跨学科X-物理人才培养体系的构建及实践

屈世显?高健智?李贵安

摘 要：本文基于当代物理学特征及对物理人才需求的现状，提出了“X-物理学”概念，建立了物理学与自然科学其他分支、技术科学及社会科学等多学科交叉融合的跨学科X-物理人才培养新体系，以及由传统基础课程、交叉科学概论、物理学核心课程、物理学专门化和交叉学科专门化课程构成的课程体系，构建了“课堂教学+讨论课”、双语课和全英文课等混合教学模式。

关键词：人才培养模式;教学改革;X-物理学;跨学科复合型人才

1998年美国卡内基教学促进会在其发布的《重塑本科教育：美国研究型大学发展蓝图》中提出了整合教育的概念，呼吁重塑大学的教学模式和教育环境，并且提出了改变本科教育的十种有效方法[1，2]。该报告引起了美国研究型大学的高度关注，对美国本科教育改革产生了深远影响，哈佛大学、斯坦福大学、麻省理工学院等100多所研究型大学纷纷回归本科教育， 积极启动本科教学改革[3]。2016年英国政府也发布了《高等教育白皮书》，强调围绕以学生为中心提升教学质量，确保每一个学生都能得到良好的教学体验，且鼓励学生的原创思维，鼓励学科交叉[4]。伴随着国际高等教育改革浪潮，我国高等教育也进入了新一轮质量提升时代。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》要求高校着力培养信念执著、品德优良、知识丰富、本领过硬、高素质、复合型的专门人才和拔尖创新人才，促进文理交融、多学科交叉和融合。2018年全国本科教育工作会议开启了高水平人才培养体系建设的新征程。这一轮高等教育改革伴随着教育观念和教学方式的转变[5-8]，着力强调学生自主学习能力、跨学科能力的培养，并强调人才的整合培养。

物理学科是最重要的基础科学，不但构成了科学的最重要基础，也是技术创新和新技术革命的重要推动力。物理学人才的培养，特别是具有物理背景的应用人才培养显得尤为重要。然而，传统物理学人才培养体系主要是以培养专门从事物理研究的人才为目的。为了更好地适应新世纪社会经济发展对人才的需求，我们必须解放思想、锐意创新，积极开展人才培养模式的创新与变革。

一、跨学科X-物理人才概念的提出

为了积极应对我国经济社会发展对高质量创新性物理学人才的需求，实现人才培养观念的转变，我们提出了X-物理人才的概念。这一概念的提出主要基于以下几个方面：

一是当代物理学的特征以及对于人才培养的新需求。物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动之普遍规律的科学，经历了由经典物理到现代物理的转变，其研究范畴横跨微观尺度的夸克到宇观尺度的星系，已经形成了一个庞大的完整理论体系。物理学的概念、理论和方法已经渗透到各个学科领域。纯粹的尖端物理学研究仅需要极富天赋的顶尖人才，而对于一般物理人才的需求并不十分紧迫。物理学科的多数毕业生并没有进入纯粹的物理学研究领域，而是进入与物理学相关的其他领域，甚至毫无关系的领域，许多人都没有取得和其深厚的物理学和数学基础相匹配的成就。这无疑是人才的巨大浪费！另一方面，少数具有广泛适应能力、善于自觉地将物理学应用于所从事专业的人才却获得了巨大成功。有统计显示，20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学背景。仔细分析这些在非物理领域中获得成功的物理专业人才，他（她）们大多具备深厚的数理基础、广泛的科学兴趣、很强的适应能力、很高的科学素养、很强的创新能力。这一方面佐证了物理学的重要性，另一方面显示了多学科交叉研究的重要性。因此，就有一个非常朴素的问题：为何不在大学和研究生阶段培养跨学科复合型人才？

二是当今自然科学研究、技术科学和社会科学发展的新特征。从整个科学构架上讲，数学是一切科学的工具和语言，属于纯粹的上游科学。物理学则是自然科学的重要基础，有力地推动了自然科学的发展。自1686年牛顿的《自然哲学的数学原理》出版以来，物理学与数学就紧密地联系在一起。物理学与数学的交叉可以说是学科交叉的鼻祖。数学为物理学提供了定量化的工具，更重要的是提供了公理化的范式。反过来，物理学常常为数学提出新的课题，甚至新的概念。物理学和化学的交叉堪称学科交叉融合的典范。物理学和化学在认识物质结构层次上，没有明显的界限。物理化学、化学物理、量子化学是典型的交叉学科。物理学与生物学的相互促进由来已久：电学（1785年）和电生理学（1791年）几乎同时诞生;生物学为物理学启示过能量守恒，而物理学为生物学提供过大量工具，物理学不断地为生物学提供新思想，例如负熵、非周期晶体、热涨落、三联码、生物中的“标度”和“分形”等。物理学与生物学的交叉可以用一个名词“生物物理”来概括。

物理学是科学技术进步的动力，其在工程技术领域的渗透和应用有力地推动了人类进步。力学和热力学的发展推动了第一次工业革命（17世纪），电磁学和电动力学的发展推动了第二次工业革命（19世纪）。进入20世纪以后，物理学更是推动了新一轮技术革命和社会的快速进步，例如原子能的利用、电子计算机技术、激光技术、半导体技术、航空航天技术、纳米技术的出现等。如果用一个名词来概括物理学与技术科学的交叉形成的学科，就是“技术物理”或“工程物理”。

在过去的几十年中，物理学的概念、理论和研究方法已经延伸到社会科学领域，像耗散结构理论、协同学、非线性动力学等物理学理论已经在经济学领域获得了巨大成功。最近，一些新的交叉學科已经形成，例如经济物理、社会物理。

科学技术和经济社会变革的不断加速，对物理学与其他学科的交叉提出了强烈的需求。近现代科技发展史表明，社会需要与科学内在逻辑的交叉点以及不同学科的交叉点便是科学突破的生长点。钱学森指出，交叉科学是指自然科学和社会科学在相互交叉地带生长出来的一系列新生学科。当今科学研究、技术科学和社会科学发展的显著特征就是多学科交叉渗透，而物理学在学科交叉中起到了举足轻重的作用。如果用一个统一的公式（名词）表示与物理学交叉形成的学科，那就是“X-物理学”。

三是学校转型期的新要求。进入21世纪以来，陕西师范大学提出了“建立以教师教育为主要特色的综合性研究型大学”的战略目标，一方面要求加强师范教育，彰显师范特色，另一方面要大力发展非师范教育。非师范专业人才培养体系的建立、发展、提高和完善是实现战略目标的基本保证之一，也是一个全新的挑战。因为物理學是一个重要的基础学科，在许多传统的综合大学都有非常完整的体系，而我校的优势不明显，很难在短期内有所作为，更不要谈超越。所以，我们必须另辟蹊径，走特色发展的道路，于是我们提出了跨学科“X-物理学”人才，即“大物理学”人才的概念。构建了物理学与自然科学其他分支、技术科学及社会科学等多学科交叉融合的跨学科“X-物理学”人才培养体系，旨在培养具有深厚数理基础、多学科交叉理念、创新精神、广泛适应能力和国际化视野的复合型人才。

二、跨学科X-物理人才培养体系的建构

“X-物理学”也即“大物理学”人才理念的核心就是让一部分特别优秀的学生向成就物理学家的方向发展，另外一些学生在奠定深厚物理和数学基础上，涉猎一些交叉课程的接口课程或专门化课程，进行交叉学科的训练，使他们具备从事交叉学科工作的能力。因此，我们以“厚基础、重交叉、促创新、国际化、高素质”的教育理念为引导，提出了以多学科科研训练带动素质教育的策略，以及建立数理为主其他学科为辅的基础课程体系、优化物理学核心课程体系、设立交叉学科的专门化课程模块的课程建设思路，确立了以理论课程体系及实践环节为两个主线，以基础课程、核心课程和专门化课程为三个层次，以学生综合素质与创新能力为核心的人才培养目标的“3-3-1”课程体系方案（见图1）。

理论课建设的指导思想是：第一层次在于浓缩基础物理学内容，强化数学基础，设置通识化专业基础课程和概论课程。第二层次在于优化物理学核心课程内容。第三层次致力于设置物理学和交叉学科专门化课，满足不同兴趣和目标学生的需求。

实践环节建设的指导思想是：第一环节为传统基础物理和近代物理实验，选择设计思想精巧、实验方法典型的实验项目，着重实验的基础知识、基本方法、基本技能的训练。在第二环节，创新性地建设交叉学科实验平台，以学院各专业科研课题为基础，提炼成熟的交叉学科实验，有效整合各专业实验室，构建功能集约、资源优化、开放充分、运作高效的跨专业实验教学平台。第三环节主要是科研实践，完全或部分开放学院科研实验室，开展研究性实验，将科研成果转化为实验教学内容，将科研方法融入实验教学活动，进而促进科研支持实验教学、科研与教学互动、服务人才培养。

新的培养体系必然要求超越传统的理念和教学方法，相应的改革须遵循以下原则：将单纯知识灌输变革为以知识为载体进行能力培

养;在课堂内外更多地加入讨论和辩论的成分，为学生提供提出问题或观点的机会，以及表达、阐述和捍卫观点的能力的培养;加强自主学习能力培养，鼓励学生涉猎更多跨专业知识;加强中外文运用能力的培养，增加双语课甚至全英文授课;贯通交叉科学实验、多学科研究性实验和毕业论文过程，使学生有机会经历比较完整的科研过程，获得科研体验，进一步锻炼创新能立、培养合作精神。

三、跨学科X-物理人才培养体系的实践

在新理念推动下，学院于2011年获批陕西省级“跨学科复合型X-物理学人才培养模式创新实验区”，2012年获批国家“十二五”国家级跨学科X-物理实验教学示范中心和陕西省专业综合改革试点项目。在这些项目的支持下，我们对人才培养体系进行了改革。

1.理论课程体系建设

理论课程体系包括：第一层次为基础课程体系，第二层次为物理学核心课程体系，第三层次为专门化课程体系。

（1）基础课程体系。基础课程体系由传统物理学专业基础课程体系和交叉学科概论课程构成。传统物理学专业基础课程体系将普通物理学科浓缩为“基础物理I-IV”，采用英文原版教材。建成的交叉学科概论课包括化学概论、生物学概论、经济学概论，帮助学生了解这些学科的概况、研究方法，特别是概念和语汇，建立接口。

（2）物理学核心课程体系。物理学专业核心课程体系包括数学物理方法、分析力学、热力学与统计物理学、电动力学、量子力学、固体物理等。这些课程是培养物理专业人才的传统核心课程，是所有学生的必修课程，为后续课程打下坚实的基础。分析力学课程采用Goldstein著的原版教材Classical Mechanics，量子力学课程采用自编英文教材，热力学与统计物理学、量子力学课程采用“课堂主讲+讨论课”的教学模式。

（3）专门化课程体系。专门化课程有物理专门化课程和交叉学科专门化课程组成，已建成的课程如下：

物理专门化课程：高等量子力学，高等统计物理，粒子物理，群论，模拟物理，声学基础，激光原理，量子场论，物理学前沿讲座，科学哲学与物理学史，等等。

交叉学科专门化课程：电介质物理，材料物理，量子化学，非线性动力学导论，神经元兴奋动力学，经济物理，化学物理，超声技术及其应用，声环境概论，MATLAB在物理学中的应用，微机原理，数字电路与实验，单片机原理，等等。

在此专门化课程体系中，学生可按照自己的兴趣和志向，在物理专门化课程和交叉学科专门化课程中选择课程。有志于从事纯物理研究的学生可以重点在物理专门化课程中选课，而愿意在交叉领域拓宽的学生可以重点在交叉学科专门化课程中选课。这些课程的设置旨在奠定学生的跨学科理论知识，破除学科壁垒，实现物理学与相关学科对接，引领学生利用物理学方法解决跨学科学术问题，以活跃学生的学术思想，增加学科交叉意识，提高跨学科创新能力。

2.实践环节建设

实践环节是本课程体系的重要组成部分，以国家级X-物理实验教学示范中心为平台，建设了三个实践环节，第一环节为基础与近代物理实验课程，第二环节为预定交叉学科实验课程，第三环节为科研型实验。

（1）基础和近代物理实验课程。这一环节是传统物理人才的必备环节，学院已有长期的积淀，目前开设了22个力学和热学实验、14个电磁学和光学实验、16个近代物理实验。该环节在于培训学生的基础实验方法和技巧，了解现代物理学的实验方法和技能。

（2）預定交叉学科实验。该环节结合学院科学研究方向，提炼出涵盖材料物理、化学物理、光学材料、环境声学、生物学、非线性科学等交叉领域的13个“预定交叉学科实验”项目。

材料物理实验包括基于异质结型氧化物纳米纤维的气敏传感器特征研究、商用纽扣型锂离子电池组装及其活性材料的原位结构表征、基于新材料的微纳尺度激光的探索实验、材料弛豫时间测量实验等。

化学物理实验包括纳米半导体对有害气体的光催化降解、等离子体化学气相沉积法制备半导体薄膜等。

光学材料实验包括纳米光学全息、氧化物复合材料的光敏-湿敏-气敏特征等。

环境声学实验包括环境噪声测量及声振动分析、声学超材料设计仿真实验研究等。

生物物理实验包括神经元放电行为模拟等。

非线性科学实验包括流行病传播的计算机模拟、螺旋波的斑图动力学等。

该环节旨在进行跨学科领域实验和科研的基本训练，锻炼学生的综合实验能力、团队协作能力、运用物理学的理论和方法进行研究的能力。这部分实验题目来自于学院相关教师的科研课题，是科研促教学的实际体现。

（3）多学科研究型实验。该环节的要义在于鼓励学生综合运用物理学知识与技能，参与科研训练，体会科研过程，激发和培养创新能力的培养。学院建立了专业导师制，学生通过自主选择，以2～3人小组形式进入教授科研实验室进行科研实习，或进行开放性的研究实践。科研实践促使学生初步掌握科学研究的一般步骤和方法，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。在这一过程中，学生可以与教授课题组内的研究生以及博士生进行经常性的讨论和交流，锻炼他们的总结研究成果的能力，表达、阐述和捍卫自己观点的能力，以及合作精神。此外，学生毕业论文的研究题目可以与上述第二或第三环节的训练和研究内容贯通，使学生可以有充分的时间完成一个比较完整和系统的科研题目。

参考文献：

[1] The Boyer Commission on Educating Undergraduates in the Research University. Reinventing Undergraduate Education： A Blueprint for Americas Research Universities[R]. https：//dspace.sunyconnect.suny.edu/handle/1951/26012， 1995.

[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.

[5] 李贵安，赵志鹏，等.国际一流大学课堂教学模式对我国高师院校课堂教学模式创新的启示与实践探索[J].中国大学教学，2011（1）：91-94.

[6] 李贵安，李铁绳，党怀兴.高校教师教育教学能力发展与课堂教学模式创新[J].中国大学教学，2012（6）：26-28.

[7] 李贵安，张宁，等.基于信息化教学的大学翻转课堂教学实践探索研究[J].中国大学教学，2016（11）：61-65.

[8] 李贵安，刘洋，王力.翻转课堂教学模式下高校教师角色定位与课堂创新[J].中国大学教学，2018（5）：69-72.

[责任编辑：夏鲁惠]