“材料模擬與計(jì)算”教學(xué)模式改革實(shí)踐

張 鵬

(山東大學(xué) 空間科學(xué)與物理學(xué)院，山東 威海 264209)

1 專(zhuān)業(yè)課是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的主要源泉

布魯姆將人對(duì)事務(wù)的認(rèn)知分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造六大層級(jí)[1].從大學(xué)教育的角度來(lái)看，可將大學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握簡(jiǎn)化為三個(gè)層次：第一個(gè)層次是理解，即學(xué)生明白了為什么1+1=2，效果是拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，大學(xué)為社會(huì)培養(yǎng)了通用人才.這樣的人才能適應(yīng)當(dāng)代的文明生活，從容面對(duì)各種挑戰(zhàn)；第二個(gè)層次是應(yīng)用，是在掌握原理的基礎(chǔ)上，學(xué)生能通過(guò)自己的計(jì)算得出2+2=4，具備了知識(shí)應(yīng)用能力.從理工科的角度看，大學(xué)為社會(huì)培養(yǎng)了工程師.這樣的人才能在既有的基礎(chǔ)上，繼續(xù)建造文明生活，創(chuàng)造財(cái)富；第三個(gè)層次是創(chuàng)新.這時(shí)，他們能融會(huì)貫通既有的知識(shí)，創(chuàng)造新知識(shí).無(wú)論是制作新材料、新生態(tài)，還是發(fā)現(xiàn)新理論、新應(yīng)用，都是一個(gè)從無(wú)到有的原始創(chuàng)新成果.大學(xué)為社會(huì)培養(yǎng)了精英人才，能引領(lǐng)社會(huì)的進(jìn)步，提升文明水平.這樣的人才聚集多了，才能建成創(chuàng)新型國(guó)家.顯然，要實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興，需要大力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[2].對(duì)于大多數(shù)高校而言，這正是雙一流建設(shè)的主要目標(biāo)[3].

大學(xué)的知識(shí)體系是個(gè)逐步遞進(jìn)的過(guò)程.以物理專(zhuān)業(yè)為例，大學(xué)生首先要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課，如高等數(shù)學(xué)，這是建立物質(zhì)間聯(lián)系的邏輯基礎(chǔ)；之后是專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，如量子力學(xué)，這是理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理論基礎(chǔ)；最后是專(zhuān)業(yè)課，是理論在某個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，如半導(dǎo)體物理、計(jì)算物理等專(zhuān)業(yè)方向的理論和方法.專(zhuān)業(yè)課是知識(shí)創(chuàng)新的源泉.從大學(xué)理論課教學(xué)的角度來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)重心在專(zhuān)業(yè)課教學(xué).

2 以成果為導(dǎo)向的PTI模式改革

大學(xué)綜合各種要素培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，這是學(xué)科建設(shè)的首要任務(wù)，需要有宏觀的管理體制改革.國(guó)家層面有“六卓越一拔尖”等頂層設(shè)計(jì)[4]，各大學(xué)也都有雙一流建設(shè)的實(shí)施規(guī)劃.那么，對(duì)于一門(mén)專(zhuān)業(yè)課教學(xué)，有沒(méi)有一個(gè)具體微觀的可操作路徑呢？實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，通過(guò)綜合施策，也可以在專(zhuān)業(yè)課教學(xué)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的提升.筆者自2017年對(duì)“材料模擬與計(jì)算”這門(mén)課進(jìn)行教學(xué)改革，目前，學(xué)生已利用所學(xué)理論發(fā)表SCI論文14篇，平均影響因子3.580.基礎(chǔ)學(xué)科的學(xué)生，發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文正是其創(chuàng)新能力的體現(xiàn).筆者對(duì)這門(mén)課的教改實(shí)踐有如下兩個(gè)核心要點(diǎn).

2.1 實(shí)踐-理論-創(chuàng)新的教學(xué)進(jìn)程設(shè)計(jì)

馬克思在關(guān)于實(shí)踐與認(rèn)識(shí)的辯證關(guān)系中指出，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)，也是認(rèn)識(shí)的目的.這個(gè)哲學(xué)原理應(yīng)用于大學(xué)教育就是，知識(shí)學(xué)習(xí)也要有一個(gè)從實(shí)踐中來(lái)再到實(shí)踐中去的升華過(guò)程.對(duì)于這門(mén)專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)設(shè)計(jì)，總結(jié)為“實(shí)踐-理論-創(chuàng)新”，簡(jiǎn)稱(chēng)PTI教學(xué)模式.對(duì)于學(xué)生而言，是一個(gè)從培養(yǎng)興趣到學(xué)習(xí)原理再到產(chǎn)出成果的逐步深化的培養(yǎng)過(guò)程.見(jiàn)圖1.

圖1 PTI教學(xué)模式關(guān)系圖

開(kāi)課伊始，筆者沒(méi)有按先理論后應(yīng)用的教學(xué)模式，而是直接通過(guò)上機(jī)案例指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行材料的建模和計(jì)算，之后通過(guò)分析數(shù)據(jù)，討論一個(gè)研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)和性質(zhì).經(jīng)過(guò)幾輪的計(jì)算機(jī)模擬案例，學(xué)生們認(rèn)識(shí)到這門(mén)專(zhuān)業(yè)課打通了從理論到應(yīng)用之路，能利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題.實(shí)踐使學(xué)生們體會(huì)到了知識(shí)的力量，然后就有了學(xué)習(xí)理論原理的動(dòng)力.

與此同時(shí)，筆者要求學(xué)生自主調(diào)研，找到一個(gè)研究課題，利用一個(gè)教學(xué)周期的時(shí)間進(jìn)行理論模擬研究，到期末完成計(jì)算和分析，按照期刊論文的格式上交一篇課程論文.大三的學(xué)生已學(xué)過(guò)多門(mén)專(zhuān)業(yè)課，比如半導(dǎo)體物理、薄膜材料等.他們也大都有科研立項(xiàng)、科技競(jìng)賽經(jīng)歷，能選擇一個(gè)有意義的課題，利用本課程所學(xué)計(jì)算機(jī)模擬方法開(kāi)展研究.這樣，學(xué)生們一邊學(xué)習(xí)原理，一邊進(jìn)行自己的研究，實(shí)踐與理論相互交融于整個(gè)學(xué)期，提高了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力.課程論文中那些有較好創(chuàng)新點(diǎn)的研究，經(jīng)進(jìn)一步指導(dǎo)后，可以投稿到SCI期刊發(fā)表.圖1給出的流程圖表明了PTI模式的逐步深化過(guò)程.對(duì)于每一個(gè)學(xué)生而言，第三步是貫穿于整個(gè)教學(xué)周期的，并可以延續(xù)到大學(xué)畢業(yè)，讓專(zhuān)業(yè)真正成為學(xué)生的專(zhuān)長(zhǎng).

舉例為證.2019年春季課程期間，有兩個(gè)學(xué)生利用第一性原理密度泛函理論模擬了冰II、XV相的原子分子振動(dòng)，研究了振動(dòng)譜和振動(dòng)模式的關(guān)系，對(duì)遠(yuǎn)紅外區(qū)的氫鍵振動(dòng)有了新的發(fā)現(xiàn)和理論認(rèn)識(shí).老師認(rèn)為這些研究有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值，指導(dǎo)學(xué)生利用暑假進(jìn)一步深入探討，最終將研究成果投稿到期刊Molecules，并很快于8月底在線發(fā)表[5,6].這兩個(gè)案例表明，從實(shí)踐訓(xùn)練到理論學(xué)習(xí)，再到創(chuàng)新應(yīng)用的升華過(guò)程，以大學(xué)生發(fā)表期刊論文為標(biāo)志，最快半年的時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn).

2.2 將理論課有機(jī)拓展到第二課堂的科研訓(xùn)練

圍繞專(zhuān)業(yè)課，筆者在課后組建了一個(gè)大學(xué)生科研訓(xùn)練團(tuán)隊(duì).通過(guò)定期的學(xué)術(shù)討論會(huì)，解決面上的共性問(wèn)題，比如學(xué)習(xí)英語(yǔ)文獻(xiàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，講解技術(shù)手段等；再通過(guò)一對(duì)一的指導(dǎo)加快科研成果的產(chǎn)出.尤其在英文論文寫(xiě)作方面，老師要提供范文，讓學(xué)生在完成建模計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和分析作圖后，進(jìn)行模仿寫(xiě)作.學(xué)生在研究問(wèn)題時(shí)都會(huì)遇到理論落后于實(shí)踐的困境.此時(shí)老師要及時(shí)指導(dǎo)，才能保證學(xué)生持續(xù)取得研究進(jìn)展.

本科生實(shí)行導(dǎo)師制，或者學(xué)生在老師指導(dǎo)下參加科技競(jìng)賽等學(xué)術(shù)活動(dòng)在高校中已經(jīng)是常見(jiàn)做法，因此，學(xué)生有機(jī)會(huì)參與導(dǎo)師科研團(tuán)隊(duì)的課題組討論.筆者組建學(xué)生科研訓(xùn)練團(tuán)隊(duì)的鮮明特點(diǎn)是與課程論文等學(xué)生個(gè)人課題緊密結(jié)合.這樣，本科生已經(jīng)不僅僅是一個(gè)旁聽(tīng)生的角色，而是一個(gè)個(gè)的科研參與者.他們帶著自己的研究問(wèn)題參加學(xué)術(shù)討論，獲得指導(dǎo)，不斷取得科研進(jìn)展.

同時(shí)需指出的是，該團(tuán)隊(duì)并非只有大三學(xué)生組成，還包括了所有途徑參與進(jìn)來(lái)的各個(gè)年級(jí)的學(xué)生.每年老生畢業(yè)、新生加入，團(tuán)隊(duì)向前滾動(dòng)發(fā)展.有些特別出眾的學(xué)生，從大一就表現(xiàn)出強(qiáng)烈的研究興趣.這類(lèi)學(xué)生通過(guò)積極介入團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)活動(dòng)，很快會(huì)有自己的科研產(chǎn)出.例如2017級(jí)有位本科生，2018年就通過(guò)自己的努力完成了課題研究，其成果于2019年發(fā)表于中信所二區(qū)期刊New Journal of Physics[7].2020年，該生又在二區(qū)期刊Journal of Physical Chemistry C上發(fā)表新文章[8]，并作為核心隊(duì)員參加第十六屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽，獲全國(guó)二等獎(jiǎng).這樣的學(xué)生如果早發(fā)現(xiàn)、早培養(yǎng)，可以促進(jìn)他們?cè)绯刹?、快成才，將?lái)成為國(guó)家棟梁之才.與之對(duì)比的是，有一名2015級(jí)學(xué)生因有多門(mén)不及格成績(jī)而延遲畢業(yè).該生立志要出國(guó)留學(xué)，有強(qiáng)烈的意愿發(fā)表論文.2019年年末，其研究成果發(fā)表于期刊ACS Omega[9].可見(jiàn)，學(xué)生只要有學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力，經(jīng)過(guò)培養(yǎng)都有可能成才.

2.3 教改前后成效對(duì)比

山東大學(xué)空間科學(xué)與物理學(xué)院自2007年為物理專(zhuān)業(yè)大三學(xué)生開(kāi)設(shè)“材料模擬與計(jì)算”這門(mén)課.起初設(shè)為選修課，教學(xué)效果不理想，甚至2013年未開(kāi)課.筆者從2016年開(kāi)始主講這門(mén)課，在按照傳統(tǒng)模式講授一輪后，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題很多，主要有三點(diǎn)：一是依靠單一教材，教學(xué)內(nèi)容陳舊，并且有很多量化計(jì)算的內(nèi)容不適合物理類(lèi)學(xué)生；二是教學(xué)方法傳統(tǒng)，滿堂灌講理論，學(xué)生聽(tīng)課效果不好；三是泛泛地講了很多概念，缺少解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)例，學(xué)生感覺(jué)不到這門(mén)專(zhuān)業(yè)課能解決實(shí)際問(wèn)題，聽(tīng)課興趣下降.2017年開(kāi)始進(jìn)行教學(xué)模式改革，結(jié)合科研實(shí)踐選擇了六個(gè)有代表性的案例，并綜合多本教材和專(zhuān)著，自編講義，以晶材材料的研究為主線，重設(shè)教學(xué)大綱.在采取了以上兩個(gè)主要的步驟后，改革成效顯著.如表1所示，從學(xué)生評(píng)分來(lái)看，教改前平均得分89.72，教改后是93.42.教改前沒(méi)有學(xué)生依據(jù)所學(xué)理論發(fā)表研究論文.教改后，截至目前，學(xué)生已發(fā)表計(jì)算凝聚態(tài)物理領(lǐng)域第一作者SCI論文14篇.

表1 教改前后學(xué)生評(píng)教和發(fā)表文章數(shù)據(jù)

表2列出了學(xué)生入學(xué)時(shí)間、發(fā)表論文時(shí)間、期刊、影響因子和畢業(yè)去向.從中可見(jiàn)，論文都是本科生在校期間發(fā)表的.基于本科期間培養(yǎng)了良好的科研潛力，有兩名獲美國(guó)名校的博士全額獎(jiǎng)學(xué)金留學(xué)，其余大都去了國(guó)內(nèi)更好的平臺(tái)繼續(xù)深造.

表2 學(xué)生發(fā)表論文與畢業(yè)去向列表

3 綜合施策保證創(chuàng)新人才培養(yǎng)的成效

教學(xué)改革關(guān)注的熱點(diǎn)往往是MOOC、SPOC等線上或線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式.這些新的教學(xué)理念和方法，本文討論的教學(xué)改革也同樣適用，但不是本文討論的重點(diǎn).從理論學(xué)習(xí)到知識(shí)創(chuàng)新不可能全部在課堂上完成.為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，筆者提出了PTI教學(xué)模式和課后科研訓(xùn)練相結(jié)合的綜合方案.教學(xué)實(shí)踐中，還需要具備如下一些要素.

3.1 教學(xué)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)具備與專(zhuān)業(yè)課相關(guān)的科研能力

一個(gè)教學(xué)單位，會(huì)根據(jù)學(xué)科發(fā)展和科研實(shí)力，為學(xué)生開(kāi)設(shè)專(zhuān)業(yè)方向課，并讓那些活躍在科研一線的教師做主講.專(zhuān)業(yè)課不同于基礎(chǔ)課，其理論必須緊跟學(xué)科的發(fā)展，就是說(shuō)，要把學(xué)術(shù)前沿的理論和問(wèn)題帶入課堂.這樣的要求對(duì)于以教學(xué)為主的教師就很難承擔(dān).這些師資將精力放在基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課上比較合適.同時(shí)，現(xiàn)實(shí)條件下，學(xué)術(shù)帶頭人肩負(fù)科研重任，研究生群體大，沒(méi)有精力再去組織本科生的課程和科研訓(xùn)練.

總之，要在一個(gè)教學(xué)單位內(nèi)部進(jìn)行師資的優(yōu)化配置，把合適的人放在適任的教學(xué)崗位，教學(xué)團(tuán)隊(duì)要有能力在完成專(zhuān)業(yè)課理論教學(xué)的同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生在該領(lǐng)域展開(kāi)科學(xué)研究.其實(shí)踐部分可以是教學(xué)案例，也包括到實(shí)驗(yàn)室制備和測(cè)試樣品.

3.2 學(xué)校要有相適應(yīng)的配套制度

實(shí)踐中，教改會(huì)涉及諸多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，比如，學(xué)生開(kāi)展研究的經(jīng)費(fèi)，如實(shí)驗(yàn)材料費(fèi)、論文版面費(fèi)從哪里來(lái)？學(xué)生有多大的愿意投入精力，深度參與學(xué)術(shù)研究？教師的積極性怎么鼓勵(lì)？學(xué)校、學(xué)院要有一套完備的體制機(jī)制作保障.

筆者所在學(xué)校的做法是，新生入學(xué)不久就通過(guò)本科生導(dǎo)師制建立師生的直接聯(lián)系，讓他們接觸科研.之后再通過(guò)申報(bào)大學(xué)生科研立項(xiàng)、科技競(jìng)賽來(lái)解決研究經(jīng)費(fèi)問(wèn)題.學(xué)生有科技創(chuàng)新積分的要求和相應(yīng)的榮譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì)制度，比如獲得保研資格等.同時(shí)，指導(dǎo)教師也有績(jī)效和榮譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì).總之，學(xué)校有配套的政策提供適宜的土壤并發(fā)揮導(dǎo)向作用.

4 結(jié)語(yǔ)

習(xí)近平總書(shū)記深刻指出：“基礎(chǔ)研究是整個(gè)科學(xué)體系的源頭，是所有技術(shù)問(wèn)題的總機(jī)關(guān)”.大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科專(zhuān)業(yè)課要緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐，課程設(shè)計(jì)追求高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，在培養(yǎng)創(chuàng)新人才方面做出有顯示度的成果.實(shí)踐證明，教學(xué)過(guò)程中按照從實(shí)踐到理論，再?gòu)睦碚摰絼?chuàng)新，即PTI的教學(xué)模式能有效提高學(xué)生的科研素養(yǎng).本文討論的教學(xué)改革指出了一條可復(fù)制、可模仿、可推廣的專(zhuān)業(yè)課教學(xué)路徑.數(shù)理化生等基礎(chǔ)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)課有一定的共性，因此，PTI的教改模式廣泛適用于基礎(chǔ)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)課教學(xué).

研究生教育就是要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，那么，本科生的專(zhuān)業(yè)課教改是不是越俎代庖了？當(dāng)然不是.本科生發(fā)表研究論文只是在某個(gè)點(diǎn)上取得了研究進(jìn)展，還不能在某個(gè)方向上展開(kāi)系統(tǒng)的研究，但這種創(chuàng)新能力的培養(yǎng)無(wú)疑會(huì)提升他們未來(lái)的科研潛力.本科生群體的發(fā)展是不平衡的，大學(xué)培養(yǎng)的結(jié)果會(huì)呈現(xiàn)從理解、應(yīng)用到創(chuàng)新的不同層次.為建設(shè)一流專(zhuān)業(yè)，努力增大創(chuàng)新人群的比重是本科教學(xué)追求的目標(biāo).

下一步繼續(xù)深化教改主要有三個(gè)方向：一是加強(qiáng)教學(xué)梯隊(duì)建設(shè).實(shí)踐中作者感受到個(gè)人的能力是有天花板的.以2019年為例，作者指導(dǎo)學(xué)生發(fā)表了7篇論文，已經(jīng)到達(dá)極限.只有發(fā)動(dòng)其他計(jì)算物理方向的教師投入到課程論文的指導(dǎo)，才能持續(xù)擴(kuò)大這門(mén)專(zhuān)業(yè)課的教改成效；二是對(duì)于一個(gè)學(xué)科點(diǎn)，還要推動(dòng)其他專(zhuān)業(yè)課教學(xué)的PTI模式改革.學(xué)生的興趣不可能都集中到一個(gè)方向.如果所學(xué)專(zhuān)業(yè)課都能將理論結(jié)合實(shí)踐引導(dǎo)學(xué)生深入課題研究，將會(huì)從面上提高學(xué)生整體的培養(yǎng)質(zhì)量；三是促進(jìn)基礎(chǔ)學(xué)科之間教學(xué)法研究的交流宣傳，為創(chuàng)新型國(guó)家的人才培養(yǎng)提供“新理科”的理念和方案.