“課程群”組織體系: 對物理學基礎課程教學體系的思考

羅洪剛 王建波 劉玉孝

(蘭州大學物理科學與技術學院，甘肅 蘭州 730000)

物理學在自然科學中的基礎地位毋庸質疑。物理學不但能夠促進科學技術的高速發展，還對材料、化學、生物、計算機等學科有重要的推動作用。具備物理學教育背景的科學家獲得非物理學諾貝爾獎的例子比比皆是，這里舉幾個例子。1998年的諾貝爾化學獎頒給了W. Kohn和J. A. Pople，以表彰他們在量子化學方面所做的開創性貢獻，而W. Kohn是密度泛函理論的創始人之一，是知名的理論物理學家，更有趣的是，J.A.Pople是數學家出身，其獲獎工作是基于量子理論和密度泛函理論設計計算機程序，發展量子化學的計算方法[1]。2017年的諾貝爾化學獎頒給了J.Dubochet、J.Frank和R. Henderson, 以表彰他們發展冷凍電鏡技術并對溶液中生物分子結構的高分辨解析所做的貢獻[2],而J. Dubochet和 J. Frank均為物理學家，R.Henderson是生物物理學家，他們均具備物理學的教育背景。1969年的諾貝爾生理或醫學獎甚至頒給了物理學家M. Delbrück[3]。有人經統計獲得如下數據，自20世紀中葉以來，在諾貝爾化學獎、生物學及醫學獎，甚至經濟學獎的獲獎者中，有一半以上的人具有物理學的背景；反過來，卻從未發現有非物理專業出身的科學家問鼎諾貝爾物理學獎的事例[4]。這充分說明了物理思想和方法在非物理領域里同樣能夠獲得成功。鑒于物理學的重要性以及對其他學科的支撐作用，第23屆國際純粹物理與應用物理聯合會(IUPAP)代表大會通過了題為“物理學對社會的重要性”的決議(決議五)，并指出：“物理學——研究物質、能量和它們相互作用的學科——是一項國際事業，它對人類未來的進步起著關鍵的作用。對物理教育的支持和研究，對所有國家都是重要的。”[5]所以，高水平的物理學教學，特別是高質量的大學物理學教學對培養科學技術人才至關重要。

我國物理學的早期教學，甚至包括整個國家早期的高等教育，在很大程度上還有蘇聯高等教育的烙印，在教材結構、教學內容和風格、教育教學方法等方面均滯后于物理科學的快速發展。推動物理學教學的變革，最早也是至目前最大的變革來自于20世紀70年代末，是由諾貝爾物理學獎獲得者，著名美籍華裔物理學家李政道先生倡導的“中美聯合招考物理研究生項目”(CUSPEA)的實施。該項目的實施暴露出中國大學物理教育教學存在的許多問題，例如，在方式方法上，過多重視教學推演，而忽視對物理問題的思考；在教學內容上，聯系物理前沿發展較少；在教學理念上，過多重視理論教學而忽視實驗教學等[6]。基于這些突出的問題，我國老一輩物理學教育教學工作者對教材內容、教學方法和教學理念的變革做出了巨大貢獻。中國科學技術大學組建了“科大物理輔導班”，他們改革教材內容，改變教學方法，取得了突出成績。蘭州大學物理教學歷來受到重視，錢伯初教授牽頭成立CUSPEA輔導班，收集各種最新資料，為學生專門輔導。在首屆CUSPEA考試中，蘭州大學物理系學生胡青的物理科目考試總分位列全國第一，成為佳話。這些先進的做法，不但提高了教學水平，還催生了一系列物理學新教材的出現，例如，中國科學技術大學尹鴻鈞教授主編的《高等物理精編》，蘭州大學錢伯初教授編寫的《量子力學》，北京大學趙凱華教授編寫的《新概念物理教程》等，這些教材沿用至今，廣受歡迎。

盡管如此，物理學教育教學仍然面臨巨大的挑戰，原因如下。第一，進入21世紀，物理科學的發展今非昔比。一方面，物理學本身在許多方向取得重大突破，如新實驗新技術新方法不斷催生新物理新現象層出不窮的出現，反過來又推動實驗技術和方法的不斷發展。這些新物理、新現象、新技術、新方法亟需被引進到大學物理教育教學中來。另一方面，學科的交叉融合進一步得到提升，新的學科方向不斷涌現，先前的學科門類的劃分越來越滯后于這些學科方向的發展。第二，2015年國家公布了建設世界一流大學和一流學科的總體方案[7]，這是中國從高等教育大國向高等教育強國轉變所采取的重大舉措。一方面，國家社會經濟的發展對人才的需求越來越急迫，國家倡導的創新創業、“一帶一路”建設、新工科建設等亟需大量的高素質理工科人才。另一方面，體現國家創新能力的原創性工作仍然缺乏，著名的“錢學森之問”對我國培養高水平人才提出了重大挑戰。這些都是我國高等教育目前面臨的重大問題，物理學的教育教學也不例外。

在提高人才培養質量方面，我國從沒有停止過探索的步伐。從1991年起，原國家教委有計劃、有步驟地分五批建立了106個國家理科基礎科學研究和教學人才培養基地(簡稱“理科基地”)，目的在于保護和加強基礎學科建設，持續穩定地為國家培養德智體美勞全面發展的、優秀的基礎科學研究和教學人才，為相關學科輸送高質量研究生生源[8]。2009年開始實施的“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”(簡稱“珠峰計劃”)，是國家為回應“錢學森之問”而推出的一項拔尖人才培養計劃，旨在培養中國自己的學術大師。筆者也于2017年10月20～22日參加了在武漢大學召開的2017年“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”物理學科研討會，會議研討、交流了各個高校物理學科拔尖人才培養的進展和做法。其中，北京大學的研討班形式，復旦大學和上海交通大學實施的“榮譽課程”以及南京大學實施的“三三制”等令人印象深刻，這些都對培養拔尖學生的教育教學做了有益的探索。在清華大學物理系調研過程中了解到的“2+2”教學模式及所取得的成效也令人敬佩。總結這些經驗，對蘭州大學物理學科的教育教學改革具有重要的指導意義。

蘭州大學物理學科始建于1946年，學科建設中涌現出一大批在教學一線兢兢業業工作一輩子的優秀教師，如段一士教授、錢伯初教授、汪志誠教授等，形成了“言簡意賅，珠聯璧合，集納新說，返璞歸真”的教學之道和“去其糟粕，取其精華，去偽存真，止于至善”的治學之道，在教學理念、教材內容、教學方式等方面不斷探索創新，形成了優良的傳統。但是，在新的歷史時期，國家對人才的需求和人才培養的理念發生了明顯的變化，主要體現在以下兩個方面：(1)伴隨新的學科的出現以及新的工業需求，國家對人才的需求越來越多樣化；(2)學生的個性化以及多樣化越來越明顯。調查研究表明[9]，只有10%的物理學本科畢業生會繼續在高等院校從事物理學的研究工作，而絕大部分學生都會進入社會的各種崗位工作。這就帶來一個問題，這些崗位是不是一定需要特別高深的數學和物理方面的專業訓練？顯然不是。但是，這并不是說學習物理學就沒有必要，相反，物理學科本身的特點，特別是物理學從復雜現象中抽取簡單物理規律的思想，在訓練學生的科學素質方面具有特別重要的指導意義。因此，根據學生的具體情況和興趣，結合國家對各類人才的需求，采取分類培養的方式勢在必行。

如何分類培養？首先需要對課程體系進行梳理。由于社會的進步和科學的發展，一些講授了幾十年的教學內容應該調整更新。在此過程中，由于學科的交叉融合，既需要橫向考慮課程知識的完整性，也需要縱向考慮課程之間的連貫性和繼承性，不能把每一門課程孤立起來。對于有興趣從事教學科研工作的學生，應該打下非常扎實的數學和物理基礎，而對于應用研究或從事交叉學科工作有興趣的學生，應該在學習基本的數學和物理知識和方法后，在實用技能方面進行進一步的訓練，以利于學術以外工作的開展，而其所接受的基本物理和數學的訓練，是進行創新性工作的源泉。因此，考生以大類招生方式入學，進行必要的基礎課程學習后，可根據自己的基礎課程學習成績、方向興趣、職業規劃等進行專業方向的選擇，既可以進一步在基礎課程方面深入學習，也可以選擇專業課程學習，從而達到分類培養的目的。基于這些考慮，我們結合實際，提出物理學“課程群”建設體系。

“課程群”的概念，是以物理學基礎課程的特點和課程的繼承性為基礎劃分為群，每個群都構成物理學大廈的支柱。為方便教育教學，每個群可以配備一個教學團隊，通過充分地溝通交流，結合教學實際，將每個課程群的內容按基礎性及重要性的不同劃分為不同難度及深度，涵蓋從最基本的普通物理到最前沿的學科發展。學生可通過不同課程群內課程的選擇及就業意向課程的選擇，實現學生分類培養的要求，解決以前教學體系中教師單打獨斗、學生課程無法分類選擇、培養目標單一的問題，完全按照以人為本的思路、圍繞學生為中心，建立完整系統的教學體系。“課程群”體系的設想，目的是通過“課程群”的建立，形成學科高水平教學團隊，并實現學生的高水平分類培養，達到一流大學一流人才培養的目標。

“課程群”體系的構建，可遵從以下原則和思路：(1)大類招生、分類培養；(2)普及基礎、按需選課；(3)出口分流、標準多樣；(4)體系連貫、結合前沿。根據這些思路及原則，物理學“課程群”體系如圖1所示。

“課程群”體系的基本要素如下。

(1) 縱向上：本科、碩士、博士、博士后及青年學者課程納入統一框架，有利于本碩博貫通培養。課程內容按照本科畢業水平、碩士入學水平、碩士畢業水平、博士入學水平、博士畢業水平、博士后及青年學者水平等六個等級劃分課程內容及難度。每個學生需要根據自己的規劃選擇不同等級水平的課程，從而達到不同學生分類培養的目標。

(2) 橫向上：物理學基礎課程劃分不同課程群：數學物理基礎、力學基礎、熱學基礎、電磁學基礎、光學基礎、量子基礎、計算物理基礎等7個課程群。每個群有不同的等級，可以適應不同學生的需求。學生在課程學習過程中，自然而然發現自己的特色優勢和劣勢，進一步根據自己的興趣愛好選擇不同的就業出口，從而達到分類培養的目的。而在每個課程群體系內，不同教師選擇不同等級的講授內容，不僅可以適應學生和社會的客觀需要，還自然而然地構成了一個具有相同教學目標的學科群團隊，團隊內交流更方便直接，且能集思廣益，有力保障了整體教學水平的提高。課程群的建設在各個課程群負責人的組織管理下，可以更好更及時地更新教學內容，編寫講義。因此，課程群的建設，不僅可以達到不同學生分類培養的目的，還可以穩步提高總體的教學質量，實現雙一流大學建設人才培養核心的目標。

根據物理學“課程群”設想，每個群涵蓋課程內容大致可列舉如下。

圖1 物理學“課程群”構建示意圖

數學物理基礎Ⅰ-Ⅵ, 涵蓋：高等數學、線性代數、概率論及統計、數學物理方法、群論、微分幾何、拓撲學等；

力學基礎Ⅰ-Ⅵ，涵蓋：力學、理論力學、流體力學、狹義相對論、廣義相對論、宇宙學等；

熱學基礎Ⅰ-Ⅵ，涵蓋：熱學、熱力學、經典統計、量子熱力學、量子統計、高等統計物理、凝聚態物理等；

電磁學基礎Ⅰ-Ⅵ，涵蓋：電磁學、電動力學、經典場論、規范場論、粒子物理等；

光學基礎Ⅰ-Ⅵ，涵蓋：光學、幾何光學、非線性光學、高等光學、量子光學等；

量子基礎Ⅰ-Ⅵ，涵蓋：原子物理、量子力學、高等量子力學、量子信息、量子場論、量子混沌、量子多體理論等；

計算物理基礎Ⅰ-Ⅵ，涵蓋：計算機基礎知識、計算機語言、計算物理、數值方法、人工智能、大數據等。

在以上課程方面，我們暫未考慮固體物理及其對應的系列課程如固體理論、凝聚態物理等。事實上，固體材料及凝聚態物質給所有基礎物理研究提供了很好的平臺，因此可以單獨設置一個“課程群”。基礎課程的學習，可根據學生的興趣和就業方向靈活選擇不同的深度和難度等級，以滿足今后的職業規劃和素質培養目標，從而達到適應不同方向需求的要求。選擇每個課程群Ⅰ和Ⅱ等基本層次的學生建議以應用為導向，增加更多的實踐類課程，使其成為從事社會實踐工作的高端人才；希望進一步從事教學科研工作的學生，則需要在課程群體系中選擇高層次的Ⅲ和Ⅳ類課程，以獲得更堅實的學術科研能力。在這個體系中，教師不僅可以提出更高的要求，也可以進一步提供學科前沿內容，以實現真正意義上的基礎面向前沿，應用面向國家重大需求。

對以教學科研為主的基礎類人才培養，本課程群還將本科課程、研究生課程甚至科學前沿講座納入同一框架體系，學生可根據自身情況靈活選課，達到提高人才培養水平的要求。此外，作為該體系的出口方向，還可設置電子類、工程類、管理類、新工科等面向應用或其他交叉學科課程。選擇這些出口的學生，主要以就業為目的，不僅學習了物理學基礎課程的思想和方法，還可以根據自己的興趣選擇和社會實際需求選擇進一步發展的方向，開拓物理思想和方法的應用。這些課程可以自行開設，或者請相關兄弟院系教師來上課，也可以選擇部分慕課課程。這樣有助于這部分同學成為基礎較為扎實、物理思路清楚、學科交叉更為集中的適合社會需求的高層次人才，滿足社會對知識儲備更加全面的特殊人才的要求。

總之，“課程群”的教學改革方案，從學生來講可以因人而異分類培養，從教師來講可以團隊協作提高教學質量，從學院來講可以實現人才整體素質和質量的提高，有助于實現蘭州大學雙一流建設對一流人才培養的要求。

致謝：作者感謝陸昉、楊孔慶、張漢壯、王青的有益討論和交流，感謝蘭州大學物理科學與技術學院同事的有益評論和幫助。