時代背景下的基礎學科專業(yè)課教學模式創(chuàng)新

張鵬　王守宇　呂英波　李延輝　劉芬　孫琿　關成波　叢偉艷

摘? 要：當前中國工程師紅利已取代人口紅利，成為推動中國經濟高質量發(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，高校的教學改革要兼顧精英教育和大眾教育。課程教改往往關注的是課堂教學的形式和內容，以學生為本，這對于教育的普及化十分重要。實踐證明，對于基礎學科的專業(yè)課，從理論學習到知識創(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術研究中。同時，合理的師資配置也應該受到重視。

關鍵詞：人才紅利;精英教育;大眾教育

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：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Abstract： Nowadays， the demographic dividend in China has been replaced by engineer dividend， which becomes an important power to promote economic high-quality development.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、基礎學科專業(yè)課建設的時代背景

（一）高等教育正進入普及化階段

2020年3月4日，中國科學技術協(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，當前中國工程師紅利已取代人口紅利，成為推動中國經濟高質量發(fā)展的重要力量[1]。每年工學類普通本科畢業(yè)生超過140萬，考慮到還有大量的理學類本科畢業(yè)生也會加入到工程師行列，在此背景下，未來新技術新產業(yè)的發(fā)展有充分的工程師紅利，中國經濟長期向好的發(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。

當代教育家馬丁·特羅將高等教育的毛入學率作為衡量一個國家高等教育規(guī)模的量化指標。他認為低于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率突破50%，達51.6%，各類高等教育在學總規(guī)模超過4000萬人，按照馬丁·特羅的標準，我國已邁入高等教育的普及化階段[3]。

如今，在大學教學改革方面，與大眾教育相適應的一個典型實例就是各個高校都在進行慕課、SPOC等線上或線上線下相結合的課程建設。線上教學是互聯(lián)網時代實現(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，其所波及在學校教育方面就是師生之間物理空間分割的在線教學。據統(tǒng)計，截至4月3日，全國在線開學的普通高校共計1454所，95萬余名教師開設94.2萬門、713.3萬門次在線課程，參加在線課程學習的學生達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)的目標人群是精英人才

建設世界一流大學和一流學科即“雙一流”建設，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，其建設任務明確指出，要培養(yǎng)“拔尖創(chuàng)新人才”[5]。顯然，其對標的目標人群應該是接受精英教育的這部分大學生。習近平總書記在北師大師生座談會上指出，當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濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性資源，教育的基礎性、先導性、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，對大學生要有效“增負”，要把“水課”轉變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”。2019年10月，教育部印發(fā)《關于一流本科課程建設的實施意見》，提出了“金課”的具體量化指標，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計，既要有大眾教育的科學文化普及，也要為創(chuàng)新型國家培育精英人才。

縱觀當今教育發(fā)達國家，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，其教育的作用仍然是為社會各個領域培養(yǎng)領軍人物。而美國的社區(qū)學院、日本的專修學校則是為大多數人在發(fā)達工業(yè)化社會中的生活做準備，屬于普及性教育。

目前，對于我國大多數高校而言，在追求“雙一流”建設目標的過程中，大學教育應兼顧這兩個功能。

（三）基礎學科專業(yè)課建設的時代要求和困境

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

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，也沒有清晰的技術路線。從高校的具體實踐來看，有的教師專于教學，能充分調動線上線下各種資源，提高教學效果，學生接受程度高。不過他們在學術研究上可能用時不多，因此在引導學生將最新的理論進行創(chuàng)新應用方面缺乏有效手段;另一方面，一個教學單位內各課題組的學術領軍人物，科研任務重，不愿在教學上投入過多精力，會利用與他人合講課程等形式規(guī)避教學任務。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)課教學的模式創(chuàng)新

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

（一）第一課堂進行實踐-理論-創(chuàng)新的教學模式改革

教學內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。現(xiàn)在的大學生一般都有筆記本電腦，學生將計算軟件安裝在自己的電腦上，帶入課堂。開課之初，我們先指導學生學習上機案例，通過自建一個材料模型，進行結構優(yōu)化和性質計算，再分析數據、討論結果，完成一個問題研究的全流程操作。幾輪實踐應用后，學生們體驗到了物理原理的現(xiàn)實意義，打消了很多人“學習無用論”的思想。實踐使他們體會到知識的力量，然后就有了學習理論原理的動力。這樣接下來的理論課教學就能產生事半功倍的效果。

為深化課程實踐，開課之初同步布置了課程論文的任務，讓學生做好選題，通過貫穿整個學期的實踐訓練，到結課時要求學生上交一份符合期刊論文格式的研究成果。大三學生基本都有科研立項經歷，這時他們在選題、調研等方面已有良好的基礎。最終，結合計算物理的研究方法，學生們通過訓練，整體上提高了科研素養(yǎng)。有創(chuàng)新點的論文經過修改可投稿發(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?，課堂教學將理論-應用的傳統(tǒng)模式改為實踐-理論-創(chuàng)新的貼近實戰(zhàn)的教學模式。

在教學形式上，綜合運用線上線下各種手段，對學生進行多元評價。我們隨堂伴有線上教學視頻，同步播放PPT，進行考勤簽到、布置作業(yè)等。學生課后還可通過回放以消化吸收知識難點。在教學過程中設置搶答獎勵分，通過競爭性評價鼓勵學生積極思考。教學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術問題，引導感興趣者深入思考。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，并把我們的研究進展講給學生。這個問題吸引了很多學生課后加入到這項研究之中。學術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，提高了學生深入學習的興趣和從事物理職業(yè)的未來期望。

同時，教學過程中通過介紹人物、事件背景潛移默化地進行課程思政教育，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，能在科技進步中發(fā)揮重要的作用。講數值計算的算法優(yōu)化時談到移動互聯(lián)網5G的進展，指出美國對華為的打壓本質上是不容許我國在高科技上出現(xiàn)領跑點。這些案例讓學生意識到，國人當自強，只有現(xiàn)在努力學習，將來奮發(fā)圖強才能為國家的發(fā)展貢獻智慧。

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

從理論學習到知識創(chuàng)新不可能全部在課堂上完成。實踐課程是大學教育的必備環(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生組織到課外的學術研究團隊中。我們將前沿理論有機拓展到第二課堂，引導學生進入課題研究。在理論課之外，我們通過定期的學術討論會解決面上的問題，比如學習英語文獻，講解研究背景和技術手段;再通過個別指導加快他們科研成果的產出。尤其在英文論文寫作方面，先提供范文，讓學生理清思路后模仿寫作，再經過老師的指導修改到最后投稿。學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，老師的隨時跟進指導十分關鍵，這才能保證學生持續(xù)取得研究進展。

現(xiàn)實中，這方面的教改涉及諸多現(xiàn)實障礙。比如學生開展課題研究的經費哪里來？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、文章服務費、版面費等大的開支。學校、學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就通過本科生導師制建立了師生的直接聯(lián)系。然后通過大學生科研立項解決了學生進行課題研究的經費問題。同時，指導教師也有績效獎勵等等。總之，學校要有配套的政策措施提供保障并進行激勵。

（三）為專業(yè)課教學配置合適的師資

學生要分類施教，同樣，師資也要合理配置。這個視角在教學研究中往往被無視。在一個教學單位，一般有多個學術團隊。每個團隊中有學術帶頭人，有二牛，三牛等等和以教學、實驗為主的教師。課題組要根據學科發(fā)展，為學生開設專業(yè)方向課，讓那些既活躍在科研一線，科研任務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)課不同于基礎課，理論必須跟上學科的發(fā)展。就是說，要把學術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為主的教師就很難承擔。實踐中，這些師資將精力放在大學物理公共課和專業(yè)基礎課上比較合適，他們也有更好的條件開展線上線下課程的教學研究。同時，現(xiàn)實條件下，學術帶頭人肩負科研重任，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練?？傊?，要在一個教學單位內部進行師資的優(yōu)化配置，把合適的人放在適任的教學崗位，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

這門課迄今已進行了四輪的教改實踐。上課人數每屆平均80多人。近三年學生面上的總體評價，滿意度排名在前10名以內。其中2017年，學生評價成績94.05，排名8/123;2018年，學生評價成績93.57，排名7/140;2019年，學生評價成績94.77，排名9/105。學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。在精英教育方面，自2017年開始，部分大學生利用所學計算機模擬方法進行學術研究，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、加州理工大學洛杉磯分校博士全額獎學金出國留學;其他學生則到北大、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）。這種學生如果早發(fā)現(xiàn)、早培養(yǎng)，可促進他們早成才、快成才、成大才。與之對比的是，有一名2015級學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，堅持參加第二課堂的學術討論。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，學生只要有學習的興趣和動力，經過努力都可以成才。而這個過程中，需要教師的不斷啟發(fā)和持續(xù)培養(yǎng)。

在學術科技競賽方面，學生團隊2019年獲得全國大學生數學建模一等獎，第十六屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術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金，分別于2017、2018寒假去訪學。一人次獲美國UCLA的獎學金，于2019年赴美參加科研夏令營。一人次獲加拿大麥吉爾大學夏令營資助，可惜因今年疫情被取消。

同時，在學院的推廣下，很多工作在教學科研一線的教師也加入到專業(yè)課教改工作中。學院有應用物理學和空間科學與技術兩個專業(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)質量整體提升。

三、結束語

在兼顧精英教育與大眾教育的理念下，基礎學科專業(yè)課的課程設計要追求高階性、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;教學過程中要綜合運用線上線下各種資源，提高學生對知識的理解和掌握程度。一門“金課”最終應實現(xiàn)將學生中的優(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?；A學科的專業(yè)課教學有很多共性，本文的教學模式創(chuàng)新實踐迎合了國家宏觀層面的制度設計，提供了一條可復制、可借鑒、可推廣的操作路徑。

參考文獻：

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[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英文版國際平臺建設項目[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.國務院關于印發(fā)統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案的通知[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.習近平同北京師范大學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.基礎研究是國家創(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)大學生圍繞專業(yè)課進行科研訓練模式創(chuàng)新研究”（編號：Z2018B110）;山東大學（威海）2019校級教改重點項目“基礎學科創(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。