“專業課+科研訓練”科教融合教學模式改革實踐

摘 要：為提高物理類本科生的研究型創新能力，該文以大三理論課材料模擬與計算為抓手，采用“專業課+科研訓練”的教學新模式。先讓學生掌握利用模擬方法進行學術研究的典型案例，再去學習理論原理；同時布置課程論文大作業，要求學生課后開展選題研究，通過課上課下的密切互動，實現高效的科教融合。實踐證明，這種模式能快速提升學生的學術研究能力。在該模式推廣下，作者所在學院的本科生SCI論文發表數占年級學生數的比例在2023年已超過10%。學生們帶著研究成果參加科技競賽，也取得豐碩的成果。以參加兩年一屆的“挑戰杯”學術作品賽道為例，自2019年以來已獲得全國一等獎一項，全國二等獎兩項。該文探討教改的具體舉措，為基礎學科的拔尖創新人才培養提供新思路。

關鍵詞：物理；專業課；科教融合；拔尖創新人才；基礎學科

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）32-0140-04

Abstract： In order to improve the research-oriented innovation ability ofundergraduatesmajored in physics， this paper takes "Material simulation and calculation" as the starting point and adopts a new method of "specialized courses + scientific research training". First， students are allowed to master typical cases of academic research using simulation methods， and then learn theoretical principles. At the same time， course papers are assigned， requiring students to carry out research after class. Practice has proved that this model can quickly improve the students'academic research ability. Under the promotion of this model， the number of students' SCI papers in my college accounted for more than 10% of the total grade students in 2023. Students took their research results to participate in science and technology competitions and achieved fruitful results. Taking participation in the biennial "Challenge Cup"competition as an example， it has won one national first prize and two national second prizes since 2019. This paper discusses the concrete measures of teaching reform and provides new ideas for the cultivation of top-notch innovative talents in basic disciplines.

Keywords： physics; speciallized course; integration of science andeducation; top-notch innovative personnel; basic disciplines

基金項目：山東大學（威海）教學研究與教學改革重點項目“科教融合下的創新人才培養模式研究”（Z2022006）、“教育評價改革背景下高校本科生導師制的實踐路徑及保障機制研究”（Z2022007）

第一作者簡介：王守宇（1978-），男，漢族，遼寧沈陽人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為核物理與核技術。

*通信作者：張鵬（1971-），男，漢族，山東淄博人，博士，教授，碩士研究生導師。研究方向為凝聚態物理。

近年來，山東大學空間科學與物理學院（以下簡稱“我院”）推行本科生導師四年制改革，倡導以“專業課+科研訓練”為抓手進行專業課學習、科研立項、學科競賽和本科畢業設計的有機結合。本文以物理專業課材料模擬與計算為例，討論了具體的教改實踐和反思，希望能在基礎學科的拔尖創新人才培養方面探索出一條全新的路徑。

一 課程背景與改革思路

（一） 基礎學科專業課要解決的重點問題

目前大學的課程體系可分為基礎課、專業基礎課和專業課。其中專業課是基本原理在某個領域的應用，如物理類專業課半導體物理、磁學等，是知識創新的主要源泉[1]。從大學理論課教學的角度看，要實現拔尖創新人才的培養，重心在專業課教學。基礎學科的專業課教學最大的問題在于理論與實踐相脫節，學生不知道如何應用理論原理去解決實際問題。這固然與基礎學科的理論性強，本科生的能力有限相關；另一方面，也與教學理念落后于時代發展有很大關系[2]。

（二） 課程發展歷程和總體改革思路

1998年，數值計算科學家科恩因提出密度泛函理論，成功地利用計算機迭代方法解決了多電子體系下，從薛定諤方程出發求解物質結構和性質的難題而獲得諾貝爾獎。進入21世紀以后，隨著計算機軟、硬件的更新迭代，計算物理發展迅猛，已成為與理論物理、實驗物理并列的物理學三大研究支柱之一[3]。然而，目前國內高校的物理學專業很少在本科生階段開設這類課程。我院于2007年為物理類本科大三學生開設了專業課選修課材料模擬與計算。由于沒有合適的教材，教學理念還停留在概括講解基本原理的傳統思路上，學生的學習興趣不大，教學效果較差，更沒有學生能利用所學原理和方法發表研究論文。2016年筆者主講這門課后，該課程調整為專業必修課。于是從新編大綱入手，以研究案例引導學生興趣，并逐步探索出“專業課+科研訓練”的綜合模式。課外以學生的本科導師身份進行科研指導，經過多輪的迭代升級，學生的研究型創新能力提升明顯，在發表論文、參加科技競賽等可量化指標方面均取得了較高顯示度的成績。

二 以問題為導向的綜合方案

（一） 新的教學大綱和培養目標

這門課的教學改革首先確立了以提升大學生研究型創新能力為核心的宗旨。教學模式上按照成人學習規律，先進行案例學習，在實踐中掌握研究問題的方法，再從課堂上夯實理論基礎，最后回到實踐產出學術成果。新編教學大綱以晶體材料的研究為主線，在掌握了一些典型的計算機模擬案例后，再學理論部分，從量子力學到密度泛函理論，最后是固體能帶論和晶格振動理論。在自編講義的基礎上，經過五輪的教學實踐，由張鵬、關成波編著的教材于2021年正式出版。教材出版后，很快引起了關注，被多所高校所采用。

這門課程新確立的培養目標，主要特色體現在對能力的要求上，分兩個層次：低階目標要求學生能應用計算機模擬方法解釋和預測物質的結構與性質，這是基本要求；高階目標要求學生能在新理論、新材料和新應用等方面做出創新成果，培養成為拔尖人才[4]。筆者圍繞著這個目標不斷地更新迭代教學模式，以期持續提高創新人才在學生群體中的產出比例。

（二） 教改實施方案

1 課程教學

為激發學生們的學習興趣，體會應用物理原理解決實際問題的具體方案。課堂教學上設計了“實踐—理論—創新”的教學順序。開課之初，先上實踐課，熟悉模擬電子能帶、紅外振動譜、界面與吸附等物理問題和計算參數測試等方法和流程。之后，學生帶著問題去聽理論原理，學習效果明顯提高。案例學習的同時，就給學生們布置了利用本課程的理論和方法去研究物質結構和性質的大作業，讓學生通過課后的科研訓練，最終提交一篇完整的課程論文。雖然教學時間軸是實踐—理論—創新，但其中的理論課和科研訓練是并行進展的。實踐中發現，有些學生存在抄襲現象，為提高論文質量，并防止作弊，后來又增加了論文答辯環節。通過讓學生做報告，既扎實訓練了實踐能力，又能通過老師的指導進行改進。這一手段效果很好，學生的課程論文質量明顯提升。創新點較好的學生選題在課程結束后，老師還會繼續跟進，爭取讓學生最終發表到學術期刊上。

理論課教學有三個特色：第一是注重學生知識體系的構建。研究一個問題盡可能多地關聯其他知識點，在學生頭腦中建立一個彼此聯系的物理圖像；二是充分利用現代科技手段，提高教學效果。比如讓學生自帶筆記本電腦隨堂進行案例學習，一邊上手操作，一邊學習理論原理。還通過智慧教室將教學視頻投送到學生端遠程上課，也可看回放復習；三是師生互動有激勵措施。講課過程中隨機提出有挑戰度的問題，通過設置搶答分，調動學生積極思考。

2 科研訓練

僅靠課堂教學來培養學生的創新能力是不夠的，在學院本科生導師制的支撐下，課外組建了由專業教師指導的多支學生科研團隊。筆者常年指導著一支20人左右的本科生科研團隊，指導他們利用計算物理的方法開展學術研究。指導本科生發一篇論文，從選題開始，經歷文獻調研、計算機建模、結構優化和性質計算，到后期的數據處理與分析，作圖與寫作，再到投稿與發表，這個過程最快需要半年，長則兩年左右，對每一名本科生都是一對一的指導，僅修改論文草稿就要反復十多遍。筆者曾經在2019年指導學生發表了7篇論文，感覺已經達到了個人能力的極限。為了滿足更多學生的需求，筆者就發動物理專業的教師們協助指導，用計算物理的方法去研究他們領域的問題。思路拓展后，效果立竿見影。比如有位教師指導學生利用第一性原理密度泛函理論計算機模擬，已先后發表了8篇關于鈣鈦礦材料的學術論文，并獲得了第十七屆“挑戰杯”全國二等獎。從一門課的教學上看，在專業課教師科教融合帶動下，發動多位教師協助指導科研訓練，能有效擴寬學生的受益面。

學生因為有論文發表，會在出國留學、保研等個人發展中受益。成功者的案例在本科生中也產生了轟動效應，形成良性循環，帶動越來越多的后來者參與到科研訓練之中。經過與所學理論密切相關的科研實踐，也夯實了學生們將來繼續深造的科研潛力。

3 學生成績綜合評價

經過多輪迭代，從學生的勤奮程度、理解能力、創新能力等多個角度，進行動態的、全過程的評價。平時成績占50%。其中有20分的作業分，主要考查學生勤奮程度，一般學生都能拿滿分。課堂活躍度10分，這10分主要是教學過程中的搶答分，第一個答對問題的同學一次計2分，每人10分封頂，其他情況比如提出好問題等也可以獲得成績，這是對挑戰度的考查，實踐中，好學生能想辦法拿滿，聽課不積極的學生可能會一分沒有。課程論文答辯和書面報告各10分，以課程論文投稿送審為滿分，這是課程高階性和創新性的體現。期末考試成績占50%。總體而言，考核體系中，平時成績和期末考試權重相當。平時成績不再像過去那樣，學生稍微努力一下就可以全拿。而沒有平時成績的學生，寄希望于期末考試一次性通過也變得不再現實。這種考核評價體系，既照顧了一般學生，也給拔尖人才的脫穎而出提供了舞臺，激勵著有追求的學生不斷進取。

三 改革成效與反思

（一） 學生課程論文質量高

為學以致用，讓學生利用計算物理的方法去研究凝聚態物理領域的問題，以課程論文的形式要求學生結課時上交一篇符合論文要求的研究報告。學生選題主要源于他們本科生導師的課題，科研立項課題，其他專業課、實驗課上了解到的信息，或者調研的自己感興趣的材料。以2021年度的課程論文作業為例，2017級應用物理學專業學生的選題主要集中在半導體材料（35%）、無機材料（29%）、有機大分子（15%）等，研究方向集中在材料摻雜后的電子能帶結構，薄膜材料的界面與吸附，無機材料、藥物分子的振動譜解析等等。我院實行四年全過程的本科生導師制，每位入學新生都會通過雙向選擇接受一位本科生導師的科研指導，大二還可以自由調換。這樣的成長背景下，大多數學生都有科研經歷。因此，他們到了大三的第二學期，有能力自主選擇一個前沿課題，利用計算機模擬的方法開展研究。

自2017年至2023年，應用物理學專業本科生已發表了42篇SCI期刊論文。材料模擬與計算課程負責人作為通信作者指導了其中的28篇，平均影響因子3.625，其他物理專業教師協助指導了14篇。教改模式推廣到其他專業課教師，應用到全院的本科生教學效果明顯。2023年度，學院本科生共發表SCI期刊論文16篇。一個年級約140名本科生，發表論文數與年級學生數的比例超過了10%。

學生的研究型創新能力提升明顯。以2015級趙同學為例。他平時成績不好，因多門課程不及格被延遲一年畢業。在學習了這門課后，他對科研產生了興趣。經過不懈的努力，他的研究成果在2019年發表于期刊ACS Omega[5]，畢業后申請到美國波士頓大學的offer，赴美留學。2017級朱同學，對學術研究有濃厚的興趣。課程負責人是其本科生導師，從一入學就指導他的科研訓練。朱同學進步很快，在校期間以第一作者發表論文2篇[6-7]，第二作者8篇，合作6篇，本科畢業后到上海交通大學李政道研究所繼續讀博。可見，該教學模式不僅激發了學生的學習熱情，也為他們繼續深造搭建了階梯。圖1統計了應用物理學專業學生7年來的論文發表情況。由圖可見，在經歷了2017、2018兩年的初步探索后，科教融合模式下，學生論文發表數增長很快。其中，2020和2022兩年受疫情的影響有所波動。

（二） 學生科創競賽成果大

學生們帶著論文成果參加科創競賽也取得了優異的成績。以參加“挑戰杯”學術作品賽道的競賽為例：2016級姜同學帶領團隊獲2019年第十六屆“挑戰杯”全國二等獎；2017級朱同學和2018級于同學帶領兩支團隊分別獲2022年第十七屆“挑戰杯”全國一等獎和全國二等獎；2020級郭同學帶領的團隊獲2023年第十八屆“挑戰杯”山東省一等獎；等等。

“挑戰杯”大學生學術科技作品競賽是所有專業都有機會參加的綜合賽事，每兩年舉辦一屆，被稱為大學生科技競賽的奧林匹克[8-9]。“挑戰杯”實行三級賽制，通過校賽和省賽兩級選拔，最后獲得參加國賽資格的名額，一所高校最多限6項。通過專業課材料模擬與計算科教融合培養模式，學生們能在導師指導下，就某個課題方向，同時發表系列研究論文，也因此能夠匯總成為一個較好的研究成果去參賽。2022年，在第十七屆“挑戰杯”國賽上，由兩位物理老師分別指導的兩支學生團隊共16人同時闖進了決賽，獲得全國一等獎和全國二等獎各一項。這充分說明大學生的創新能力走在了國內高校的前列。

（三） 模式推廣應用效果好

在學院的推廣下，其他專業課教師參照該模式，2017年以來指導本科生在空間科學、核物理等方向發表SCI論文23篇。有位主講恒星物理的老師，課外指導空間科學與技術專業本科生發表恒星光譜學方向論文9篇，其指導的學生團隊也在第十八屆“挑戰杯”競賽中獲得了山東省二等獎的好成績。通過科教融合模式，指導本科生發表論文的教師數已達19人。

新編教材《材料模擬與計算》于2021年出版后，很快引起了同行的注意，被多所高校所采用，兩年來已發行1 280余冊。課程負責人還通過在中國物理學會秋季年會等重要的學術交流會議上匯報改革思路和成果進行推廣，也曾受邀到數學與統計學院等基礎學科兄弟院系做報告，交流做法。數、理、化和生等基礎學科的學生培養有一定的共性，比如學生創新能力主要體現在發表學術論文上。因此認為將專業課教學與科研訓練密切融合的培養方法具備推廣應用的良好條件。

四 結束語

作為一門實踐性很強的專業課，材料模擬與計算的教材內容緊跟物理學研究的發展前沿，通過“專業課+科研訓練”的科教密切融合培養模式，在有軟件授權和超算中心的支持下，使學生有條件進行科研級的學術研究，并將優秀成果發表到學術期刊。大多數學生的論文發表于在校學習期間，個別學生甚至能在大學二年級就發表論文，此時的“科研訓練”已經走到了“專業課”的前面。這說明，提供適合的土壤，可以讓有潛質的學生早成才、快成才，將來成大才。如何建造適宜于拔尖人才成長的土壤，正是教育工作者孜孜以求的目標。

實踐中，要解決的瓶頸問題主要是：①人的精力有限，科研訓練的輔導需要多人參與，以盡可能多地覆蓋到有興趣的學生。學生面上全覆蓋的本科生導師制為這一問題的解決提供了條件。②制度要設計好，不能杜絕作弊，則將流于形式。實踐發現，沒有答辯環節，學生很容易抄襲一篇中英互譯的文獻來充數，而查重是難以發現的。這也提示在學生本科階段就要做科研規范和誠信教育，可通過課程思政的設計來解決[10]。③學生理想各異，興趣也不會局限于一門專業課。因此要把教學模式推廣到其他專業課，這樣才能使得學生培養的整體質量獲得提升。這需要有更多的教師愿意做本科生導師，勇于走出傳統教學的路徑依賴，進行創新教學模式的改革實踐。④只要求老師付出情懷也是不現實的。管理者要進行頂層設計，進行政策引導。輔導學生的科研訓練不僅僅需要投入時間精力，還要有一定的物質條件。比如實驗類課題需要購買樣品，進行制備和測試；模擬計算需要支付機時費；發表論文會有版面費等支出；指導科技競賽更需要經費支持。實踐證明，通過本科生申報科研立項是不能解決問題的。通過一定的保障機制和獎勵機制是切實可行的辦法。

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