識，了解多個領域的研究前沿，為將來從事交叉學科的科研工作打下基礎，并拓寬了學生將來的就業(yè)領域。

在第三年中，學生將從物理、化學、物理化學和生物技術中選擇一個專業(yè)方向，進行工業(yè)實習和科研項目實習，包括3個環(huán)節(jié)：

(1) 在企業(yè)實習4至6個月

學院要求學生在企業(yè)的研發(fā)部門和技術部門中實習，實際參與相關的技術研發(fā)工作。在實習前，學院會向法國的大企業(yè)和研究機構推薦學生，并與之建立了長期的合作。由于學生的社會經驗有限，為幫助他們找到適合的實習崗位，學院設有專門的教師幫助和引導學生尋找實習工作機會等。

企業(yè)實習的經歷一方面有助于提高學生的知識水平和實踐能力，另一方面也為將來就業(yè)積累經驗并打下基礎。學生在基本獨立的情況下自主尋找企業(yè)實習，其過程與實際求職相似，這有助學生為今后的求職積累實際經驗。在企業(yè)的實習期間，學生可獲得企業(yè)支付的每個月約1000歐元報酬。

(2) 核心課程和專業(yè)課程學習4個月

第三學年的核心課程和物理方向專業(yè)課程及課時如表2所示。學生已經分為4個不同的專業(yè)，核心課程是相同的，但是不同專業(yè)方向的學生將學習相關課程，包括專業(yè)必修課程和選修課程，為后續(xù)進入科研課題組開展研究工作打好基礎。

(3) 校內科研項目研究2至3個月

學生在校內的科研項目研究在教授指導下進行，具體內容為在科研實驗室中開展課題研究。在科研實習和企業(yè)實習兩個環(huán)節(jié)中，均要求學生撰寫實習報告，但并沒有要求學生正式發(fā)表論文。

完成前3年學習的學生將獲得工程師文憑。學生在第四年可以有很多選擇，包括在本校研究生院學習，也可以在法國或國外的其他學校學習，并獲得碩士學位或雙學位文憑。

表2 第三學年的核心課程和物理方向專業(yè)課程及其課時

(4) 國際化與英語能力要求

作為以法語為主要授課與學習語言的精英教育，學校對于學生的英語交流能力以及國際化也有專門的要求。除了提供去英語國家(英國、美國)的實習機會之外，對于全體學生都有英語能力的要求。例如，學生除英語課程的學習之外，還都必須通過國家統(tǒng)一的公共英語能力測試和雅思考試。

3.2 授課形式與考核辦法

巴黎高等物理化學學院的授課形式包括理論課、討論課、答疑課、實驗課和分組研究項目課程(Group scientific projects，PSE)。由于班級規(guī)模小，每個學生均可從個性化的學術指導中獲益。學院還為學生工程師提供額外的課程和輔導，包括：個別輔導和共同輔導等類型。

理論課程的授課方式為傳統(tǒng)的課堂教學形式，由一位教授面對數十名學生講授課程。理論課上教師參照教科書或自編講義授課，并布置課后作業(yè)習題或課程報告。討論課中，學生分為多個小組，針對一個具體問題開展分析研究，并分工合作撰寫書面報告。討論課上的表現也作為學生理論課成績的一部分記錄。答疑課通常為每周一次，學生自己與教師或助教預約聯系。

理論課程的分段筆試很有特色，考試分成兩個階段進行，要求學生獨立完成試卷：第一個階段時長約為45分鐘，學生在卷面上答題，屬于完全閉卷的方式，試題主要為涉及主要概念的問答題和少量計算題；第二階段時長約為1.5至2小時，為半開卷方式，題目類型主要為計算題，學生答題時可以翻看課本、講義或筆記，但是不允許上網查找答案。課程滿分為20分，通常第一部分試卷為8分，第二部分為12分。學生如果獲得10分以上則為本門課程考試通過，如果能得到15分以上則為優(yōu)秀。

實驗課程中，實驗教學計劃按照分組循環(huán)方式安排，每一到兩位學生使用一套實驗裝置。所用的實驗講義均由指導教師編寫，實驗項目和教學內容與指導教師的科研相關，部分實驗項目由指導教師的科研課題轉化而來，如光學實驗課程中的“數字全息實驗”；也有一部分實驗項目和實驗裝置是指導教師專門為實驗教學的需要設計和制作，如流體力學實驗中的一些項目。以光學實驗為例，課程總共分4個部分，每部分有3個實驗，學生在每個部分各選一個實驗項目。實驗課上一或兩個學生一組，共同完成實驗并分別撰寫實驗報告。光學實驗課程的評分依據為實驗過程表現、實驗報告質量和期末的一次口頭報告，評定學生成績時這3部分占同等比重。

學生分組研究項目是一門為第一年和第二年的學生開設的科研先導課程。每2至3名學生為一組，每周約有半天時間在實驗室中開展課題研究，研究過程中可獲得教師和博士生進行實驗指導，并完成研究報告。

學院對學生的成績要求為：學生每學年的理論課程和實驗課程總平均成績應在12分以上，單科成績不能低于7分，才可以進入下一個學年繼續(xù)學習，否則將面臨留級。

4 教學特點與精英人才培養(yǎng)

(1) 嚴格招生選拔，吸引精英人才

每年巴黎高等物理化學學院與巴黎綜合理工一同公開招生，報考的學生人數約為2000人，而學院招生人數近年來由80名增加至90名，其中包括數位來自中國等地的留學生。顯而易見，入學考試很嚴格，包括筆試和面試兩個環(huán)節(jié)，競爭非常激烈。在高中畢業(yè)至參加入學考試以前，報考的學生已經完成了兩年大學預科階段的學習，其間學過了如國內高校開設的高等數學和大學物理等理工科專業(yè)本科生的基礎課程，相關科目也包括在入學考試范圍之內。多年來,巴黎高等物理化學學院保留著嚴格的選拔程序,從而保證了生源高質量，使其具備典型的精英人才特點，并適用小規(guī)模、高素質和個性化的培養(yǎng)模式。

(2) 課程設置理工融合，培養(yǎng)跨學科人才

通過營造多學科交叉融合的人才培養(yǎng)模式和氛圍，才能更好地培養(yǎng)具備扎實的理論基礎，及從事科學研究的實踐能力，又善于解決工程實際問題的創(chuàng)新型人才[11]。巴黎高等物理化學學院力求打破物理、化學和生物學之間壁壘，將基礎研究和工業(yè)應用相結合，綜合培養(yǎng)學生的學術水平和科研能力。學生學習的課程涉及廣泛的前沿科學及工業(yè)應用的前瞻性研究，包括：聚合物、納米生物物理、電信、有機合成、環(huán)境科學、生物醫(yī)學成像、神經生物學、微流體、軟物質和量子物理學等。在學習科學課程的同時，學院也開設管理學和法學等課程，提高學生專業(yè)素質的同時也注重培養(yǎng)學生的管理能力和文化素養(yǎng)。這樣的綜合性學科培養(yǎng)體系可以豐富和深化學生的學科背景，讓不同學科的知識可以優(yōu)化融合，提高學生綜合素質，從而滿足社會對人才綜合性素質的要求。

畢業(yè)生獲得法國政府認證的工程師文憑和碩士學位，每一屆學生中約60%的學生將繼續(xù)深造研讀博士學位，其余畢業(yè)生前往公司和研究機構等從事技術工作，其就業(yè)領域非常寬，包括：能源、化工、電力電子、制藥工業(yè)、工程設計和公共部門等。

(3) 推行模塊化科學研究教學，提高學生科研能力

在諾貝爾獎得主吉尼斯教授的倡導下，巴黎高等物理化學學院通過模塊化教學開展學生研究組項目。學生們在跨度為一年時間內加入科研課題組，在教授的指導下鉆研他們選擇的科研挑戰(zhàn)項目，在實驗室中體驗研究的樂趣和挑戰(zhàn)，讓所學的理論知識和實驗方法融會貫通，為將來的科研工作打好基礎。

(4) 注重理論與實踐相結合，培養(yǎng)工程師人才

物理實驗在實驗思想、實驗方法以及實驗手段等方面是各學科科學實驗的基礎，體現了科學實驗的共性[4]。巴黎高等物理化學學院的學生們通過在實驗室的情景中學習，積累實踐經驗，加深理解，掌握實驗設計和操作技能。例如從光譜色譜和激光光學熟悉完整的光譜實驗技術，在系列實驗過程中需要從了解原理和設計并搭建實驗光路開始，而不僅僅是測量實驗數據結果。在研究型實驗教學的過程中，學生對科學研究的思維方式和研究方法加以學習和運用，認識和發(fā)現“已知與未知” 的內容，深入思考知識的關聯性，理解其在建構科學知識體系時發(fā)揮的作用，這樣的探索和學習的過程與科學家的科學研究過程非常相似。

5 精英人才培養(yǎng)模式的特點與啟示

巴黎高等物理化學學院秉承培養(yǎng)創(chuàng)新型精英人才的理念，在課程設置的各個環(huán)節(jié)都有其匠心獨運的培養(yǎng)方式，堅持小規(guī)模辦學和高質量人才培養(yǎng)的特點，在保持傳統(tǒng)精華和科學精神的同時，不斷豐富和完善符合時代和社會對高端專業(yè)人才的需求。通過物理、化學和生物學跨學科培養(yǎng)，在基礎理論學習與應用技術學習之間達到平衡和增強，引導學生系統(tǒng)性地學習各學科，拓展學生的知識領域，為培養(yǎng)跨學科研究人才打下基礎。

通過研究國際工程教育經驗，合理有效地借鑒巴黎高等物理化學學院等國外著名高校研究型精英人才的優(yōu)質教育模式、人才培養(yǎng)體系、先進教育理念、有特色的課程體系、評價體系和教學方法，研究法國工程人才認證體系，總結國際工程教育發(fā)展的規(guī)律，將為我國工程教育改革提出創(chuàng)新的理念和思路，為培養(yǎng)符合社會發(fā)展需求的跨學科、創(chuàng)新型和高層次的新工科專業(yè)人才服務。

致謝： 感謝巴黎高等物理化學學院國際關系部主任Bénédicte Ravier女士提供的關于學生培養(yǎng)和課程教學相關信息，以及參加巴黎高等物理化學學院與同濟大學雙學位項目的范才富和鈕婷婷兩位同學提供的幫助。

[1] 法國巴黎高等物理化學學院.教學計劃[EB/OL]. [2017-09-20]. https://www.espci.fr/en/educational-programs.

[2] 中華人民共和國教育部. 國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年). [EB/OL]. (2010-06-06). http://www.gov.cn/jrzg/2010-06/06/content_1621777.htm.

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[7] 中華人民共和國教育部. 教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知.[EB/OL]. (2017-06-16). http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7056/201707/t20170703_308464.html.

[8] 王青. 近代物理和高新技術物理與“新工科建設”——《物理與工程》“新工科建設”欄目開篇語[J]. 物理與工程, 2017, 27(6): 1.

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[11] 教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會物理基礎課程教學指導分委員會. 理工科類大學物理實驗課程教學基本要求(2010版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010.