张 鹏

(山东大学 空间科学与物理学院，山东 威海 264209)

1 专业课是培养创新人才的主要源泉

布鲁姆将人对事务的认知分为记忆、理解、应用、分析、评价、创造六大层级[1].从大学教育的角度来看，可将大学生对知识的掌握简化为三个层次：第一个层次是理解，即学生明白了为什么1+1=2，效果是拓宽了学生的知识面，大学为社会培养了通用人才.这样的人才能适应当代的文明生活，从容面对各种挑战；第二个层次是应用，是在掌握原理的基础上，学生能通过自己的计算得出2+2=4，具备了知识应用能力.从理工科的角度看，大学为社会培养了工程师.这样的人才能在既有的基础上，继续建造文明生活，创造财富；第三个层次是创新.这时，他们能融会贯通既有的知识，创造新知识.无论是制作新材料、新生态，还是发现新理论、新应用，都是一个从无到有的原始创新成果.大学为社会培养了精英人才，能引领社会的进步，提升文明水平.这样的人才聚集多了，才能建成创新型国家.显然，要实现中华民族的伟大复兴，需要大力培养创新型人才[2].对于大多数高校而言，这正是双一流建设的主要目标[3].

大学的知识体系是个逐步递进的过程.以物理专业为例，大学生首先要学习基础课，如高等数学，这是建立物质间联系的逻辑基础；之后是专业基础课，如量子力学，这是理解物质结构和性质的理论基础；最后是专业课，是理论在某个领域的应用，如半导体物理、计算物理等专业方向的理论和方法.专业课是知识创新的源泉.从大学理论课教学的角度来看，要实现创新人才的培养重心在专业课教学.

2 以成果为导向的PTI模式改革

大学综合各种要素培养创新型人才，这是学科建设的首要任务，需要有宏观的管理体制改革.国家层面有“六卓越一拔尖”等顶层设计[4]，各大学也都有双一流建设的实施规划.那么，对于一门专业课教学，有没有一个具体微观的可操作路径呢？实践发现，通过综合施策，也可以在专业课教学过程中，实现学生创新能力的提升.笔者自2017年对“材料模拟与计算”这门课进行教学改革，目前，学生已利用所学理论发表SCI论文14篇，平均影响因子3.580.基础学科的学生，发表学术研究论文正是其创新能力的体现.笔者对这门课的教改实践有如下两个核心要点.

2.1 实践-理论-创新的教学进程设计

马克思在关于实践与认识的辩证关系中指出，实践是认识的基础，也是认识的目的.这个哲学原理应用于大学教育就是，知识学习也要有一个从实践中来再到实践中去的升华过程.对于这门专业课的教学设计，总结为“实践-理论-创新”，简称PTI教学模式.对于学生而言，是一个从培养兴趣到学习原理再到产出成果的逐步深化的培养过程.见图1.

图1 PTI教学模式关系图

开课伊始，笔者没有按先理论后应用的教学模式，而是直接通过上机案例指导学生进行材料的建模和计算，之后通过分析数据，讨论一个研究对象的结构和性质.经过几轮的计算机模拟案例，学生们认识到这门专业课打通了从理论到应用之路，能利用所学知识解决实际问题.实践使学生们体会到了知识的力量，然后就有了学习理论原理的动力.

与此同时，笔者要求学生自主调研，找到一个研究课题，利用一个教学周期的时间进行理论模拟研究，到期末完成计算和分析，按照期刊论文的格式上交一篇课程论文.大三的学生已学过多门专业课，比如半导体物理、薄膜材料等.他们也大都有科研立项、科技竞赛经历，能选择一个有意义的课题，利用本课程所学计算机模拟方法开展研究.这样，学生们一边学习原理，一边进行自己的研究，实践与理论相互交融于整个学期，提高了学生科学素养和创新能力.课程论文中那些有较好创新点的研究，经进一步指导后，可以投稿到SCI期刊发表.图1给出的流程图表明了PTI模式的逐步深化过程.对于每一个学生而言，第三步是贯穿于整个教学周期的，并可以延续到大学毕业，让专业真正成为学生的专长.

举例为证.2019年春季课程期间，有两个学生利用第一性原理密度泛函理论模拟了冰II、XV相的原子分子振动，研究了振动谱和振动模式的关系，对远红外区的氢键振动有了新的发现和理论认识.老师认为这些研究有一定的学术价值，指导学生利用暑假进一步深入探讨，最终将研究成果投稿到期刊Molecules，并很快于8月底在线发表[5,6].这两个案例表明，从实践训练到理论学习，再到创新应用的升华过程，以大学生发表期刊论文为标志，最快半年的时间就可以实现.

2.2 将理论课有机拓展到第二课堂的科研训练

围绕专业课，笔者在课后组建了一个大学生科研训练团队.通过定期的学术讨论会，解决面上的共性问题，比如学习英语文献，进行数据分析，讲解技术手段等；再通过一对一的指导加快科研成果的产出.尤其在英文论文写作方面，老师要提供范文，让学生在完成建模计算、数据处理和分析作图后，进行模仿写作.学生在研究问题时都会遇到理论落后于实践的困境.此时老师要及时指导，才能保证学生持续取得研究进展.

本科生实行导师制，或者学生在老师指导下参加科技竞赛等学术活动在高校中已经是常见做法，因此，学生有机会参与导师科研团队的课题组讨论.笔者组建学生科研训练团队的鲜明特点是与课程论文等学生个人课题紧密结合.这样，本科生已经不仅仅是一个旁听生的角色，而是一个个的科研参与者.他们带着自己的研究问题参加学术讨论，获得指导，不断取得科研进展.

同时需指出的是，该团队并非只有大三学生组成，还包括了所有途径参与进来的各个年级的学生.每年老生毕业、新生加入，团队向前滚动发展.有些特别出众的学生，从大一就表现出强烈的研究兴趣.这类学生通过积极介入团队的学术活动，很快会有自己的科研产出.例如2017级有位本科生，2018年就通过自己的努力完成了课题研究，其成果于2019年发表于中信所二区期刊New Journal of Physics[7].2020年，该生又在二区期刊Journal of Physical Chemistry C上发表新文章[8]，并作为核心队员参加第十六届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛，获全国二等奖.这样的学生如果早发现、早培养，可以促进他们早成才、快成才，将来成为国家栋梁之才.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.该生立志要出国留学，有强烈的意愿发表论文.2019年年末，其研究成果发表于期刊ACS Omega[9].可见，学生只要有学习的兴趣和动力，经过培养都有可能成才.

2.3 教改前后成效对比

山东大学空间科学与物理学院自2007年为物理专业大三学生开设“材料模拟与计算”这门课.起初设为选修课，教学效果不理想，甚至2013年未开课.笔者从2016年开始主讲这门课，在按照传统模式讲授一轮后，发现问题很多，主要有三点：一是依靠单一教材，教学内容陈旧，并且有很多量化计算的内容不适合物理类学生；二是教学方法传统，满堂灌讲理论，学生听课效果不好；三是泛泛地讲了很多概念，缺少解决实际问题的实例，学生感觉不到这门专业课能解决实际问题，听课兴趣下降.2017年开始进行教学模式改革，结合科研实践选择了六个有代表性的案例，并综合多本教材和专著，自编讲义，以晶材材料的研究为主线，重设教学大纲.在采取了以上两个主要的步骤后，改革成效显著.如表1所示，从学生评分来看，教改前平均得分89.72，教改后是93.42.教改前没有学生依据所学理论发表研究论文.教改后，截至目前，学生已发表计算凝聚态物理领域第一作者SCI论文14篇.

表1 教改前后学生评教和发表文章数据

表2列出了学生入学时间、发表论文时间、期刊、影响因子和毕业去向.从中可见，论文都是本科生在校期间发表的.基于本科期间培养了良好的科研潜力，有两名获美国名校的博士全额奖学金留学，其余大都去了国内更好的平台继续深造.

表2 学生发表论文与毕业去向列表

3 综合施策保证创新人才培养的成效

教学改革关注的热点往往是MOOC、SPOC等线上或线上线下相结合的教学模式.这些新的教学理念和方法，本文讨论的教学改革也同样适用，但不是本文讨论的重点.从理论学习到知识创新不可能全部在课堂上完成.为培养创新型人才，笔者提出了PTI教学模式和课后科研训练相结合的综合方案.教学实践中，还需要具备如下一些要素.

3.1 教学团队应具备与专业课相关的科研能力

一个教学单位，会根据学科发展和科研实力，为学生开设专业方向课，并让那些活跃在科研一线的教师做主讲.专业课不同于基础课，其理论必须紧跟学科的发展，就是说，要把学术前沿的理论和问题带入课堂.这样的要求对于以教学为主的教师就很难承担.这些师资将精力放在基础课和专业基础课上比较合适.同时，现实条件下，学术带头人肩负科研重任，研究生群体大，没有精力再去组织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，教学团队要有能力在完成专业课理论教学的同时，指导学生在该领域展开科学研究.其实践部分可以是教学案例，也包括到实验室制备和测试样品.

3.2 学校要有相适应的配套制度

实践中，教改会涉及诸多现实问题，比如，学生开展研究的经费，如实验材料费、论文版面费从哪里来？学生有多大的愿意投入精力，深度参与学术研究？教师的积极性怎么鼓励？学校、学院要有一套完备的体制机制作保障.

笔者所在学校的做法是，新生入学不久就通过本科生导师制建立师生的直接联系，让他们接触科研.之后再通过申报大学生科研立项、科技竞赛来解决研究经费问题.学生有科技创新积分的要求和相应的荣誉奖励制度，比如获得保研资格等.同时，指导教师也有绩效和荣誉奖励.总之，学校有配套的政策提供适宜的土壤并发挥导向作用.

4 结语

习近平总书记深刻指出：“基础研究是整个科学体系的源头，是所有技术问题的总机关”.大学基础学科专业课要紧跟时代发展的步伐，课程设计追求高阶性、创新性和挑战度，在培养创新人才方面做出有显示度的成果.实践证明，教学过程中按照从实践到理论，再从理论到创新，即PTI的教学模式能有效提高学生的科研素养.本文讨论的教学改革指出了一条可复制、可模仿、可推广的专业课教学路径.数理化生等基础学科的专业课有一定的共性，因此，PTI的教改模式广泛适用于基础学科的专业课教学.

研究生教育就是要培养创新型人才，那么，本科生的专业课教改是不是越俎代庖了？当然不是.本科生发表研究论文只是在某个点上取得了研究进展，还不能在某个方向上展开系统的研究，但这种创新能力的培养无疑会提升他们未来的科研潜力.本科生群体的发展是不平衡的，大学培养的结果会呈现从理解、应用到创新的不同层次.为建设一流专业，努力增大创新人群的比重是本科教学追求的目标.

下一步继续深化教改主要有三个方向：一是加强教学梯队建设.实践中作者感受到个人的能力是有天花板的.以2019年为例，作者指导学生发表了7篇论文，已经到达极限.只有发动其他计算物理方向的教师投入到课程论文的指导，才能持续扩大这门专业课的教改成效；二是对于一个学科点，还要推动其他专业课教学的PTI模式改革.学生的兴趣不可能都集中到一个方向.如果所学专业课都能将理论结合实践引导学生深入课题研究，将会从面上提高学生整体的培养质量；三是促进基础学科之间教学法研究的交流宣传，为创新型国家的人才培养提供“新理科”的理念和方案.