跨學(xué)科X-物理人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建及實踐

屈世顯?高健智?李貴安

摘 要：本文基于當(dāng)代物理學(xué)特征及對物理人才需求的現(xiàn)狀，提出了“X-物理學(xué)”概念，建立了物理學(xué)與自然科學(xué)其他分支、技術(shù)科學(xué)及社會科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的跨學(xué)科X-物理人才培養(yǎng)新體系，以及由傳統(tǒng)基礎(chǔ)課程、交叉科學(xué)概論、物理學(xué)核心課程、物理學(xué)專門化和交叉學(xué)科專門化課程構(gòu)成的課程體系，構(gòu)建了“課堂教學(xué)+討論課”、雙語課和全英文課等混合教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：人才培養(yǎng)模式;教學(xué)改革;X-物理學(xué);跨學(xué)科復(fù)合型人才

1998年美國卡內(nèi)基教學(xué)促進(jìn)會在其發(fā)布的《重塑本科教育：美國研究型大學(xué)發(fā)展藍(lán)圖》中提出了整合教育的概念，呼吁重塑大學(xué)的教學(xué)模式和教育環(huán)境，并且提出了改變本科教育的十種有效方法[1，2]。該報告引起了美國研究型大學(xué)的高度關(guān)注，對美國本科教育改革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，哈佛大學(xué)、斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院等100多所研究型大學(xué)紛紛回歸本科教育， 積極啟動本科教學(xué)改革[3]。2016年英國政府也發(fā)布了《高等教育白皮書》，強(qiáng)調(diào)圍繞以學(xué)生為中心提升教學(xué)質(zhì)量，確保每一個學(xué)生都能得到良好的教學(xué)體驗，且鼓勵學(xué)生的原創(chuàng)思維，鼓勵學(xué)科交叉[4]。伴隨著國際高等教育改革浪潮，我國高等教育也進(jìn)入了新一輪質(zhì)量提升時代?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》要求高校著力培養(yǎng)信念執(zhí)著、品德優(yōu)良、知識豐富、本領(lǐng)過硬、高素質(zhì)、復(fù)合型的專門人才和拔尖創(chuàng)新人才，促進(jìn)文理交融、多學(xué)科交叉和融合。2018年全國本科教育工作會議開啟了高水平人才培養(yǎng)體系建設(shè)的新征程。這一輪高等教育改革伴隨著教育觀念和教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變[5-8]，著力強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、跨學(xué)科能力的培養(yǎng)，并強(qiáng)調(diào)人才的整合培養(yǎng)。

物理學(xué)科是最重要的基礎(chǔ)科學(xué)，不但構(gòu)成了科學(xué)的最重要基礎(chǔ)，也是技術(shù)創(chuàng)新和新技術(shù)革命的重要推動力。物理學(xué)人才的培養(yǎng)，特別是具有物理背景的應(yīng)用人才培養(yǎng)顯得尤為重要。然而，傳統(tǒng)物理學(xué)人才培養(yǎng)體系主要是以培養(yǎng)專門從事物理研究的人才為目的。為了更好地適應(yīng)新世紀(jì)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對人才的需求，我們必須解放思想、銳意創(chuàng)新，積極開展人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新與變革。

一、跨學(xué)科X-物理人才概念的提出

為了積極應(yīng)對我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對高質(zhì)量創(chuàng)新性物理學(xué)人才的需求，實現(xiàn)人才培養(yǎng)觀念的轉(zhuǎn)變，我們提出了X-物理人才的概念。這一概念的提出主要基于以下幾個方面：

一是當(dāng)代物理學(xué)的特征以及對于人才培養(yǎng)的新需求。物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運動之普遍規(guī)律的科學(xué)，經(jīng)歷了由經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理的轉(zhuǎn)變，其研究范疇橫跨微觀尺度的夸克到宇觀尺度的星系，已經(jīng)形成了一個龐大的完整理論體系。物理學(xué)的概念、理論和方法已經(jīng)滲透到各個學(xué)科領(lǐng)域。純粹的尖端物理學(xué)研究僅需要極富天賦的頂尖人才，而對于一般物理人才的需求并不十分緊迫。物理學(xué)科的多數(shù)畢業(yè)生并沒有進(jìn)入純粹的物理學(xué)研究領(lǐng)域，而是進(jìn)入與物理學(xué)相關(guān)的其他領(lǐng)域，甚至毫無關(guān)系的領(lǐng)域，許多人都沒有取得和其深厚的物理學(xué)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相匹配的成就。這無疑是人才的巨大浪費！另一方面，少數(shù)具有廣泛適應(yīng)能力、善于自覺地將物理學(xué)應(yīng)用于所從事專業(yè)的人才卻獲得了巨大成功。有統(tǒng)計顯示，20世紀(jì)中葉以來，在諾貝爾化學(xué)獎、生物及醫(yī)學(xué)獎，甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)獎的獲獎?wù)咧?，有一半以上的人具有物理學(xué)背景。仔細(xì)分析這些在非物理領(lǐng)域中獲得成功的物理專業(yè)人才，他（她）們大多具備深厚的數(shù)理基礎(chǔ)、廣泛的科學(xué)興趣、很強(qiáng)的適應(yīng)能力、很高的科學(xué)素養(yǎng)、很強(qiáng)的創(chuàng)新能力。這一方面佐證了物理學(xué)的重要性，另一方面顯示了多學(xué)科交叉研究的重要性。因此，就有一個非常樸素的問題：為何不在大學(xué)和研究生階段培養(yǎng)跨學(xué)科復(fù)合型人才？

二是當(dāng)今自然科學(xué)研究、技術(shù)科學(xué)和社會科學(xué)發(fā)展的新特征。從整個科學(xué)構(gòu)架上講，數(shù)學(xué)是一切科學(xué)的工具和語言，屬于純粹的上游科學(xué)。物理學(xué)則是自然科學(xué)的重要基礎(chǔ)，有力地推動了自然科學(xué)的發(fā)展。自1686年牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》出版以來，物理學(xué)與數(shù)學(xué)就緊密地聯(lián)系在一起。物理學(xué)與數(shù)學(xué)的交叉可以說是學(xué)科交叉的鼻祖。數(shù)學(xué)為物理學(xué)提供了定量化的工具，更重要的是提供了公理化的范式。反過來，物理學(xué)常常為數(shù)學(xué)提出新的課題，甚至新的概念。物理學(xué)和化學(xué)的交叉堪稱學(xué)科交叉融合的典范。物理學(xué)和化學(xué)在認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次上，沒有明顯的界限。物理化學(xué)、化學(xué)物理、量子化學(xué)是典型的交叉學(xué)科。物理學(xué)與生物學(xué)的相互促進(jìn)由來已久：電學(xué)（1785年）和電生理學(xué)（1791年）幾乎同時誕生;生物學(xué)為物理學(xué)啟示過能量守恒，而物理學(xué)為生物學(xué)提供過大量工具，物理學(xué)不斷地為生物學(xué)提供新思想，例如負(fù)熵、非周期晶體、熱漲落、三聯(lián)碼、生物中的“標(biāo)度”和“分形”等。物理學(xué)與生物學(xué)的交叉可以用一個名詞“生物物理”來概括。

物理學(xué)是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的動力，其在工程技術(shù)領(lǐng)域的滲透和應(yīng)用有力地推動了人類進(jìn)步。力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展推動了第一次工業(yè)革命（17世紀(jì)），電磁學(xué)和電動力學(xué)的發(fā)展推動了第二次工業(yè)革命（19世紀(jì)）。進(jìn)入20世紀(jì)以后，物理學(xué)更是推動了新一輪技術(shù)革命和社會的快速進(jìn)步，例如原子能的利用、電子計算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、航空航天技術(shù)、納米技術(shù)的出現(xiàn)等。如果用一個名詞來概括物理學(xué)與技術(shù)科學(xué)的交叉形成的學(xué)科，就是“技術(shù)物理”或“工程物理”。

在過去的幾十年中，物理學(xué)的概念、理論和研究方法已經(jīng)延伸到社會科學(xué)領(lǐng)域，像耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、非線性動力學(xué)等物理學(xué)理論已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域獲得了巨大成功。最近，一些新的交叉學(xué)科已經(jīng)形成，例如經(jīng)濟(jì)物理、社會物理。

科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會變革的不斷加速，對物理學(xué)與其他學(xué)科的交叉提出了強(qiáng)烈的需求。近現(xiàn)代科技發(fā)展史表明，社會需要與科學(xué)內(nèi)在邏輯的交叉點以及不同學(xué)科的交叉點便是科學(xué)突破的生長點。錢學(xué)森指出，交叉科學(xué)是指自然科學(xué)和社會科學(xué)在相互交叉地帶生長出來的一系列新生學(xué)科。當(dāng)今科學(xué)研究、技術(shù)科學(xué)和社會科學(xué)發(fā)展的顯著特征就是多學(xué)科交叉滲透，而物理學(xué)在學(xué)科交叉中起到了舉足輕重的作用。如果用一個統(tǒng)一的公式（名詞）表示與物理學(xué)交叉形成的學(xué)科，那就是“X-物理學(xué)”。

三是學(xué)校轉(zhuǎn)型期的新要求。進(jìn)入21世紀(jì)以來，陜西師范大學(xué)提出了“建立以教師教育為主要特色的綜合性研究型大學(xué)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，一方面要求加強(qiáng)師范教育，彰顯師范特色，另一方面要大力發(fā)展非師范教育。非師范專業(yè)人才培養(yǎng)體系的建立、發(fā)展、提高和完善是實現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)的基本保證之一，也是一個全新的挑戰(zhàn)。因為物理學(xué)是一個重要的基礎(chǔ)學(xué)科，在許多傳統(tǒng)的綜合大學(xué)都有非常完整的體系，而我校的優(yōu)勢不明顯，很難在短期內(nèi)有所作為，更不要談超越。所以，我們必須另辟蹊徑，走特色發(fā)展的道路，于是我們提出了跨學(xué)科“X-物理學(xué)”人才，即“大物理學(xué)”人才的概念。構(gòu)建了物理學(xué)與自然科學(xué)其他分支、技術(shù)科學(xué)及社會科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的跨學(xué)科“X-物理學(xué)”人才培養(yǎng)體系，旨在培養(yǎng)具有深厚數(shù)理基礎(chǔ)、多學(xué)科交叉理念、創(chuàng)新精神、廣泛適應(yīng)能力和國際化視野的復(fù)合型人才。

二、跨學(xué)科X-物理人才培養(yǎng)體系的建構(gòu)

“X-物理學(xué)”也即“大物理學(xué)”人才理念的核心就是讓一部分特別優(yōu)秀的學(xué)生向成就物理學(xué)家的方向發(fā)展，另外一些學(xué)生在奠定深厚物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，涉獵一些交叉課程的接口課程或?qū)ｉT化課程，進(jìn)行交叉學(xué)科的訓(xùn)練，使他們具備從事交叉學(xué)科工作的能力。因此，我們以“厚基礎(chǔ)、重交叉、促創(chuàng)新、國際化、高素質(zhì)”的教育理念為引導(dǎo)，提出了以多學(xué)科科研訓(xùn)練帶動素質(zhì)教育的策略，以及建立數(shù)理為主其他學(xué)科為輔的基礎(chǔ)課程體系、優(yōu)化物理學(xué)核心課程體系、設(shè)立交叉學(xué)科的專門化課程模塊的課程建設(shè)思路，確立了以理論課程體系及實踐環(huán)節(jié)為兩個主線，以基礎(chǔ)課程、核心課程和專門化課程為三個層次，以學(xué)生綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力為核心的人才培養(yǎng)目標(biāo)的“3-3-1”課程體系方案（見圖1）。

理論課建設(shè)的指導(dǎo)思想是：第一層次在于濃縮基礎(chǔ)物理學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，設(shè)置通識化專業(yè)基礎(chǔ)課程和概論課程。第二層次在于優(yōu)化物理學(xué)核心課程內(nèi)容。第三層次致力于設(shè)置物理學(xué)和交叉學(xué)科專門化課，滿足不同興趣和目標(biāo)學(xué)生的需求。

實踐環(huán)節(jié)建設(shè)的指導(dǎo)思想是：第一環(huán)節(jié)為傳統(tǒng)基礎(chǔ)物理和近代物理實驗，選擇設(shè)計思想精巧、實驗方法典型的實驗項目，著重實驗的基礎(chǔ)知識、基本方法、基本技能的訓(xùn)練。在第二環(huán)節(jié)，創(chuàng)新性地建設(shè)交叉學(xué)科實驗平臺，以學(xué)院各專業(yè)科研課題為基礎(chǔ)，提煉成熟的交叉學(xué)科實驗，有效整合各專業(yè)實驗室，構(gòu)建功能集約、資源優(yōu)化、開放充分、運作高效的跨專業(yè)實驗教學(xué)平臺。第三環(huán)節(jié)主要是科研實踐，完全或部分開放學(xué)院科研實驗室，開展研究性實驗，將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，將科研方法融入實驗教學(xué)活動，進(jìn)而促進(jìn)科研支持實驗教學(xué)、科研與教學(xué)互動、服務(wù)人才培養(yǎng)。

新的培養(yǎng)體系必然要求超越傳統(tǒng)的理念和教學(xué)方法，相應(yīng)的改革須遵循以下原則：將單純知識灌輸變革為以知識為載體進(jìn)行能力培

養(yǎng);在課堂內(nèi)外更多地加入討論和辯論的成分，為學(xué)生提供提出問題或觀點的機(jī)會，以及表達(dá)、闡述和捍衛(wèi)觀點的能力的培養(yǎng);加強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，鼓勵學(xué)生涉獵更多跨專業(yè)知識;加強(qiáng)中外文運用能力的培養(yǎng)，增加雙語課甚至全英文授課;貫通交叉科學(xué)實驗、多學(xué)科研究性實驗和畢業(yè)論文過程，使學(xué)生有機(jī)會經(jīng)歷比較完整的科研過程，獲得科研體驗，進(jìn)一步鍛煉創(chuàng)新能立、培養(yǎng)合作精神。

三、跨學(xué)科X-物理人才培養(yǎng)體系的實踐

在新理念推動下，學(xué)院于2011年獲批陜西省級“跨學(xué)科復(fù)合型X-物理學(xué)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)”，2012年獲批國家“十二五”國家級跨學(xué)科X-物理實驗教學(xué)示范中心和陜西省專業(yè)綜合改革試點項目。在這些項目的支持下，我們對人才培養(yǎng)體系進(jìn)行了改革。

1.理論課程體系建設(shè)

理論課程體系包括：第一層次為基礎(chǔ)課程體系，第二層次為物理學(xué)核心課程體系，第三層次為專門化課程體系。

（1）基礎(chǔ)課程體系?；A(chǔ)課程體系由傳統(tǒng)物理學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程體系和交叉學(xué)科概論課程構(gòu)成。傳統(tǒng)物理學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程體系將普通物理學(xué)科濃縮為“基礎(chǔ)物理I-IV”，采用英文原版教材。建成的交叉學(xué)科概論課包括化學(xué)概論、生物學(xué)概論、經(jīng)濟(jì)學(xué)概論，幫助學(xué)生了解這些學(xué)科的概況、研究方法，特別是概念和語匯，建立接口。

（2）物理學(xué)核心課程體系。物理學(xué)專業(yè)核心課程體系包括數(shù)學(xué)物理方法、分析力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)、電動力學(xué)、量子力學(xué)、固體物理等。這些課程是培養(yǎng)物理專業(yè)人才的傳統(tǒng)核心課程，是所有學(xué)生的必修課程，為后續(xù)課程打下堅實的基礎(chǔ)。分析力學(xué)課程采用Goldstein著的原版教材Classical Mechanics，量子力學(xué)課程采用自編英文教材，熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)、量子力學(xué)課程采用“課堂主講+討論課”的教學(xué)模式。

（3）專門化課程體系。專門化課程有物理專門化課程和交叉學(xué)科專門化課程組成，已建成的課程如下：

物理專門化課程：高等量子力學(xué)，高等統(tǒng)計物理，粒子物理，群論，模擬物理，聲學(xué)基礎(chǔ)，激光原理，量子場論，物理學(xué)前沿講座，科學(xué)哲學(xué)與物理學(xué)史，等等。

交叉學(xué)科專門化課程：電介質(zhì)物理，材料物理，量子化學(xué)，非線性動力學(xué)導(dǎo)論，神經(jīng)元興奮動力學(xué)，經(jīng)濟(jì)物理，化學(xué)物理，超聲技術(shù)及其應(yīng)用，聲環(huán)境概論，MATLAB在物理學(xué)中的應(yīng)用，微機(jī)原理，數(shù)字電路與實驗，單片機(jī)原理，等等。

在此專門化課程體系中，學(xué)生可按照自己的興趣和志向，在物理專門化課程和交叉學(xué)科專門化課程中選擇課程。有志于從事純物理研究的學(xué)生可以重點在物理專門化課程中選課，而愿意在交叉領(lǐng)域拓寬的學(xué)生可以重點在交叉學(xué)科專門化課程中選課。這些課程的設(shè)置旨在奠定學(xué)生的跨學(xué)科理論知識，破除學(xué)科壁壘，實現(xiàn)物理學(xué)與相關(guān)學(xué)科對接，引領(lǐng)學(xué)生利用物理學(xué)方法解決跨學(xué)科學(xué)術(shù)問題，以活躍學(xué)生的學(xué)術(shù)思想，增加學(xué)科交叉意識，提高跨學(xué)科創(chuàng)新能力。

2.實踐環(huán)節(jié)建設(shè)

實踐環(huán)節(jié)是本課程體系的重要組成部分，以國家級X-物理實驗教學(xué)示范中心為平臺，建設(shè)了三個實踐環(huán)節(jié)，第一環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)與近代物理實驗課程，第二環(huán)節(jié)為預(yù)定交叉學(xué)科實驗課程，第三環(huán)節(jié)為科研型實驗。

（1）基礎(chǔ)和近代物理實驗課程。這一環(huán)節(jié)是傳統(tǒng)物理人才的必備環(huán)節(jié)，學(xué)院已有長期的積淀，目前開設(shè)了22個力學(xué)和熱學(xué)實驗、14個電磁學(xué)和光學(xué)實驗、16個近代物理實驗。該環(huán)節(jié)在于培訓(xùn)學(xué)生的基礎(chǔ)實驗方法和技巧，了解現(xiàn)代物理學(xué)的實驗方法和技能。

（2）預(yù)定交叉學(xué)科實驗。該環(huán)節(jié)結(jié)合學(xué)院科學(xué)研究方向，提煉出涵蓋材料物理、化學(xué)物理、光學(xué)材料、環(huán)境聲學(xué)、生物學(xué)、非線性科學(xué)等交叉領(lǐng)域的13個“預(yù)定交叉學(xué)科實驗”項目。

材料物理實驗包括基于異質(zhì)結(jié)型氧化物納米纖維的氣敏傳感器特征研究、商用紐扣型鋰離子電池組裝及其活性材料的原位結(jié)構(gòu)表征、基于新材料的微納尺度激光的探索實驗、材料弛豫時間測量實驗等。

化學(xué)物理實驗包括納米半導(dǎo)體對有害氣體的光催化降解、等離子體化學(xué)氣相沉積法制備半導(dǎo)體薄膜等。

光學(xué)材料實驗包括納米光學(xué)全息、氧化物復(fù)合材料的光敏-濕敏-氣敏特征等。

環(huán)境聲學(xué)實驗包括環(huán)境噪聲測量及聲振動分析、聲學(xué)超材料設(shè)計仿真實驗研究等。

生物物理實驗包括神經(jīng)元放電行為模擬等。

非線性科學(xué)實驗包括流行病傳播的計算機(jī)模擬、螺旋波的斑圖動力學(xué)等。

該環(huán)節(jié)旨在進(jìn)行跨學(xué)科領(lǐng)域?qū)嶒灪涂蒲械幕居?xùn)練，鍛煉學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰?、團(tuán)隊協(xié)作能力、運用物理學(xué)的理論和方法進(jìn)行研究的能力。這部分實驗題目來自于學(xué)院相關(guān)教師的科研課題，是科研促教學(xué)的實際體現(xiàn)。

（3）多學(xué)科研究型實驗。該環(huán)節(jié)的要義在于鼓勵學(xué)生綜合運用物理學(xué)知識與技能，參與科研訓(xùn)練，體會科研過程，激發(fā)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)院建立了專業(yè)導(dǎo)師制，學(xué)生通過自主選擇，以2～3人小組形式進(jìn)入教授科研實驗室進(jìn)行科研實習(xí)，或進(jìn)行開放性的研究實踐?？蒲袑嵺`促使學(xué)生初步掌握科學(xué)研究的一般步驟和方法，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。在這一過程中，學(xué)生可以與教授課題組內(nèi)的研究生以及博士生進(jìn)行經(jīng)常性的討論和交流，鍛煉他們的總結(jié)研究成果的能力，表達(dá)、闡述和捍衛(wèi)自己觀點的能力，以及合作精神。此外，學(xué)生畢業(yè)論文的研究題目可以與上述第二或第三環(huán)節(jié)的訓(xùn)練和研究內(nèi)容貫通，使學(xué)生可以有充分的時間完成一個比較完整和系統(tǒng)的科研題目。

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[責(zé)任編輯：夏魯惠]