基礎科學班20年的探索與實踐

阮 東 尚仁成 熊家炯 吳念樂

(清華大學物理系，北京 100084)

1 基礎科學班的創立與發展

1997年年底，清華大學決定開辦“基礎科學班”(以下簡稱基科班)，以它作為學校的一個教學“試驗田”，探索一流創新人材培養的新模式。1998年開始招生。

除了提高當時物理系、數學系的生源質量外，開辦基科班的一個重要背景是我校于1997年6月成立了“清華大學高等研究中心”。該中心的目標是：加強清華大學的基礎科學研究；倡導開拓性與科學首創精神；培養有創新能力的科研人才；開展高水平國際合作與學術交流，為建設世界一流的清華大學做出貢獻。在這樣的背景下，校領導認為有必要也有可能設立特殊的教學計劃，使這些學生在數學、物理學等基礎學科上得到深造，成為我國基礎科學方面富有生氣的后備力量，并使他們中的佼佼者成為國際科學技術舞臺上的優秀人才。同時，要為學校有關院系培養有扎實數理基礎的新型研究人才。這樣就形成了基科班的培養目標：為數學、物理學等基礎科學培養富有創新意識和具有國際競爭能力的優秀人才；也為與數理學科密切相關的其它學科培養具有開拓精神和良好理科素養的新型人才。

2005年1月，鑒于基科班在一流創新人才培養方面的辦學成效，學校同意將基礎科學班推廣為大類模式，以“數理基礎科學”專業招收本科生，年招生規模8個班，涵蓋物理系4個班、數學系3個班和電子系1個班。前兩年，學生學習共同的基礎課程，強化數理基礎和科學素養教育。第四學期，學生根據“雙向選擇”的原則確定專業方向。分流專業方向包括：基科(數學)、基科(物理)、基科(應用)，以電子系為主的信息學院等。

考慮到數學系與物理系在數理基礎科學班的教學培養方面的理念差異，為了建立起符合基礎學科一流創新人才培養規律的課程體系和科研實踐訓練體系，營造出有利于學生發展的環境和氛圍，培養出有很好發展潛質的本科生，2010年學校同意“數理基礎科學”專業從2011年開始恢復到原基科班的招生和培養模式，由物理系負責。新基礎科學班繼承了原基科班的培養模式。前兩年，學生學習共同的基礎課程，第四學期，學生根據自己的志趣自由選擇物理學專業或數理基礎科學專業。這種模式一直延續至今。

2017年，清華大學開始按大類招生，實施“大類招生與通專融合”的新模式。大類進行為期一年的大類培養，學生專業確認安排在第二學期。數理大類涉及數學系、物理系、工物系、材料院、航院等五個院系。大類的培養方案實際上就是基科班的培養方案在新時期的延拓和推廣，特別是第一年的物理和數學課程。物理系的物理學專業和基礎科學班都屬于該大類。

為履行國家“強基計劃”人才培養使命，2020年4月，清華大學新設立了五個書院，其中未央書院按照“理+工”雙學士學位模式進行培養，它把基科班的“數理基礎科學”專業完整地設為其理學學士學位，數學、物理課程達50多學分，為數理大類設置的兩倍，突顯了數理基礎的核心地位。而與之相銜接的12個工學學士學位則聚焦于國家急需的新材料、新能源、供應鏈、測控、軟件、微電子、智能制造、國家安全等關鍵領域，以服務于國家重大戰略需求。這種模式也是清華大學為落實工科人才培養要加強數學、物理基礎這個理念的重要舉措。

2 基科班的辦學理念

基科班在辦學之初，就明確了培養目標，提出了“寬口徑，厚基礎，強實踐”的培養方針，堅持以下辦學理念：

2.1 充分認識因材施教，培養一流創新人才的必要性和可行性

因材施教是一種得到了社會廣泛認可的教育理念，而培養一流創新人才卻時常受到一些非議。其實這是同一種教育理念在不同范疇的應用。基科班成立之初，就強調因材施教，并將一流創新人才的培養放在重要的位置上。清華大學有優秀的生源，我們責無旁貸地要非常珍惜和充分發揮這種智力資源，通過適當的“途徑”，培養出科學上的一流創新人才不僅必要，而且可行。為此，必須創建適合于優秀人才培養的教學模式和培養方案，并在課程設置、教學方法和考試模式等方面進行一系列創新性的改革。

2.2 同時打好物理學與數學基礎，使學生能自主地選擇適合自己的發展方向

1999年楊振寧先生與基科班1998級座談

實踐證明，在物理學和其他學科領域，要達到很高的境界，需要扎實的數理基礎。楊振寧先生多次談到數學和物理交叉的領域將會產生新的學科生長點。林家翹先生也提出數學不僅要和物理結合，而且要和Science 結合，這將會有更廣闊的發展前景。基科班同時強化數理基礎教育之后，學生無論是向物理學方向還是向數學方向進一步發展都是可能的，而且有一定的優勢和特色；對那些想到其他學科深造的學生，良好的數理基礎也會使他們受益匪淺。

2.3 強化本科生科研訓練，提高學生探索與創新精神和能力

基科班的培養方案頭兩年是比較系統地打數學和物理學基礎，從第三年開始的連續三個學期，讓學生到校內外他們感興趣的科研課題組中去，在教師指導下和那里的研究生一起參加科研實踐，根據導師的建議選修課程及研讀參考書書和文獻，即通過科研實踐來進一步學習。我們將這種方式叫seminar，并列為必修課。這是一種不同于課堂教學的新的培養模式，有利于學生創新精神和創新能力的培養，有利于掌握受用終生的“滲透式“學習方式，并使學生發現自己的喜愛和擅長研究領域。

2.4 營造寬松的育人環境，為人與為學并重，提高綜合素質

注意加強人文精神的熏陶，使學生德智體等方面都得到綜合發展。營造寬松的育人環境，給學生自由發展空間，關心和幫助所有學生找到適合自己發展的方向，使基礎型與應用型一流人才各得其所、不斷涌現。

3 培養模式的特色和設置

3.1 課程層次分明，突出數學、物理主干課

基科班的培養方案中，畢業總學分不少于170分。其中課程學習140學分，實踐環節30學分。“課程學習”中包括18門數學和物理學主干課。數理課的學分超過了課程總學分要求的1/2，而且將數學和物理放在了同等重要的地位。

數學、物理主干課程包括必修課、限選課、替代課。必修課是對以后不管選什么學科方向都必須要修的課程。限選課(帶“*”號)是根據以后所選學科方向的需要在導師的指導下來選擇。替代課是擴大了必修課和限選課的范圍，增加了選課的靈活性。

典型的數學、物理主干課程

數學替代課：①隨機數學方法可以替代概率論(1)。②數學實驗可以替代數值分析。③測度與積分可以替代拓撲學。

物理替代課：①固體物理(1)可以用核物理與粒子物理、原子分子物理、天體物理中任一門替代。②近代物理實驗A可以用近代物理實驗BCD中任一組替代。

在數理基礎科學班時期，數學、物理基礎課程的安排發生過較大的變化。

1) 2005年，數學系把高等微積分(1)(2)的教材換成了佐里奇的《數學分析》，為全體學生的必修課。以《數學分析》(3)為教材的高等微積分(3)為限選。在物理系的要求下，2007年增加了原基科班所采用的教材，即肖樹鐵先生編寫的《微積分》，使得高等微積分分層次教學，學生可以二選一。從2009年開始，新生入學后可以選擇由數學系或物理系管理，兩個系分別制定了各自的數理基礎科學專業的培養方案。數理基礎科學專業(數學)的課程設置偏數學；數理基礎科學專業(物理)的課程設置偏物理。數理基礎科學專業(物理)的培養方案一是恢復了原基科班對高等微積分(1)(2)的要求和安排，即以肖樹鐵的《微積分》為教材；二是把兩學期的高等代數與幾何(1)(2)壓縮為一學期的高等代數，這是因為精簡了其中的內容。高等微積分(1)(2)與高等代數一直延續到現在。

2) 除了普通物理學(1)(2)(3)，又增設了三個系列：基礎物理學(1)(2)(英文)、基礎物理學原理與實驗(1)(2)(3)、費曼物理學(1)(2)(3)。基礎物理原理與實驗是將普通物理和普通物理實驗結合在一個框架內，理論教學和實驗教學有機融合，由做實驗研究的老師主講，并負責安排配套的實驗。費曼物理學選用著名的三卷本《費曼物理學講義》為教材，這是為了解決一些優秀學生感到學習普通物理“吃不飽”的問題，尤其是參加過全國物理奧賽的學生。這兩門課都是小班授課，人數控制在30人左右。經過十年的實踐，這些新開課也都取得了很好的教學效果。2018年，在費曼誕辰百年之際，我們對費曼物理學課程做了研討和經驗分享(見：阮東《費曼物理學課程教學十年初探》，大學物理，37(5) (2018) 7-10. 王青《小班教學與翻轉課堂：《費曼物理學II》的十年教學實踐》，物理與工程，28(4) (2018) 20-38. 阮東、王青、徐湛《費曼物理學10年教學小結》，物理與工程，28(6)(2018) 15-17.)。

這種“分層次”設置主要是考慮到大類中的學生在數學、物理基礎方面的差異，以及第二年學生分流所選學科方向對數理基礎的不同要求。

2017年學校開啟“大類招生與通專融合”模式，數理大類的數學、物理基礎課程的安排依然延續基科班的設置理念，只是把基礎物理學原理與實驗課程中的理論與實驗分開了，分別稱為基礎物理學和基礎物理實驗，以滿足大類分流的需要。

MIT黃克孫教授講“統計力學”

盧德馨教授講“大學物理”

黃惟承教授講“分析力學”

俞允強教授講“電動力學”

除了精心設置數學物理主干課，邀請校內外優秀教師講授這些課程也是重要的一環。名師不僅傳授知識，還能在為人與為學方面給學生以更多的啟迪，激發學生學習的積極性。

3.2 開設必修的專題研究課，特色鮮明，措施落實

基科班在其培養理念中特別強調對學生的科研實踐訓練。為此，在第五、六和七學期特別開設了“專題研究(seminar)”課(必修，三學期，共9學分)。seminar的目的是培養學生在教師指導下的邊學習、邊研究；培養學生的探索與創新精神；密切教師與學生的聯系，并有利于學生向不同方向分流和因材施教。

最初兩屆的做法是領導小組在校內外聘請seminar導師，由導師提出課題，列出必讀文獻，向學生公布，學生則根據自己的興趣，愛好，報名選擇題目和相應的導師。推動之后不久便形成了學生自己主動去聯系他們喜愛的導師的方式。在三個學期的seminar中，學生可以根據自身情況自由地調整學科方向和換導師。在第三個暑期小學期進行全班性的seminar進展交流，要求每個學生匯報自己的研究工作進展并報告對所研究領域的學科前沿的理解。

基礎科學班圖片展(摘)

教師普遍歡迎基科班學生到他們的課題組去做seminar，他們認為基科班學生數理基礎好，思維活躍，進入課題快。清華大學計算機系張鈸院士、朱仲濤老師說：經過專題討論課三階段模式的培養，大部分參加專題討論課的基礎科學班學生都達到了預期的培養目標，他們系統地學習了開展相關研究所必需的數學理論，可以相當順利地研讀相關方向的最新研究成果，同時具備了相當出色的計算機編程能力，在本科高年級就參與課題組的研究任務，使培育出高質量、創造性人才的總體目標的實施得到了有力的保證。實踐表明，在智能技術與系統國家重點實驗室工作的基礎科學班學生，到本科畢業設計即將結束時，常常可以撰寫出有一定深度、有一定創新結果的論文，并開始向高水平的國內外專業期刊投稿。清華大學天體物理中心李惕碚院士說：從這幾年的實踐我們認識到，seminar 這種形式的課程對學生是一個很好的培養方法，學生在前兩年學習基本理論的基礎上，真刀真槍地投入科研實踐，在這里，他們發現科學殿堂是如此之廣闊，還有很多很多方面需要自己去學習、去探索。也有一部分同學因適應了從書本學習，開始科研實踐時，仍花較長時間在書本和雜志中徘徊，不敢動手去研究一個問題，在導師的指導下，許多同學很快學會了“下水學游泳”的道理，動手去實實在在地研究一問題，也才逐漸體會到科學研究的甜頭，這才真正學到了有用知識。seminar 這種形式對學生早接觸科研實際，培養學生在實踐中學習起了很大作用。目前基科班學生是三年級才開始進入科研課題做seminar，而一些成績優秀的學生，進入seminar模式還要早一些，提前進入科學前沿去探索大自然的奧秘。

根據無記名問卷調查，學生對seminar反映很好，普遍認為能夠通過seminar盡早接觸科研，接觸科學家，了解學習科學研究的過程，學會如何在科學研究中學習，收獲很大。通過seminar，學生還能尋找自己感興趣的方向，以利確定今后的發展方向。學生們對參加seminar可以根據自身情況調整方向的靈活機制也很滿意。

1998—2015級本科生科研訓練所選學科分布(前15個)

無記名問卷調查結果

實施seminar 15年來，學生做seminar有記載的已達3300多人次，學生自由選擇的學科分布達40多個。

從十五年的整體數據來看，選擇基礎學科(物理、天文、數學、生物、化學)的比例近58%，交叉與應用學科的比例約42%。選擇比例最高的三個學科分別是：物理學41%、經濟學15.4%、計算機8.6%。若從每年的數據統計來看，選擇物理學方向的比例始終為最高，但02級、03級和13級選擇物理學方向的比例低于30%。選擇比例高的其他學科方向則帶有比較明顯的時代跡象：早期是數學，中期是經濟金融，現在是計算機。

學生在科研方面獲得了實質性訓練，發表了相關學術論文，申請了國內外專利，在國際國內會議上宣讀論文等。學生根據興趣參加了相關學科的競賽活動，也取得了可喜的成績。

1998—2015級本科生科研訓練選擇物理學、經濟學、數學分布

物理系本科生近年在Nature及子刊、PRL等上發表的部分論文

[1] Shunyu Yao(姚順宇), Fei Song, and Zhong Wang, Phys.Rev.Lett. 121 (2018) 136802.

[2] Shunyu Yao(姚順宇) and Zhong Wang, Phys.Rev.Lett. 121 (2018) 086803.

[3] Xin Chen, Ruihua Fan,Yiming Chen(陳一鳴)，Hui Zhai, Pengfei Zhang(張鵬飛), Phys.Rev.Lett. 119 (2017) 207603.

[4] C. Zu, W.B. Wang, L. He, W.G. Zhang(張文綱), C.Y. Dai(戴澄宇), F. Wang, L.M. Duan, Nature 514 (2014) 72.

[5] Giulio Chiribella, Yuxiang Yang(楊宇翔), Andrew Chi-Chih Yao, Nature Commun.4, 2915 doi:10.1038/ncomms3915, 05 December 2013.

[6] Zhang Jian(張劍), Chao-Ming Jian(簡超明), Fei Ye and Hui Zhai, Phys. Rev. Lett. 105, 155302 (2010).

[7] Chunji Wang(王春吉), Chao Gao, Chao-Ming Jian(簡超明) and Hui Zhai, Phys. Rev. Lett. 105, 160403 (2010).

物理系本科生近年申請的部分國內外專利

[1] X.F He(何性峰), Y. Wu: A method to produce anode of Lithium Ion Battery (using sprayer to spray cobalt nitrate on SACNT fim), 美國專利申請號: 2012A-56414/CN56427

[2] X.F He(何性峰), Y. Wu: A method to produce anode of Lithium Ion Battery (using magnetron sputtering to produce Co3O4/SACNT composite electrode), 美國專利申請號: 2012A-56415/ CN56428

[3] 張麗娜，高新雨*，楊琪耀，姜開利，劉長洪，范守善: 膜電極及燃料電池(FUEL CELL MODULES)申請號：中國CN201510281370.1，臺灣TW104121220，美國US14/970045

[4] 馬藝妮*，張文增: 腱繩驅動顆粒阻塞的球形自適應機器人手裝置, 申請號：2016103388662, 申請日：2016.05.19, 公布號：CN105881564A, 公布日：2016.08.24

[5] 馬藝妮*, 張文增: 繩驅磁流變液顆粒增強通用抓持裝置, 申請號：201610338847X, 申請日：2016.05.19,公布號：CN105798940A, 公布日：2016.07.27

[6] 齊景辰, 馬藝妮*, 張文增: 空程接觸式齒輪平夾自適應機器人手指裝置, 申請號：2016103463714, 申請日：2016.05.23, 公布號：CN105798936A, 公布日：2016.07.27

[7] 齊景辰, 馬藝妮*, 祝天一,張文增: 活塞驅動磁流柔性機器人手裝置, 申請號：2016103392564, 申請日：2016.05.19, 公布號：CN105856185A, 公布日：2016.08.17

3.3 根據自己志趣，引導學生向不同學科分流

為了有利于基科班學生的發展，針對基礎科學班學生的分流和免試推研，學校教務處和研究生院都制定了相關政策。

seminar是對學生實行分流的一種有效渠道。學生一開始就可以挑選適合于自己的導師和題目，中間還可更換。通過幾次選擇，若學生認為該題目和導師適合于自己，就可進一步在導師指導下做畢業論文。這也為進一步深造選擇自己感興趣的研究領域和研究方向打下基礎。

4 總結

基科班二十年一路走來，開辟了探索一流創新人才培養的新征程，從最初的試點，經過不斷努力探索和實踐，到現在的辦學理念、培養模式、培養方案等已基本確定。基科班在自主招生(校內二招、競賽招生)、數學物理通識教育、科研實踐訓練、個性化培養和更大發展空間等方面有所創新，積累了豐富的經驗，同時，基科班辦學也積極帶動了基礎課程體系改革、教學方法改革，以及物理學科一流創新人才培養等，主要是基礎課程的分層次教學和學堂物理班。這些教育和教學理念在當今高等教育改革與發展中，也越來越受到重視。

從基科班學生的反饋來看，基科班的培養模式得到了他們的高度認可，尤其是學生可以根據自己的志趣“自由選擇”今后的發展方向。學生通過科研訓練來了解學科，并通過自由選擇來確定專業方向，這是學生熱愛所選專業，積極主動學習的動力源。同時也為學生的進一步發展奠定了很好的基礎。

基科班的培養模式以及基科班的學生得到了校內外的任課老師、seminar導師、研究生導師的高度評價。北大物理系趙凱華教授說：基科班的學生相當突出，對物理的興趣和理解的深度都是相當好的。清華采取基科班的措施十分重要。從開始就把全校其他系的一些好學生招來，有些人對基礎科學很有興趣，也很有才能。應擴大招生規模，將來有一部分學生回到工科去，有了較好的理科基礎一定能學好工科的課程。北大物理系曾謹言教授說：基科班是培養人才最好的辦法。我給基科班二年級同學上量子力學課，大部分學生都很努力。如何出人才？基科班學生中很有人才，要好好培養。我采取了一種辦法，學生如果能提出和解決一些前沿問題，我認為較好的，就可以不參加考試。基科班能做到這一點的學生比例較其他學校高。北大力學系陳濱教授說：給基科班上課采用了一些新的教學思路和措施，不是強加給學生一個學科的“體系”，而是加強了人文精神(即思辨)和批判精神的培養，并且加強從不同方面和不同層次上引導學生思考問題和解決問題(老的問題和前沿的問題)。基科班響應的學生占20%左右，高于我教過的其他學校的學生響應的比例。香港大學物理系鄭廣生教授說：基科班學生在國際會議上非常活躍，英文非常好，在校內的學術活動中也很活躍，學術報告中學生提問也很積極。

二十年來，基科班在人才培養方面成效顯著。

1) 基科班早期畢業的學生中已有不少優秀學生脫穎而出，涌現出一批國際上引人注目的新星，有的已經成為國際學術界年輕一代的領軍人物，有的研究成果在行業界引起重大的影響。例如，如祁曉亮、陳諧分獲2016年度、2020年度科學突破獎——物理學新視野獎(New Horizons in Physics Prizes)，人數在國內高校物理系(學院)排首位。何愷明在人工智能領域已是一位國際頂級科學家。在美國享有盛譽的、專門獎勵科學領域最杰出青年人才的斯隆研究獎(Sloan Research Fellowships)，到2019年，本科畢業于中國大學的獲獎者中，已有15位來自清華物理系，其中物理學6位，其他學科有計算機3位、神經科學3位、分子生物學2位、數學1位。

2) 追求學術，畢業后決心以學術為生涯的學生比例明顯增多。畢業生中決定繼續深造的人數比例基本穩定在90%左右，其中國內保送研究生和出國深造讀研在不同時期此消彼長。從數據統計來看，物理系留在國內讀研的比例要高于出國讀研的比例，除了數理基科班的05級和08級，這兩屆的出國讀研比例都超過了50%。單從基科班和基科(應用)的數據來看，03級、04級、05級以及08級的出國讀研比例接近或超過50%，要高于國內讀研的比例。從物理系的整體數據來看，除了05級和08級，其他各級出國讀研的比例均低于國內讀研的比例。

基科班的培養模式發揮了良好的示范作用。首先在校內被不少院系借鑒效仿，例如，相繼成立了化生基礎科學班和錢學森力學班等多個類似的人才培養特區，2009年開始實施的清華大學學堂計劃也借鑒了基科班的辦學經驗，在更大范圍深化了本科教育的改革。另外，基科班的培養模式也已被包括中國農大、北京理工、四川電子科技大學、北京郵電大學、大連理工、西北工業大學等多所兄弟院校借鑒，在不同學科(院系)，成立了類似培養模式的班，促進了高等教育人才培養模式的改革。2011年，基科班獨具特色的科研訓練(創新訓練)首次納入了教育部高等學校物理學類專業教學指導分委員會制定的2010版《高等學校物理學本科指導性專業規范》和《高等學校應用物理學本科指導性專業規范》的本科專業知識體系中。

基科班是清華大學探索一流創新人才培養的重要實踐成果。基科班二十年探索與實踐，在因材施教、基礎學科人才和跨學科人才培養等方面成效顯著，為一流創新人才培養和教學改革提供了寶貴經驗。

“數理基礎、科研訓練、自由發展”是基科班一流創新人才培養的基本理念。物理系將在總結基科班成功辦學的經驗基礎上，結合學校“價值塑造、能力培養、知識傳授三位一體”核心教育理念，構建包括一流學科、高水平師資、優質生源在內的質量保證體系，努力增強培養方向的多樣化和評價標準的多樣性，全面提升人才培養素質，為國家培養出更多的優秀人才。在下一個二十年，基科班將再創一流創新人才培養的新篇章。