依托科研實例課程開展科教融合創(chuàng)新人才培養(yǎng)*

邱 宏 徐 美 于明鵬 吳 平 王鳳平

（北京科技大學 數(shù)理學院物理系，北京 100083）

隨著國內(nèi)高等院校科研水平的不斷提高，以及教育教學改革的不斷發(fā)展，開展科教融合培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力已經(jīng)成為教育教學改革的重要內(nèi)容之一?？平倘诤吓囵B(yǎng)創(chuàng)新人才的理論研究和實踐探索都取得了較大的進展［1-4］。以科研促進教學，開展研究型教學已經(jīng)成為教育教學改革的重要組成部分［5-7］。最近，Brennan等人在研究教學和科研的相互關系時發(fā)現(xiàn)，科研可以促進教學，教學也可以促進科研［8］。Artes等人把高校教師的科研水平分成高、中、低三個層次，研究了教師科研水平對教學質(zhì)量的影響，他們發(fā)現(xiàn)，具有高等和中等科研水平的教師的教學質(zhì)量高于具有低等科研水平的教師的教學質(zhì)量，同時也發(fā)現(xiàn)具有中等科研水平的教師的教學質(zhì)量高于具有高等科研水平的教師的教學質(zhì)量［9］。另外，Palali等人在研究本科生教學和研究生教學中教師的科研水平和教學水平的關系時發(fā)現(xiàn)，由于本科生課程和研究生課程之間的差異，具有較高科研水平的教師表現(xiàn)出較高的研究生教學水平，而教師的本科生教學水平同他的科研水平之間并沒有顯示出一個正向的關聯(lián)［10］40-49。因此，科教融合培養(yǎng)創(chuàng)新人才的過程具有特定的復雜性和多樣性，這一過程還需要不斷地探索和實踐，從而摸索出一套行之有效的科教融合培養(yǎng)創(chuàng)新人才的教育教學方法。

我們從2000年開始探索把科研成果引入本科生的實驗教學中［11-16］，2008年開始在物理系專業(yè)課程中探索實施研究型教學的方法，在教授學生理論知識的同時，培養(yǎng)學生的科研能力和科學精神，收到了較好的效果，使得學生普遍收益，獲得學生的好評［17-20］。此外，我們對所實施的研究型教學的學生狀況仔細分析后發(fā)現(xiàn)，有48%的學生在研究型教學的科研訓練環(huán)節(jié)完成了一個真實的科研小課題。隨后，我們很自然地提出了一個問題：能否讓100%的學生都能在研究型教學的科研訓練環(huán)節(jié)中完成一個真實的科研小課題呢？由于科研場地、科研設備、師資力量、學生的時間、學生的興趣等多種條件的限制，這一問題的答案是否定的。科教融合的研究型教學的核心目的是在教授學生扎實掌握理論和專業(yè)知識的同時，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的科研能力以及科學精神。為了實現(xiàn)這一教學目的，我們提出開設一門以教師完成的科研實例為內(nèi)容的課程，通過這種科研實例課程教授學生更豐富的理論和專業(yè)知識，并使學生全面地了解科研中是如何發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的，并告知學生科研過程中的成功和失敗的經(jīng)歷，從而達到培養(yǎng)學生的科研能力和科學精神的目的。通過這種“紙上談兵”的科研實例課程，使聽課的全體學生在知識上、科研能力和科學精神的培養(yǎng)上都有所收獲。此外，這種科研實例課程也進一步豐富了科教融合的研究型教學培養(yǎng)創(chuàng)新人才的教學方法。

基于上述考慮，我們從二十多年在薄膜材料研究領域所做的科研工作中精選出了7個科研實例，把它們編排成一門“薄膜研究實例分析”課程，從2017年開始為大學四年級本科生和研究生開設。通過課堂上的講授，使學生不僅更深入地學習了理論和專業(yè)知識，而且還培養(yǎng)了科研能力和科學精神。通過這種“紙上談兵”的科研實例課程的前期學習，為學生將來開展真實的科研工作打下了一個良好的基礎。這是以較少的設備成本、人力成本和時間成本的投入，獲得較好的人才培養(yǎng)效果的一種方式。這門課程的實施是一種更高和更廣層次上的科教融合的研究型教學培養(yǎng)創(chuàng)新人才方法的嘗試。本文將詳細介紹這門課程的相關內(nèi)容和實施過程，并總結歸納了科研實例類課程應該具備的6個主要特征。

一、科研實例課程的內(nèi)容

科研實例課程不同于學術報告?？蒲袑嵗n程是針對本科生和研究生開設的課程，通過課程的學習使學生掌握理論和專業(yè)知識的同時，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的科研能力以及科學精神。而學術報告是針對某一科學研究領域的學術同行開展的學術交流。

科研實例課程應該具備以下6個主要特征：（1）具有知識的應用性和學習性。使得學生在靈活應用已經(jīng)掌握的理論和專業(yè)知識解釋實驗結果的基礎上，進一步深入學習更多的專業(yè)知識。（2）具有科學研究的邏輯性。實例從發(fā)現(xiàn)問題和提出問題出發(fā)，確定研究題目和研究目的，開展理論或?qū)嶒炑芯浚@得研究結果并能用所學的知識解釋結果，最后得出研究的結論；并且隨著研究的不斷展開，還能夠不斷地提出新問題。（3）具有培養(yǎng)目標的一致性?？蒲袑嵗治稣n程要同本專業(yè)的學生培養(yǎng)目標相一致。（4）具有培養(yǎng)學生科研能力的屬性。實例要重點突出培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題能力的屬性。（5）具有適應性。實例的內(nèi)容要適合學生的知識水平，不宜過難。（6）具有故事性。實例要真實再現(xiàn)科學研究的全過程，告訴學生成功和失敗的經(jīng)歷，培養(yǎng)學生的科學精神，起到教書育人的作用。

“薄膜研究實例分析”是物理系的專業(yè)選修課程，該課程32學時，為大四本科生和研究生開設。由于物理系的很多學生將來會在凝聚態(tài)物理領域工作，并且薄膜材料也是凝聚態(tài)物理的一個重要組成部分，因此這門課程的授課內(nèi)容同物理系制定的學生培養(yǎng)目標相一致。我們精選出的7個科研實例滿足科研實例課程的6個特征，其具體名稱如下：（1）直流偏壓濺射法和低溫外延生長金屬薄膜；（2）高壓電常數(shù)d31薄膜的制備及應用；（3）沉積速率對Al薄膜的結構和電學性質(zhì)的影響；（4）NixFe100-x合金薄膜的結構；（5）Ni、Al共摻雜ZnO薄膜的結構和物理性質(zhì)；（6）用磁控濺射法制備網(wǎng)狀結構薄膜；（7）金屬薄膜／導電聚苯胺復合材料的電阻溫度特性。

每一個實例構成課程的一章，每一個實例從問題的提出開始，為了解決和回答這個問題，引出研究的題目。講解實例之前，先講解同這一研究實例相關的一些理論和專業(yè)知識。然后，課程講解按照科學研究的邏輯方式展開，其順序是研究目的—實驗設備—實驗條件（薄膜的制備條件、結構的觀察、物理性質(zhì)的測試）—實驗結果和討論—結論。

實例從提出問題開始，以此告訴學生，科學研究的題目來自于問題，并通過科學研究解決問題，從而使學生對發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的重要性有一個更深刻的理解，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的能力。為了使學生能夠更好地理解實例所講解的研究工作以及能夠用所學的理論和專業(yè)知識解釋和探討實驗結果，在實例講解之初，需要給學生講授一些同實例有關的基礎知識，這些基礎知識的講解，也豐富了學生的理論和專業(yè)知識內(nèi)容。在講解研究目的時，需要注重告訴學生針對提出的問題確定研究題目，如何簡單明了地提出研究目的，并且明確研究主要完成什么工作。在實驗設備和實驗條件的講解過程中，使學生了解實驗設備的工作原理，實驗條件影響薄膜結構和物理性質(zhì)的機理，加深理解在科學研究中如何選擇實驗設備和實驗方法以及如何選擇實驗條件，從而能夠使科研工作更有效地開展。在實驗結果和討論的講解過程中，著重講解如何全面準確地描述實驗獲得的結果，并且如何應用所學的理論和專業(yè)知識解釋實驗結果，深入挖掘?qū)嶒灲Y果背后的物理機理，加深理解材料的結構與物理性質(zhì)之間的相互關聯(lián)，培養(yǎng)學生應用所掌握的理論和專業(yè)知識分析問題和解決問題的能力。最后，通過結論部分的講解，教會學生使用科學的語言，簡潔明了地概括總結實驗結果，培養(yǎng)學生從大量科學研究的結果中提煉出最終結論的能力。

隨著實例講解的展開，告訴學生這一實例背后的科研故事，分享科研過程中的成功和失敗的經(jīng)歷，培養(yǎng)學生實事求是、嚴謹求實、不怕困難、百折不撓、追求真理的科學精神。在講授具體科研內(nèi)容的同時，重點培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的科研能力。

二、課程具體實踐

以第一章“直流偏壓濺射法和低溫外延生長金屬薄膜”的講解為例，簡單介紹本課程的具體講授方法。作為基礎知識的講授，介紹了直流偏壓濺射法的發(fā)明歷史，在當時的歷史條件下發(fā)明者為什么會想到用直流偏壓濺射法制備薄膜材料。講解了直流偏壓濺射法中產(chǎn)生的高能氬粒子轟擊正在生長的薄膜時，對薄膜結構影響的物理過程和機理。這些基礎知識進一步拓展了學生的理論和專業(yè)知識。

根據(jù)基礎知識可知，直流偏壓濺射過程中產(chǎn)生的高能氬粒子轟擊正在生長的薄膜，可以改善薄膜的結晶質(zhì)量，而升高沉積溫度也可以改善薄膜的結晶質(zhì)量，高能氬粒子的轟擊和高的沉積溫度對薄膜的結構具有相同的效果，這兩個制備條件對于薄膜結晶質(zhì)量的改善具有一定的互補性。因此，提出問題：能否用直流偏壓濺射法在單晶襯底上在較低的沉積溫度下實現(xiàn)具有較大晶格失配度的金屬單晶薄膜的外延生長？據(jù)此確定了研究題目：在MgO（001）單晶襯底上直流偏壓濺射Ni薄膜的結構和電學性質(zhì)的研究。隨后，講解了研究目的、實驗設備和實驗條件、實驗結果和討論以及結論。

在講授實驗設備和實驗條件（包括薄膜的制備條件和分析手段）時，進一步加深了學生對實驗設備原理的理解，并學會在科研過程中如何選擇和應用實驗設備，從而達到所確定的研究目的（目標）。在講授實驗結果和討論時，使學生學會全面細致地描述所獲得的實驗結果，并使學生學會如何應用所掌握的物理學理論和專業(yè)知識分析和解釋所獲得的實驗結果，親身感受理論和知識應用到科研工作的全過程，培養(yǎng)學生的應用能力、分析問題和解決問題的能力，解決了學以致用的問題。最終，給出這一研究所獲得結論：應用直流偏壓濺射法能夠在較低的沉積溫度下在MgO（001）單晶襯底上實現(xiàn)Ni單晶薄膜的外延生長。

當獲得上述結論后，一個新的問題又被提出。用直流偏壓濺射法在MgO（001）襯底上還能實現(xiàn)其他金屬單晶薄膜的外延生長嗎？即上述的研究結果具有普遍性嗎？從這一問題出發(fā)引出了新的研究課題：在MgO（001）單晶襯底上用直流偏壓濺射法制備的Cu、Co薄膜的結構研究，重復新一輪的研究，最終獲得結論：在MgO（001）單晶襯底上在較低沉積溫度下用直流偏壓濺射法能夠?qū)崿F(xiàn)Cu、Co單晶薄膜的外延生長，這一研究結果具有普遍性。

獲得了這一研究結果后，又繼續(xù)提出了新的問題。為什么在如此大的晶格失配度的條件下單晶金屬薄膜能夠在單晶襯底上外延生長呢？為了回答這一問題，確立新的研究課題：金屬薄膜與MgO（001）之間的界面結構研究。這一研究的結果告訴學生，在金屬薄膜與MgO（001）之間的界面處形成的失配位錯是外延生長的關鍵，進而從物理機理上最終解釋了在大的晶格失配度的條件下單晶金屬薄膜在單晶襯底上外延生長的現(xiàn)象。

“薄膜研究實例分析”課程的7個實例全都是按照上述講解方式展開的。在講授完所需要的理論和專業(yè)知識的基礎上，以提出問題的方式開始，進而確定研究題目，按照研究目的、實驗設備、實驗條件、實驗結果和討論、結論的順序逐漸展開，遵循從提出問題到科學研究再到提出新的問題，這樣一個循序漸進的科學研究的過程，展現(xiàn)給學生一個較為真實的、全面的科研工作。使學生充分認識到所有的科學研究都來自于問題的提出，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的能力。通過實驗結果和討論的講授，使學生學會應用所學的理論和專業(yè)知識分析和解釋實驗結果，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，使學生把所掌握的知識靈活地應用到實際工作中。

在講授實例的過程中，全景式地再現(xiàn)研究的過程，特別是把科研過程中的失敗和教訓告訴學生，把分析失敗原因的方法教給學生，教會學生在科學研究中如何從失敗走向成功，從而培養(yǎng)學生不畏失敗、勇于探索的科學精神，起到教書育人的作用。

三、課程教學的重點和核心

本課程教學的核心目的是在使學生扎實地掌握理論和專業(yè)知識的同時，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的科研能力以及科學精神。因此，在講解每一個科研實例時，要重點突出兩個方面：（1）科研實例是如何作為科研題目提出的，這一研究在當時具有的前沿性，以及這一研究對物理學和材料科學的進步有什么推動作用。（2）在科研實例中，應用了哪些所學的物理知識和材料科學的知識分析和解釋了實驗結果，從而獲得了最終的結論。

例如，第一章的實例“直流偏壓濺射法和低溫外延生長金屬薄膜”，當時前人已經(jīng)獲得了用直流偏壓濺射法制備出較高純度的薄膜和具有較好結晶性的薄膜。此外，通過升高沉積溫度是獲得較好結晶質(zhì)量的薄膜和單晶薄膜的常用方法。但是，高沉積溫度通常導致薄膜內(nèi)存在較大的內(nèi)應力（熱應力），從而對薄膜的結構和物理性質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。另一方面，襯底和薄膜之間的晶格常數(shù)的失配度對外延生長單晶薄膜的影響很大，失配度越小，越容易在單晶襯底上形成外延生長的單晶薄膜。根據(jù)上述已有的研究成果，進而提出一個問題：能否用直流偏壓濺射法在單晶襯底上在較低的沉積溫度下實現(xiàn)具有較大晶格失配度的金屬單晶薄膜的外延生長？針對這一問題，開展科學研究，獲得的結果具有理論意義和實際應用價值，體現(xiàn)出這一科研實例的前沿性。

如上所述，在授課過程中，把每個科研實例的科學前沿性和其在理論和實際應用中的意義講授給學生，并且把如何從前人已有的科研成果中發(fā)現(xiàn)問題和提出問題，進而開展自己的科學研究，是非常重要的。

在每個科研實例的講授過程中，涉及薄膜的制備設備和分析、測試儀器，例如，真空蒸發(fā)鍍膜設備、濺射鍍膜設備、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、電子衍射、X射線衍射、四探針電阻測量儀等，學生已經(jīng)學習了這些設備和儀器的原理，進而使學生切實感受到所學的設備和儀器及其原理在實際中的應用。此外，在講授科研實例時，對于研究結果的分析和解釋，應用了學生所學的大量的物理理論和專業(yè)知識。例如，用電子衍射或X射線衍射分析薄膜的結晶特性，學生用到了所學的布拉格方程和晶體結構的知識。例如，用學生所學的固體物理知識解釋金屬薄膜的電阻隨溫度的變化關系。通過這些講授，很好地培養(yǎng)了學生分析問題和解決問題的能力，進而達到本課程的核心目的。此外，本課程還使學生感到所學的物理理論和專業(yè)知識在實際科學研究中的真實應用，學生切實感到學以致用，增強了學生的學習熱情和探索自然規(guī)律的興趣。

四、課程的教學效果

從2017年開始，兩年來為物理系2015級本科生、2017級和2018級研究生開設了專業(yè)課“薄膜研究實例分析”，課程學習總人數(shù)111人。課程講授完后，進行了課程學習效果的問卷調(diào)查。

表1給出了調(diào)查問卷的問題、可選擇的回答和調(diào)查結果。從表1中可以看出，對于7個科研實例的內(nèi)容，聽懂60%以上的學生占到100%，其中有6.8%的學生完全聽懂，45.8%的學生聽懂了90%，這表明所選擇的科研實例和課程講授方式是適合開展課堂教學的。通過課程的學習，98.3%的學生都了解了科學研究的過程，其中有42.4%的學生很好地了解科學研究的過程，這表明這門課程為將來學生開展科學研究奠定了一定的基礎。93.2%的學生認為本課程提高了學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的科研能力，其中37.3%的學生感覺自己的科研能力有較大的提高，這顯示出本課程對于提高學生科研能力具有積極的作用。有93.2%的學生認為通過本課程的學習受益較大，有89.8%的學生認為本課程具有實用性，這些都說明本課程對未來學生的發(fā)展打下了一個良好的基礎。

表1 調(diào)查問卷的問題、可選擇的回答和調(diào)查結果

此外，學生還給本課程提出了一些有益的建議：（1）這門課可以開得早一些，感覺現(xiàn)在開有點晚，放在大三下學期可能好一些，有助于提前了解以后的實驗生涯，制定人生規(guī)劃。（2）我覺得分享科研經(jīng)歷非常有益，相對于純知識更加有用，應該堅持做下去。（3）我覺得挺受益，如果有時間講些文獻調(diào)研的經(jīng)驗和寫文章的經(jīng)驗可能會更好。（4）建議繼續(xù)開本課程，我覺得非常有收獲。（5）這門課程讓我學到了很多科研經(jīng)驗，學會了科研的思路，學會了如何開展科研工作。（6）覺得還可以講一些關于書寫報告、論文的經(jīng)驗、技巧以及科技前沿等。

從問卷調(diào)查的結果看，本課程通過科研實例的教學，在教授給學生理論和專業(yè)知識的同時，較好地培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的能力，使學生有較大的受益，課程取得了較好的教學效果，得到了學生的認可。

此外，從表1也可以看出，本科生的受益程度和研究生的受益程度之間沒有明顯的差異。這表明把教師的科研工作和教學工作融合到一起，對于培養(yǎng)本科生和研究生都具有較好的效果。這一結果同Palali等人的研究結果［10］40有些不同。造成這一結果的原因可能是，對于大學四年級本科生和一年級研究生而言，他們具有的基礎理論和專業(yè)知識的差異不是很大，并且學生們也都具有對薄膜研究領域的興趣。

五、結論

教師把自己的科研工作編排成用于課堂教學的科研實例，為學生開設科研實例分析的課程，使得學生在學習理論和專業(yè)知識的同時，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的科研能力以及培養(yǎng)學生的科學精神。這種更高和更廣層面上的科教融合，是研究型教學的一種模式，是科研促進教學培養(yǎng)優(yōu)秀人才的有效方法。