时代背景下的基础学科专业课教学模式创新

张鹏　王守宇　吕英波　李延辉　刘芬　孙珲　关成波　丛伟艳

摘  要：当前中国工程师红利已取代人口红利，成为推动中国经济高质量发展的重要力量。与此同时，中国的高等教育正迈入大众化普及教育阶段。要建设创新型国家，我们不仅需要工程师红利，更需要人才红利。这就要求在“双一流”国家战略下，高校的教学改革要兼顾精英教育和大众教育。课程教改往往关注的是课堂教学的形式和内容，以学生为本，这对于教育的普及化十分重要。实践证明，对于基础学科的专业课，从理论学习到知识创新不可能全部在课堂完成。我们还需要将理论有机拓展到第二课堂的学术研究中。同时，合理的师资配置也应该受到重视。

关键词：人才红利;精英教育;大众教育

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：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Abstract： Nowadays， the demographic dividend in China has been replaced by engineer dividend， which becomes an important power to promote economic high-quality development.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、基础学科专业课建设的时代背景

（一）高等教育正进入普及化阶段

2020年3月4日，中国科学技术协会、中国工程院、中国联合国教科文组织全国委员会联合发文称，当前中国工程师红利已取代人口红利，成为推动中国经济高质量发展的重要力量[1]。每年工学类普通本科毕业生超过140万，考虑到还有大量的理学类本科毕业生也会加入到工程师行列，在此背景下，未来新技术新产业的发展有充分的工程师红利，中国经济长期向好的发展趋势不变。这正是在大众教育模式下，中国人才现状的一个缩影。

当代教育家马丁·特罗将高等教育的毛入学率作为衡量一个国家高等教育规模的量化指标。他认为低于15%是精英教育;发展规模在适龄人口15%和50%之间的属大众教育;当超过50%时，称为普及教育[2]。新中国成立后，我国有过很长一段时间的精英教育。1998年，高等教育大规模扩招之后，教育理念逐渐向大众教育过渡。根据教育部最新发布的全国教育事业发展统计公报，2019年中国的高等教育毛入学率突破50%，达51.6%，各类高等教育在学总规模超过4000万人，按照马丁·特罗的标准，我国已迈入高等教育的普及化阶段[3]。

如今，在大学教学改革方面，与大众教育相适应的一个典型实例就是各个高校都在进行慕课、SPOC等线上或线上线下相结合的课程建设。线上教学是互联网时代实现教育普及化的有效方式，尤其是2020年以来，突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情给全世界带来了生活、工作模式的巨大变化，其所波及在学校教育方面就是师生之间物理空间分割的在线教学。据统计，截至4月3日，全国在线开学的普通高校共计1454所，95万余名教师开设94.2万门、713.3万门次在线课程，參加在线课程学习的学生达11.8亿人次[4]。

那么，从国家层面上看，是不是大众化的普及教育就满足要求了呢？

（二）“双一流”国家战略培养的目标人群是精英人才

建设世界一流大学和一流学科即“双一流”建设，作为中国高等教育继“211工程”“985工程”之后的又一国家战略，其建设任务明确指出，要培养“拔尖创新人才”[5]。显然，其对标的目标人群应该是接受精英教育的这部分大学生。习近平总书记在北师大师生座谈会上指出，当今世界的综合国力竞争，说到底是人才竞争，人才越来越成为推动经济社会发展的战略性资源，教育的基础性、先导性、全局性地位和作用更加突显[6]。

2018年6月在教育部召开的新时代中国高校本科教育工作会议上，陈宝生部长提出，对大学生要有效“增负”，要把“水课”转变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”。2019年10月，教育部印发《关于一流本科课程建设的实施意见》，提出了“金课”的具体量化指标，计划三年左右的时间，建成万门左右的国家级和万门左右省级一流本科课程。

因此，作为国家宏观层面的顶层设计，既要有大众教育的科学文化普及，也要为创新型国家培育精英人才。

纵观当今教育发达国家，不同阶段的教育形态往往同时存续。比如牛津、剑桥大学，其教育的作用仍然是为社会各个领域培养领军人物。而美国的社区学院、日本的专修学校则是为大多数人在发达工业化社会中的生活做准备，属于普及性教育。

目前，对于我国大多数高校而言，在追求“双一流”建设目标的过程中，大学教育应兼顾这两个功能。

（三）基础学科专业课建设的时代要求和困境

一个国家的创新能力离不开基础科学研究。全球的许多创新都是从基础研究发展而来。比如，iPhone的触摸屏技术，就是很早以前基础研究的一个成果[7]。中国要建设创新型国家，实现“两个一百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴的中国梦，不仅需要工程师红利，更需要创新型人才红利。因此，不论是基础学科还是应用学科，既要为同班中的本科毕业生培养通用技能，又要把那些准备继续深造者培育成创新型人才。对于基础学科而言，后者的成分更重。因此，基础学科的专业课建设应该能够将大众教育与精英教育融合在一个课堂里，这是处于中上游高校教学改革的时代要求。

然而，如何将看似矛盾的二者融为一体，高校尚缺乏明确的发展战略，也没有清晰的技术路线。从高校的具体实践来看，有的教师专于教学，能充分调动线上线下各种资源，提高教学效果，学生接受程度高。不过他们在学术研究上可能用时不多，因此在引导学生将最新的理论进行创新应用方面缺乏有效手段;另一方面，一个教学单位内各课题组的学术领军人物，科研任务重，不愿在教学上投入过多精力，会利用与他人合讲课程等形式规避教学任务。虽然教育部三令五申，教授必须给本科生上课，然而，这种教、研分流的现象仍普遍存在。从课程建设的角度看，实现科教融合有一个现实的瓶颈。

二、“材料模拟与计算”专业课教学的模式创新

我们是为物理类本科生三年级开设“材料模拟与计算”这门专业课。物理学原本是一门实验科学，后逐渐分为实验物理和理论物理两个研究方向。进入二十一世纪，随着量子力学理论和计算机技术的发展，通过计算机进行实验仿真得到研究对象的宏观物理性质的研究方法即计算物理成为物理学的第三大分支。目前，凝聚态物理领域最为常用的算法是密度泛函理论，不过本科阶段开设这类课程的高校十分鲜见，也没有很适用的教材。我们依据部分参考书，按照学科体系，自编讲义，从2016年开始进行教学改革实践，无论在教学内容和形式、科教融合等方面都有不同于传统教学的改革思路。

（一）第一课堂进行实践-理论-创新的教学模式改革

教学内容上我们没有遵从传统教材的大纲顺序，也没有安排专门的上机实验。现在的大学生一般都有笔记本电脑，学生将计算软件安装在自己的电脑上，带入课堂。开课之初，我们先指导学生学习上机案例，通过自建一个材料模型，进行结构优化和性质计算，再分析数据、讨论结果，完成一个问题研究的全流程操作。几轮实践应用后，学生们体验到了物理原理的现实意义，打消了很多人“学习无用论”的思想。实践使他们体会到知识的力量，然后就有了学习理论原理的动力。这样接下来的理论课教学就能产生事半功倍的效果。

为深化课程实践，开课之初同步布置了课程论文的任务，让学生做好选题，通过贯穿整个学期的实践训练，到结课时要求学生上交一份符合期刊论文格式的研究成果。大三学生基本都有科研立项经历，这时他们在选题、调研等方面已有良好的基础。最终，结合计算物理的研究方法，学生们通过训练，整体上提高了科研素养。有创新点的论文经过修改可投稿发表。在这个模式下，自2017年至今，本科生已发表第一作者SCI论文13篇。总之，课堂教学将理论-应用的传统模式改为实践-理论-创新的贴近实战的教学模式。

在教学形式上，综合运用线上线下各种手段，对学生进行多元评价。我们随堂伴有线上教学视频，同步播放PPT，进行考勤签到、布置作业等。学生课后还可通过回放以消化吸收知识难点。在教学过程中设置抢答奖励分，通过竞争性评价鼓励学生积极思考。教学过程中会提出一些开放性课题与大家讨论，提出某些知识点涉及到的前沿学术问题，引导感兴趣者深入思考。比如讲到晶格振动的理论与计算时，告诉学生冰的两个氢键振动峰至今尚未解释清楚，并把我们的研究进展讲给学生。这个问题吸引了很多学生课后加入到这项研究之中。学术讨论没有局限在一个小的知识点，而是贯穿了整个知识体系，将现实问题联系起来，提高了学生深入学习的兴趣和从事物理职业的未来期望。

同时，教学过程中通过介绍人物、事件背景潜移默化地进行课程思政教育，牢固建立社会主义核心价值观。比如，讲解密度泛函理论的K-S方程时，随堂介绍华人沈吕九的事迹，其中的S就是沈教授。这让大家体会到中国人也同样聪明，能在科技进步中发挥重要的作用。讲数值计算的算法优化时谈到移动互联网5G的进展，指出美国对华为的打压本质上是不容许我国在高科技上出现领跑点。这些案例让学生意识到，国人当自强，只有现在努力学习，将来奋发图强才能为国家的发展贡献智慧。

（二）第二课堂的科研训练是实现创新的重要环节

从理论学习到知識创新不可能全部在课堂上完成。实践课程是大学教育的必备环节，但往往与专业课脱钩。主讲老师要将那些有兴趣的学生组织到课外的学术研究团队中。我们将前沿理论有机拓展到第二课堂，引导学生进入课题研究。在理论课之外，我们通过定期的学术讨论会解决面上的问题，比如学习英语文献，讲解研究背景和技术手段;再通过个别指导加快他们科研成果的产出。尤其在英文论文写作方面，先提供范文，让学生理清思路后模仿写作，再经过老师的指导修改到最后投稿。学生在研究问题时常常会遇到理论落后于实践的困境。我们一以贯之的思想是，人不可能在掌握所有理论后才去解决问题。此时，老师的随时跟进指导十分关键，这才能保证学生持续取得研究进展。

现实中，这方面的教改涉及诸多现实障碍。比如学生开展课题研究的经费哪里来？就这门课而言，只有计算机上的虚拟实验，成本很低，但也要有超算中心的机时费、文章服务费、版面费等大的开支。学校、学院在这方面有一套较完备的体制机制作保障。比如大一新生一入学就通过本科生导师制建立了师生的直接联系。然后通过大学生科研立项解决了学生进行课题研究的经费问题。同时，指导教师也有绩效奖励等等。总之，学校要有配套的政策措施提供保障并进行激励。

（三）为专业课教学配置合适的师资

学生要分类施教，同样，师资也要合理配置。这个视角在教学研究中往往被无视。在一个教学单位，一般有多个学术团队。每个团队中有学术带头人，有二牛，三牛等等和以教学、实验为主的教师。课题组要根据学科发展，为学生开设专业方向课，让那些既活跃在科研一线，科研任务又相对较轻的师资主讲专业课，以便于打通二者的界限。专业课不同于基础课，理论必须跟上学科的发展。就是说，要把学术前沿的理论成果和问题带入课堂。这样的要求对于专门以教学为主的教师就很难承担。实践中，这些师资将精力放在大学物理公共课和专业基础课上比较合适，他们也有更好的条件开展线上线下课程的教学研究。同时，现实条件下，学术带头人肩负科研重任，研究生群体大，很难有精力再去顾及本科生的课程和科研训练。总之，要在一个教学单位内部进行师资的优化配置，把合适的人放在适任的教学岗位，这是解决问题的一个新的维度。

（四）创新型人才培养的实践成果

这门课迄今已进行了四轮的教改实践。上课人数每届平均80多人。近三年学生面上的总体评价，满意度排名在前10名以内。其中2017年，学生评价成绩94.05，排名8/123;2018年，学生评价成绩93.57，排名7/140;2019年，学生评价成绩94.77，排名9/105。学生面上反映说明该课程的接受程度较好，实现了大众教育的目标。在精英教育方面，自2017年开始，部分大学生利用所学计算机模拟方法进行学术研究，截至今日已在校发表第一作者SCI论文13篇，平均影响因子3.202。尤其是2019年，有7篇论文发表，教改成效十分明显。这些优秀学生中已有9人毕业。他们的毕业出口都是到更高的平台深造。其中有两人获得美国普渡大学、加州理工大学洛杉矶分校博士全额奖学金出国留学;其他学生则到北大、中科院物理所、上海交大、中国科大等名校读研。其中有一名学生特别优秀，分别发表文章于期刊Journal of Physical Chemistry C（IF=4.309）和New Journal of Physics （IF=3.773）。这种学生如果早发现、早培养，可促进他们早成才、快成才、成大才。与之对比的是，有一名2015级学生因有多门不及格成绩而延迟毕业。尽管如此，该生立志要出国留学，坚持参加第二课堂的学术讨论。2019年下半年，该生的研究成果发表于期刊ACS Omega （IF=2.584）。由此可见，学生只要有学习的兴趣和动力，经过努力都可以成才。而这个过程中，需要教师的不断启发和持续培养。

在学术科技竞赛方面，学生团队2019年获得全国大学生数学建模一等奖，第十六届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛全国二等奖等好成绩。国际交流方面，有两人次获日本J-PARC国家实验室全额奖学金，分别于2017、2018寒假去访学。一人次获美国UCLA的奖学金，于2019年赴美参加科研夏令营。一人次获加拿大麦吉尔大学夏令营资助，可惜因今年疫情被取消。

同时，在学院的推广下，很多工作在教学科研一线的教师也加入到专业课教改工作中。学院有应用物理学和空间科学与技术两个专业，2017年之前，全院每年本科生在读期间发表SCI论文偶尔有一兩篇，2017、2018、2019年分别是3、7、9篇，呈现大幅的增长。只有动员有条件的教师都积极投入，才能呈现面上开花的局面，使得本科生的培养质量整体提升。

三、结束语

在兼顾精英教育与大众教育的理念下，基础学科专业课的课程设计要追求高阶性、创新性和挑战度，在培养创新型人才方面做出有显示度的成绩;教学过程中要综合运用线上线下各种资源，提高学生对知识的理解和掌握程度。一门“金课”最终应实现将学生中的优秀者培养成未来精英，一般者培养成社会通才的教育目标。基础学科的专业课教学有很多共性，本文的教学模式创新实践迎合了国家宏观层面的制度设计，提供了一条可复制、可借鉴、可推广的操作路径。

参考文献：

[1]中国新闻网.中国工程师红利已取代人口红利 成为经济发展重要力量[EB/OL].（2020-03-04）[2020-06-05].http：//www.chinanews.com/gn/2020/03-04/9113712.shtml.

[2]史朝.高等教育发展的整体思路——评马丁·特罗的高等教育发展阶段理论[J].高等教育研究，1999（04）：95-99.

[3]教育部.2019年全国教育事业发展统计公报[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.教育部将启动高校在线教学英文版国际平台建设项目[EB/OL].（2020-04-10）[2020-06-05].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/202004/t20200410_442294.html.

[5]中国政府网.国务院关于印发统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案的通知[EB/OL].（2015-11-05）[2020-06-05].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-11/05/content_10269.htm.

[6]中国新闻网.习近平同北京师范大学师生代表座谈时的讲话[EB/OL].（2014-09-09）[2020-06-05].http：//www.chinanews.com/gn/2014/09-10/6575002.shtml.

[7]光明网.基础研究是国家创新的源泉——访汤森路透中国区总裁刘煜[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.

*基金项目：山东省教育厅2018本科教改重点项目“物理专业大学生围绕专业课进行科研训练模式创新研究”（编号：Z2018B110）;山东大学（威海）2019校级教改重点项目“基础学科创新人才培养模式研究”（编号：Z2019010）的研究成果之一

作者简介：张鹏（1971-），男，汉族，山东淄博人，博士，教授，研究方向：凝聚态物理。