“材料模擬與計算”教學模式改革實踐

張 鵬

(山東大學 空間科學與物理學院，山東 威海 264209)

1 專業課是培養創新人才的主要源泉

布魯姆將人對事務的認知分為記憶、理解、應用、分析、評價、創造六大層級[1].從大學教育的角度來看，可將大學生對知識的掌握簡化為三個層次：第一個層次是理解，即學生明白了為什么1+1=2，效果是拓寬了學生的知識面，大學為社會培養了通用人才.這樣的人才能適應當代的文明生活，從容面對各種挑戰；第二個層次是應用，是在掌握原理的基礎上，學生能通過自己的計算得出2+2=4，具備了知識應用能力.從理工科的角度看，大學為社會培養了工程師.這樣的人才能在既有的基礎上，繼續建造文明生活，創造財富；第三個層次是創新.這時，他們能融會貫通既有的知識，創造新知識.無論是制作新材料、新生態，還是發現新理論、新應用，都是一個從無到有的原始創新成果.大學為社會培養了精英人才，能引領社會的進步，提升文明水平.這樣的人才聚集多了，才能建成創新型國家.顯然，要實現中華民族的偉大復興，需要大力培養創新型人才[2].對于大多數高校而言，這正是雙一流建設的主要目標[3].

大學的知識體系是個逐步遞進的過程.以物理專業為例，大學生首先要學習基礎課，如高等數學，這是建立物質間聯系的邏輯基礎；之后是專業基礎課，如量子力學，這是理解物質結構和性質的理論基礎；最后是專業課，是理論在某個領域的應用，如半導體物理、計算物理等專業方向的理論和方法.專業課是知識創新的源泉.從大學理論課教學的角度來看，要實現創新人才的培養重心在專業課教學.

2 以成果為導向的PTI模式改革

大學綜合各種要素培養創新型人才，這是學科建設的首要任務，需要有宏觀的管理體制改革.國家層面有“六卓越一拔尖”等頂層設計[4]，各大學也都有雙一流建設的實施規劃.那么，對于一門專業課教學，有沒有一個具體微觀的可操作路徑呢？實踐發現，通過綜合施策，也可以在專業課教學過程中，實現學生創新能力的提升.筆者自2017年對“材料模擬與計算”這門課進行教學改革，目前，學生已利用所學理論發表SCI論文14篇，平均影響因子3.580.基礎學科的學生，發表學術研究論文正是其創新能力的體現.筆者對這門課的教改實踐有如下兩個核心要點.

2.1 實踐-理論-創新的教學進程設計

馬克思在關于實踐與認識的辯證關系中指出，實踐是認識的基礎，也是認識的目的.這個哲學原理應用于大學教育就是，知識學習也要有一個從實踐中來再到實踐中去的升華過程.對于這門專業課的教學設計，總結為“實踐-理論-創新”，簡稱PTI教學模式.對于學生而言，是一個從培養興趣到學習原理再到產出成果的逐步深化的培養過程.見圖1.

圖1 PTI教學模式關系圖

開課伊始，筆者沒有按先理論后應用的教學模式，而是直接通過上機案例指導學生進行材料的建模和計算，之后通過分析數據，討論一個研究對象的結構和性質.經過幾輪的計算機模擬案例，學生們認識到這門專業課打通了從理論到應用之路，能利用所學知識解決實際問題.實踐使學生們體會到了知識的力量，然后就有了學習理論原理的動力.

與此同時，筆者要求學生自主調研，找到一個研究課題，利用一個教學周期的時間進行理論模擬研究，到期末完成計算和分析，按照期刊論文的格式上交一篇課程論文.大三的學生已學過多門專業課，比如半導體物理、薄膜材料等.他們也大都有科研立項、科技競賽經歷，能選擇一個有意義的課題，利用本課程所學計算機模擬方法開展研究.這樣，學生們一邊學習原理，一邊進行自己的研究，實踐與理論相互交融于整個學期，提高了學生科學素養和創新能力.課程論文中那些有較好創新點的研究，經進一步指導后，可以投稿到SCI期刊發表.圖1給出的流程圖表明了PTI模式的逐步深化過程.對于每一個學生而言，第三步是貫穿于整個教學周期的，并可以延續到大學畢業，讓專業真正成為學生的專長.

舉例為證.2019年春季課程期間，有兩個學生利用第一性原理密度泛函理論模擬了冰II、XV相的原子分子振動，研究了振動譜和振動模式的關系，對遠紅外區的氫鍵振動有了新的發現和理論認識.老師認為這些研究有一定的學術價值，指導學生利用暑假進一步深入探討，最終將研究成果投稿到期刊Molecules，并很快于8月底在線發表[5,6].這兩個案例表明，從實踐訓練到理論學習，再到創新應用的升華過程，以大學生發表期刊論文為標志，最快半年的時間就可以實現.

2.2 將理論課有機拓展到第二課堂的科研訓練

圍繞專業課，筆者在課后組建了一個大學生科研訓練團隊.通過定期的學術討論會，解決面上的共性問題，比如學習英語文獻，進行數據分析，講解技術手段等；再通過一對一的指導加快科研成果的產出.尤其在英文論文寫作方面，老師要提供范文，讓學生在完成建模計算、數據處理和分析作圖后，進行模仿寫作.學生在研究問題時都會遇到理論落后于實踐的困境.此時老師要及時指導，才能保證學生持續取得研究進展.

本科生實行導師制，或者學生在老師指導下參加科技競賽等學術活動在高校中已經是常見做法，因此，學生有機會參與導師科研團隊的課題組討論.筆者組建學生科研訓練團隊的鮮明特點是與課程論文等學生個人課題緊密結合.這樣，本科生已經不僅僅是一個旁聽生的角色，而是一個個的科研參與者.他們帶著自己的研究問題參加學術討論，獲得指導，不斷取得科研進展.

同時需指出的是，該團隊并非只有大三學生組成，還包括了所有途徑參與進來的各個年級的學生.每年老生畢業、新生加入，團隊向前滾動發展.有些特別出眾的學生，從大一就表現出強烈的研究興趣.這類學生通過積極介入團隊的學術活動，很快會有自己的科研產出.例如2017級有位本科生，2018年就通過自己的努力完成了課題研究，其成果于2019年發表于中信所二區期刊New Journal of Physics[7].2020年，該生又在二區期刊Journal of Physical Chemistry C上發表新文章[8]，并作為核心隊員參加第十六屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽，獲全國二等獎.這樣的學生如果早發現、早培養，可以促進他們早成才、快成才，將來成為國家棟梁之才.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.該生立志要出國留學，有強烈的意愿發表論文.2019年年末，其研究成果發表于期刊ACS Omega[9].可見，學生只要有學習的興趣和動力，經過培養都有可能成才.

2.3 教改前后成效對比

山東大學空間科學與物理學院自2007年為物理專業大三學生開設“材料模擬與計算”這門課.起初設為選修課，教學效果不理想，甚至2013年未開課.筆者從2016年開始主講這門課，在按照傳統模式講授一輪后，發現問題很多，主要有三點：一是依靠單一教材，教學內容陳舊，并且有很多量化計算的內容不適合物理類學生；二是教學方法傳統，滿堂灌講理論，學生聽課效果不好；三是泛泛地講了很多概念，缺少解決實際問題的實例，學生感覺不到這門專業課能解決實際問題，聽課興趣下降.2017年開始進行教學模式改革，結合科研實踐選擇了六個有代表性的案例，并綜合多本教材和專著，自編講義，以晶材材料的研究為主線，重設教學大綱.在采取了以上兩個主要的步驟后，改革成效顯著.如表1所示，從學生評分來看，教改前平均得分89.72，教改后是93.42.教改前沒有學生依據所學理論發表研究論文.教改后，截至目前，學生已發表計算凝聚態物理領域第一作者SCI論文14篇.

表1 教改前后學生評教和發表文章數據

表2列出了學生入學時間、發表論文時間、期刊、影響因子和畢業去向.從中可見，論文都是本科生在校期間發表的.基于本科期間培養了良好的科研潛力，有兩名獲美國名校的博士全額獎學金留學，其余大都去了國內更好的平臺繼續深造.

表2 學生發表論文與畢業去向列表

3 綜合施策保證創新人才培養的成效

教學改革關注的熱點往往是MOOC、SPOC等線上或線上線下相結合的教學模式.這些新的教學理念和方法，本文討論的教學改革也同樣適用，但不是本文討論的重點.從理論學習到知識創新不可能全部在課堂上完成.為培養創新型人才，筆者提出了PTI教學模式和課后科研訓練相結合的綜合方案.教學實踐中，還需要具備如下一些要素.

3.1 教學團隊應具備與專業課相關的科研能力

一個教學單位，會根據學科發展和科研實力，為學生開設專業方向課，并讓那些活躍在科研一線的教師做主講.專業課不同于基礎課，其理論必須緊跟學科的發展，就是說，要把學術前沿的理論和問題帶入課堂.這樣的要求對于以教學為主的教師就很難承擔.這些師資將精力放在基礎課和專業基礎課上比較合適.同時，現實條件下，學術帶頭人肩負科研重任，研究生群體大，沒有精力再去組織本科生的課程和科研訓練.

總之，要在一個教學單位內部進行師資的優化配置，把合適的人放在適任的教學崗位，教學團隊要有能力在完成專業課理論教學的同時，指導學生在該領域展開科學研究.其實踐部分可以是教學案例，也包括到實驗室制備和測試樣品.

3.2 學校要有相適應的配套制度

實踐中，教改會涉及諸多現實問題，比如，學生開展研究的經費，如實驗材料費、論文版面費從哪里來？學生有多大的愿意投入精力，深度參與學術研究？教師的積極性怎么鼓勵？學校、學院要有一套完備的體制機制作保障.

筆者所在學校的做法是，新生入學不久就通過本科生導師制建立師生的直接聯系，讓他們接觸科研.之后再通過申報大學生科研立項、科技競賽來解決研究經費問題.學生有科技創新積分的要求和相應的榮譽獎勵制度，比如獲得保研資格等.同時，指導教師也有績效和榮譽獎勵.總之，學校有配套的政策提供適宜的土壤并發揮導向作用.

4 結語

習近平總書記深刻指出：“基礎研究是整個科學體系的源頭，是所有技術問題的總機關”.大學基礎學科專業課要緊跟時代發展的步伐，課程設計追求高階性、創新性和挑戰度，在培養創新人才方面做出有顯示度的成果.實踐證明，教學過程中按照從實踐到理論，再從理論到創新，即PTI的教學模式能有效提高學生的科研素養.本文討論的教學改革指出了一條可復制、可模仿、可推廣的專業課教學路徑.數理化生等基礎學科的專業課有一定的共性，因此，PTI的教改模式廣泛適用于基礎學科的專業課教學.

研究生教育就是要培養創新型人才，那么，本科生的專業課教改是不是越俎代庖了？當然不是.本科生發表研究論文只是在某個點上取得了研究進展，還不能在某個方向上展開系統的研究，但這種創新能力的培養無疑會提升他們未來的科研潛力.本科生群體的發展是不平衡的，大學培養的結果會呈現從理解、應用到創新的不同層次.為建設一流專業，努力增大創新人群的比重是本科教學追求的目標.

下一步繼續深化教改主要有三個方向：一是加強教學梯隊建設.實踐中作者感受到個人的能力是有天花板的.以2019年為例，作者指導學生發表了7篇論文，已經到達極限.只有發動其他計算物理方向的教師投入到課程論文的指導，才能持續擴大這門專業課的教改成效；二是對于一個學科點，還要推動其他專業課教學的PTI模式改革.學生的興趣不可能都集中到一個方向.如果所學專業課都能將理論結合實踐引導學生深入課題研究，將會從面上提高學生整體的培養質量；三是促進基礎學科之間教學法研究的交流宣傳，為創新型國家的人才培養提供“新理科”的理念和方案.