跨學科X-物理人才培養體系的構建及實踐

屈世顯?高健智?李貴安

摘 要：本文基于當代物理學特征及對物理人才需求的現狀，提出了“X-物理學”概念，建立了物理學與自然科學其他分支、技術科學及社會科學等多學科交叉融合的跨學科X-物理人才培養新體系，以及由傳統基礎課程、交叉科學概論、物理學核心課程、物理學專門化和交叉學科專門化課程構成的課程體系，構建了“課堂教學+討論課”、雙語課和全英文課等混合教學模式。

關鍵詞：人才培養模式;教學改革;X-物理學;跨學科復合型人才

1998年美國卡內基教學促進會在其發布的《重塑本科教育：美國研究型大學發展藍圖》中提出了整合教育的概念，呼吁重塑大學的教學模式和教育環境，并且提出了改變本科教育的十種有效方法[1，2]。該報告引起了美國研究型大學的高度關注，對美國本科教育改革產生了深遠影響，哈佛大學、斯坦福大學、麻省理工學院等100多所研究型大學紛紛回歸本科教育， 積極啟動本科教學改革[3]。2016年英國政府也發布了《高等教育白皮書》，強調圍繞以學生為中心提升教學質量，確保每一個學生都能得到良好的教學體驗，且鼓勵學生的原創思維，鼓勵學科交叉[4]。伴隨著國際高等教育改革浪潮，我國高等教育也進入了新一輪質量提升時代。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》要求高校著力培養信念執著、品德優良、知識豐富、本領過硬、高素質、復合型的專門人才和拔尖創新人才，促進文理交融、多學科交叉和融合。2018年全國本科教育工作會議開啟了高水平人才培養體系建設的新征程。這一輪高等教育改革伴隨著教育觀念和教學方式的轉變[5-8]，著力強調學生自主學習能力、跨學科能力的培養，并強調人才的整合培養。

物理學科是最重要的基礎科學，不但構成了科學的最重要基礎，也是技術創新和新技術革命的重要推動力。物理學人才的培養，特別是具有物理背景的應用人才培養顯得尤為重要。然而，傳統物理學人才培養體系主要是以培養專門從事物理研究的人才為目的。為了更好地適應新世紀社會經濟發展對人才的需求，我們必須解放思想、銳意創新，積極開展人才培養模式的創新與變革。

一、跨學科X-物理人才概念的提出

為了積極應對我國經濟社會發展對高質量創新性物理學人才的需求，實現人才培養觀念的轉變，我們提出了X-物理人才的概念。這一概念的提出主要基于以下幾個方面：

一是當代物理學的特征以及對于人才培養的新需求。物理學是研究物質結構、物質相互作用和運動之普遍規律的科學，經歷了由經典物理到現代物理的轉變，其研究范疇橫跨微觀尺度的夸克到宇觀尺度的星系，已經形成了一個龐大的完整理論體系。物理學的概念、理論和方法已經滲透到各個學科領域。純粹的尖端物理學研究僅需要極富天賦的頂尖人才，而對于一般物理人才的需求并不十分緊迫。物理學科的多數畢業生并沒有進入純粹的物理學研究領域，而是進入與物理學相關的其他領域，甚至毫無關系的領域，許多人都沒有取得和其深厚的物理學和數學基礎相匹配的成就。這無疑是人才的巨大浪費！另一方面，少數具有廣泛適應能力、善于自覺地將物理學應用于所從事專業的人才卻獲得了巨大成功。有統計顯示，20世紀中葉以來，在諾貝爾化學獎、生物及醫學獎，甚至經濟學獎的獲獎者中，有一半以上的人具有物理學背景。仔細分析這些在非物理領域中獲得成功的物理專業人才，他（她）們大多具備深厚的數理基礎、廣泛的科學興趣、很強的適應能力、很高的科學素養、很強的創新能力。這一方面佐證了物理學的重要性，另一方面顯示了多學科交叉研究的重要性。因此，就有一個非常樸素的問題：為何不在大學和研究生階段培養跨學科復合型人才？

二是當今自然科學研究、技術科學和社會科學發展的新特征。從整個科學構架上講，數學是一切科學的工具和語言，屬于純粹的上游科學。物理學則是自然科學的重要基礎，有力地推動了自然科學的發展。自1686年牛頓的《自然哲學的數學原理》出版以來，物理學與數學就緊密地聯系在一起。物理學與數學的交叉可以說是學科交叉的鼻祖。數學為物理學提供了定量化的工具，更重要的是提供了公理化的范式。反過來，物理學常常為數學提出新的課題，甚至新的概念。物理學和化學的交叉堪稱學科交叉融合的典范。物理學和化學在認識物質結構層次上，沒有明顯的界限。物理化學、化學物理、量子化學是典型的交叉學科。物理學與生物學的相互促進由來已久：電學（1785年）和電生理學（1791年）幾乎同時誕生;生物學為物理學啟示過能量守恒，而物理學為生物學提供過大量工具，物理學不斷地為生物學提供新思想，例如負熵、非周期晶體、熱漲落、三聯碼、生物中的“標度”和“分形”等。物理學與生物學的交叉可以用一個名詞“生物物理”來概括。

物理學是科學技術進步的動力，其在工程技術領域的滲透和應用有力地推動了人類進步。力學和熱力學的發展推動了第一次工業革命（17世紀），電磁學和電動力學的發展推動了第二次工業革命（19世紀）。進入20世紀以后，物理學更是推動了新一輪技術革命和社會的快速進步，例如原子能的利用、電子計算機技術、激光技術、半導體技術、航空航天技術、納米技術的出現等。如果用一個名詞來概括物理學與技術科學的交叉形成的學科，就是“技術物理”或“工程物理”。

在過去的幾十年中，物理學的概念、理論和研究方法已經延伸到社會科學領域，像耗散結構理論、協同學、非線性動力學等物理學理論已經在經濟學領域獲得了巨大成功。最近，一些新的交叉學科已經形成，例如經濟物理、社會物理。

科學技術和經濟社會變革的不斷加速，對物理學與其他學科的交叉提出了強烈的需求。近現代科技發展史表明，社會需要與科學內在邏輯的交叉點以及不同學科的交叉點便是科學突破的生長點。錢學森指出，交叉科學是指自然科學和社會科學在相互交叉地帶生長出來的一系列新生學科。當今科學研究、技術科學和社會科學發展的顯著特征就是多學科交叉滲透，而物理學在學科交叉中起到了舉足輕重的作用。如果用一個統一的公式（名詞）表示與物理學交叉形成的學科，那就是“X-物理學”。

三是學校轉型期的新要求。進入21世紀以來，陜西師范大學提出了“建立以教師教育為主要特色的綜合性研究型大學”的戰略目標，一方面要求加強師范教育，彰顯師范特色，另一方面要大力發展非師范教育。非師范專業人才培養體系的建立、發展、提高和完善是實現戰略目標的基本保證之一，也是一個全新的挑戰。因為物理學是一個重要的基礎學科，在許多傳統的綜合大學都有非常完整的體系，而我校的優勢不明顯，很難在短期內有所作為，更不要談超越。所以，我們必須另辟蹊徑，走特色發展的道路，于是我們提出了跨學科“X-物理學”人才，即“大物理學”人才的概念。構建了物理學與自然科學其他分支、技術科學及社會科學等多學科交叉融合的跨學科“X-物理學”人才培養體系，旨在培養具有深厚數理基礎、多學科交叉理念、創新精神、廣泛適應能力和國際化視野的復合型人才。

二、跨學科X-物理人才培養體系的建構

“X-物理學”也即“大物理學”人才理念的核心就是讓一部分特別優秀的學生向成就物理學家的方向發展，另外一些學生在奠定深厚物理和數學基礎上，涉獵一些交叉課程的接口課程或專門化課程，進行交叉學科的訓練，使他們具備從事交叉學科工作的能力。因此，我們以“厚基礎、重交叉、促創新、國際化、高素質”的教育理念為引導，提出了以多學科科研訓練帶動素質教育的策略，以及建立數理為主其他學科為輔的基礎課程體系、優化物理學核心課程體系、設立交叉學科的專門化課程模塊的課程建設思路，確立了以理論課程體系及實踐環節為兩個主線，以基礎課程、核心課程和專門化課程為三個層次，以學生綜合素質與創新能力為核心的人才培養目標的“3-3-1”課程體系方案（見圖1）。

理論課建設的指導思想是：第一層次在于濃縮基礎物理學內容，強化數學基礎，設置通識化專業基礎課程和概論課程。第二層次在于優化物理學核心課程內容。第三層次致力于設置物理學和交叉學科專門化課，滿足不同興趣和目標學生的需求。

實踐環節建設的指導思想是：第一環節為傳統基礎物理和近代物理實驗，選擇設計思想精巧、實驗方法典型的實驗項目，著重實驗的基礎知識、基本方法、基本技能的訓練。在第二環節，創新性地建設交叉學科實驗平臺，以學院各專業科研課題為基礎，提煉成熟的交叉學科實驗，有效整合各專業實驗室，構建功能集約、資源優化、開放充分、運作高效的跨專業實驗教學平臺。第三環節主要是科研實踐，完全或部分開放學院科研實驗室，開展研究性實驗，將科研成果轉化為實驗教學內容，將科研方法融入實驗教學活動，進而促進科研支持實驗教學、科研與教學互動、服務人才培養。

新的培養體系必然要求超越傳統的理念和教學方法，相應的改革須遵循以下原則：將單純知識灌輸變革為以知識為載體進行能力培

養;在課堂內外更多地加入討論和辯論的成分，為學生提供提出問題或觀點的機會，以及表達、闡述和捍衛觀點的能力的培養;加強自主學習能力培養，鼓勵學生涉獵更多跨專業知識;加強中外文運用能力的培養，增加雙語課甚至全英文授課;貫通交叉科學實驗、多學科研究性實驗和畢業論文過程，使學生有機會經歷比較完整的科研過程，獲得科研體驗，進一步鍛煉創新能立、培養合作精神。

三、跨學科X-物理人才培養體系的實踐

在新理念推動下，學院于2011年獲批陜西省級“跨學科復合型X-物理學人才培養模式創新實驗區”，2012年獲批國家“十二五”國家級跨學科X-物理實驗教學示范中心和陜西省專業綜合改革試點項目。在這些項目的支持下，我們對人才培養體系進行了改革。

1.理論課程體系建設

理論課程體系包括：第一層次為基礎課程體系，第二層次為物理學核心課程體系，第三層次為專門化課程體系。

（1）基礎課程體系。基礎課程體系由傳統物理學專業基礎課程體系和交叉學科概論課程構成。傳統物理學專業基礎課程體系將普通物理學科濃縮為“基礎物理I-IV”，采用英文原版教材。建成的交叉學科概論課包括化學概論、生物學概論、經濟學概論，幫助學生了解這些學科的概況、研究方法，特別是概念和語匯，建立接口。

（2）物理學核心課程體系。物理學專業核心課程體系包括數學物理方法、分析力學、熱力學與統計物理學、電動力學、量子力學、固體物理等。這些課程是培養物理專業人才的傳統核心課程，是所有學生的必修課程，為后續課程打下堅實的基礎。分析力學課程采用Goldstein著的原版教材Classical Mechanics，量子力學課程采用自編英文教材，熱力學與統計物理學、量子力學課程采用“課堂主講+討論課”的教學模式。

（3）專門化課程體系。專門化課程有物理專門化課程和交叉學科專門化課程組成，已建成的課程如下：

物理專門化課程：高等量子力學，高等統計物理，粒子物理，群論，模擬物理，聲學基礎，激光原理，量子場論，物理學前沿講座，科學哲學與物理學史，等等。

交叉學科專門化課程：電介質物理，材料物理，量子化學，非線性動力學導論，神經元興奮動力學，經濟物理，化學物理，超聲技術及其應用，聲環境概論，MATLAB在物理學中的應用，微機原理，數字電路與實驗，單片機原理，等等。

在此專門化課程體系中，學生可按照自己的興趣和志向，在物理專門化課程和交叉學科專門化課程中選擇課程。有志于從事純物理研究的學生可以重點在物理專門化課程中選課，而愿意在交叉領域拓寬的學生可以重點在交叉學科專門化課程中選課。這些課程的設置旨在奠定學生的跨學科理論知識，破除學科壁壘，實現物理學與相關學科對接，引領學生利用物理學方法解決跨學科學術問題，以活躍學生的學術思想，增加學科交叉意識，提高跨學科創新能力。

2.實踐環節建設

實踐環節是本課程體系的重要組成部分，以國家級X-物理實驗教學示范中心為平臺，建設了三個實踐環節，第一環節為基礎與近代物理實驗課程，第二環節為預定交叉學科實驗課程，第三環節為科研型實驗。

（1）基礎和近代物理實驗課程。這一環節是傳統物理人才的必備環節，學院已有長期的積淀，目前開設了22個力學和熱學實驗、14個電磁學和光學實驗、16個近代物理實驗。該環節在于培訓學生的基礎實驗方法和技巧，了解現代物理學的實驗方法和技能。

（2）預定交叉學科實驗。該環節結合學院科學研究方向，提煉出涵蓋材料物理、化學物理、光學材料、環境聲學、生物學、非線性科學等交叉領域的13個“預定交叉學科實驗”項目。

材料物理實驗包括基于異質結型氧化物納米纖維的氣敏傳感器特征研究、商用紐扣型鋰離子電池組裝及其活性材料的原位結構表征、基于新材料的微納尺度激光的探索實驗、材料弛豫時間測量實驗等。

化學物理實驗包括納米半導體對有害氣體的光催化降解、等離子體化學氣相沉積法制備半導體薄膜等。

光學材料實驗包括納米光學全息、氧化物復合材料的光敏-濕敏-氣敏特征等。

環境聲學實驗包括環境噪聲測量及聲振動分析、聲學超材料設計仿真實驗研究等。

生物物理實驗包括神經元放電行為模擬等。

非線性科學實驗包括流行病傳播的計算機模擬、螺旋波的斑圖動力學等。

該環節旨在進行跨學科領域實驗和科研的基本訓練，鍛煉學生的綜合實驗能力、團隊協作能力、運用物理學的理論和方法進行研究的能力。這部分實驗題目來自于學院相關教師的科研課題，是科研促教學的實際體現。

（3）多學科研究型實驗。該環節的要義在于鼓勵學生綜合運用物理學知識與技能，參與科研訓練，體會科研過程，激發和培養創新能力的培養。學院建立了專業導師制，學生通過自主選擇，以2～3人小組形式進入教授科研實驗室進行科研實習，或進行開放性的研究實踐。科研實踐促使學生初步掌握科學研究的一般步驟和方法，培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。在這一過程中，學生可以與教授課題組內的研究生以及博士生進行經常性的討論和交流，鍛煉他們的總結研究成果的能力，表達、闡述和捍衛自己觀點的能力，以及合作精神。此外，學生畢業論文的研究題目可以與上述第二或第三環節的訓練和研究內容貫通，使學生可以有充分的時間完成一個比較完整和系統的科研題目。

參考文獻：

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[2] The Boyer Commission on Education Undergraduate in the Research University. Reinventing Undergraduate Education： Three Years After the Boyer Report [R]. https：//dspace.sunyconnect.suny.edu/handle/1951/26013， 2001.

[3] The Board of Trustees of The Leland Stanford Junior University. The Study of Undergraduate Education at Stanford University [R]. 2012.

[4] Department for Business Innovation and Skills，Success as a Knowledge Economy： Teaching Excellence， Social Mobility and Student Choice [R]. 2016.

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[8] 李貴安，劉洋，王力.翻轉課堂教學模式下高校教師角色定位與課堂創新[J].中國大學教學，2018（5）：69-72.

[責任編輯：夏魯惠]