基础科学班20年的探索与实践

阮 东 尚仁成 熊家炯 吴念乐

(清华大学物理系，北京 100084)

1 基础科学班的创立与发展

1997年年底，清华大学决定开办“基础科学班”(以下简称基科班)，以它作为学校的一个教学“试验田”，探索一流创新人材培养的新模式。1998年开始招生。

除了提高当时物理系、数学系的生源质量外，开办基科班的一个重要背景是我校于1997年6月成立了“清华大学高等研究中心”。该中心的目标是：加强清华大学的基础科学研究；倡导开拓性与科学首创精神；培养有创新能力的科研人才；开展高水平国际合作与学术交流，为建设世界一流的清华大学做出贡献。在这样的背景下，校领导认为有必要也有可能设立特殊的教学计划，使这些学生在数学、物理学等基础学科上得到深造，成为我国基础科学方面富有生气的后备力量，并使他们中的佼佼者成为国际科学技术舞台上的优秀人才。同时，要为学校有关院系培养有扎实数理基础的新型研究人才。这样就形成了基科班的培养目标：为数学、物理学等基础科学培养富有创新意识和具有国际竞争能力的优秀人才；也为与数理学科密切相关的其它学科培养具有开拓精神和良好理科素养的新型人才。

2005年1月，鉴于基科班在一流创新人才培养方面的办学成效，学校同意将基础科学班推广为大类模式，以“数理基础科学”专业招收本科生，年招生规模8个班，涵盖物理系4个班、数学系3个班和电子系1个班。前两年，学生学习共同的基础课程，强化数理基础和科学素养教育。第四学期，学生根据“双向选择”的原则确定专业方向。分流专业方向包括：基科(数学)、基科(物理)、基科(应用)，以电子系为主的信息学院等。

考虑到数学系与物理系在数理基础科学班的教学培养方面的理念差异，为了建立起符合基础学科一流创新人才培养规律的课程体系和科研实践训练体系，营造出有利于学生发展的环境和氛围，培养出有很好发展潜质的本科生，2010年学校同意“数理基础科学”专业从2011年开始恢复到原基科班的招生和培养模式，由物理系负责。新基础科学班继承了原基科班的培养模式。前两年，学生学习共同的基础课程，第四学期，学生根据自己的志趣自由选择物理学专业或数理基础科学专业。这种模式一直延续至今。

2017年，清华大学开始按大类招生，实施“大类招生与通专融合”的新模式。大类进行为期一年的大类培养，学生专业确认安排在第二学期。数理大类涉及数学系、物理系、工物系、材料院、航院等五个院系。大类的培养方案实际上就是基科班的培养方案在新时期的延拓和推广，特别是第一年的物理和数学课程。物理系的物理学专业和基础科学班都属于该大类。

为履行国家“强基计划”人才培养使命，2020年4月，清华大学新设立了五个书院，其中未央书院按照“理+工”双学士学位模式进行培养，它把基科班的“数理基础科学”专业完整地设为其理学学士学位，数学、物理课程达50多学分，为数理大类设置的两倍，突显了数理基础的核心地位。而与之相衔接的12个工学学士学位则聚焦于国家急需的新材料、新能源、供应链、测控、软件、微电子、智能制造、国家安全等关键领域，以服务于国家重大战略需求。这种模式也是清华大学为落实工科人才培养要加强数学、物理基础这个理念的重要举措。

2 基科班的办学理念

基科班在办学之初，就明确了培养目标，提出了“宽口径，厚基础，强实践”的培养方针，坚持以下办学理念：

2.1 充分认识因材施教，培养一流创新人才的必要性和可行性

因材施教是一种得到了社会广泛认可的教育理念，而培养一流创新人才却时常受到一些非议。其实这是同一种教育理念在不同范畴的应用。基科班成立之初，就强调因材施教，并将一流创新人才的培养放在重要的位置上。清华大学有优秀的生源，我们责无旁贷地要非常珍惜和充分发挥这种智力资源，通过适当的“途径”，培养出科学上的一流创新人才不仅必要，而且可行。为此，必须创建适合于优秀人才培养的教学模式和培养方案，并在课程设置、教学方法和考试模式等方面进行一系列创新性的改革。

2.2 同时打好物理学与数学基础，使学生能自主地选择适合自己的发展方向

1999年杨振宁先生与基科班1998级座谈

实践证明，在物理学和其他学科领域，要达到很高的境界，需要扎实的数理基础。杨振宁先生多次谈到数学和物理交叉的领域将会产生新的学科生长点。林家翘先生也提出数学不仅要和物理结合，而且要和Science 结合，这将会有更广阔的发展前景。基科班同时强化数理基础教育之后，学生无论是向物理学方向还是向数学方向进一步发展都是可能的，而且有一定的优势和特色；对那些想到其他学科深造的学生，良好的数理基础也会使他们受益匪浅。

2.3 强化本科生科研训练，提高学生探索与创新精神和能力

基科班的培养方案头两年是比较系统地打数学和物理学基础，从第三年开始的连续三个学期，让学生到校内外他们感兴趣的科研课题组中去，在教师指导下和那里的研究生一起参加科研实践，根据导师的建议选修课程及研读参考书书和文献，即通过科研实践来进一步学习。我们将这种方式叫seminar，并列为必修课。这是一种不同于课堂教学的新的培养模式，有利于学生创新精神和创新能力的培养，有利于掌握受用终生的“渗透式“学习方式，并使学生发现自己的喜爱和擅长研究领域。

2.4 营造宽松的育人环境，为人与为学并重，提高综合素质

注意加强人文精神的熏陶，使学生德智体等方面都得到综合发展。营造宽松的育人环境，给学生自由发展空间，关心和帮助所有学生找到适合自己发展的方向，使基础型与应用型一流人才各得其所、不断涌现。

3 培养模式的特色和设置

3.1 课程层次分明，突出数学、物理主干课

基科班的培养方案中，毕业总学分不少于170分。其中课程学习140学分，实践环节30学分。“课程学习”中包括18门数学和物理学主干课。数理课的学分超过了课程总学分要求的1/2，而且将数学和物理放在了同等重要的地位。

数学、物理主干课程包括必修课、限选课、替代课。必修课是对以后不管选什么学科方向都必须要修的课程。限选课(带“*”号)是根据以后所选学科方向的需要在导师的指导下来选择。替代课是扩大了必修课和限选课的范围，增加了选课的灵活性。

典型的数学、物理主干课程

数学替代课：①随机数学方法可以替代概率论(1)。②数学实验可以替代数值分析。③测度与积分可以替代拓扑学。

物理替代课：①固体物理(1)可以用核物理与粒子物理、原子分子物理、天体物理中任一门替代。②近代物理实验A可以用近代物理实验BCD中任一组替代。

在数理基础科学班时期，数学、物理基础课程的安排发生过较大的变化。

1) 2005年，数学系把高等微积分(1)(2)的教材换成了佐里奇的《数学分析》，为全体学生的必修课。以《数学分析》(3)为教材的高等微积分(3)为限选。在物理系的要求下，2007年增加了原基科班所采用的教材，即肖树铁先生编写的《微积分》，使得高等微积分分层次教学，学生可以二选一。从2009年开始，新生入学后可以选择由数学系或物理系管理，两个系分别制定了各自的数理基础科学专业的培养方案。数理基础科学专业(数学)的课程设置偏数学；数理基础科学专业(物理)的课程设置偏物理。数理基础科学专业(物理)的培养方案一是恢复了原基科班对高等微积分(1)(2)的要求和安排，即以肖树铁的《微积分》为教材；二是把两学期的高等代数与几何(1)(2)压缩为一学期的高等代数，这是因为精简了其中的内容。高等微积分(1)(2)与高等代数一直延续到现在。

2) 除了普通物理学(1)(2)(3)，又增设了三个系列：基础物理学(1)(2)(英文)、基础物理学原理与实验(1)(2)(3)、费曼物理学(1)(2)(3)。基础物理原理与实验是将普通物理和普通物理实验结合在一个框架内，理论教学和实验教学有机融合，由做实验研究的老师主讲，并负责安排配套的实验。费曼物理学选用著名的三卷本《费曼物理学讲义》为教材，这是为了解决一些优秀学生感到学习普通物理“吃不饱”的问题，尤其是参加过全国物理奥赛的学生。这两门课都是小班授课，人数控制在30人左右。经过十年的实践，这些新开课也都取得了很好的教学效果。2018年，在费曼诞辰百年之际，我们对费曼物理学课程做了研讨和经验分享(见：阮东《费曼物理学课程教学十年初探》，大学物理，37(5) (2018) 7-10. 王青《小班教学与翻转课堂：《费曼物理学II》的十年教学实践》，物理与工程，28(4) (2018) 20-38. 阮东、王青、徐湛《费曼物理学10年教学小结》，物理与工程，28(6)(2018) 15-17.)。

这种“分层次”设置主要是考虑到大类中的学生在数学、物理基础方面的差异，以及第二年学生分流所选学科方向对数理基础的不同要求。

2017年学校开启“大类招生与通专融合”模式，数理大类的数学、物理基础课程的安排依然延续基科班的设置理念，只是把基础物理学原理与实验课程中的理论与实验分开了，分别称为基础物理学和基础物理实验，以满足大类分流的需要。

MIT黄克孙教授讲“统计力学”

卢德馨教授讲“大学物理”

黄惟承教授讲“分析力学”

俞允强教授讲“电动力学”

除了精心设置数学物理主干课，邀请校内外优秀教师讲授这些课程也是重要的一环。名师不仅传授知识，还能在为人与为学方面给学生以更多的启迪，激发学生学习的积极性。

3.2 开设必修的专题研究课，特色鲜明，措施落实

基科班在其培养理念中特别强调对学生的科研实践训练。为此，在第五、六和七学期特别开设了“专题研究(seminar)”课(必修，三学期，共9学分)。seminar的目的是培养学生在教师指导下的边学习、边研究；培养学生的探索与创新精神；密切教师与学生的联系，并有利于学生向不同方向分流和因材施教。

最初两届的做法是领导小组在校内外聘请seminar导师，由导师提出课题，列出必读文献，向学生公布，学生则根据自己的兴趣，爱好，报名选择题目和相应的导师。推动之后不久便形成了学生自己主动去联系他们喜爱的导师的方式。在三个学期的seminar中，学生可以根据自身情况自由地调整学科方向和换导师。在第三个暑期小学期进行全班性的seminar进展交流，要求每个学生汇报自己的研究工作进展并报告对所研究领域的学科前沿的理解。

基础科学班图片展(摘)

教师普遍欢迎基科班学生到他们的课题组去做seminar，他们认为基科班学生数理基础好，思维活跃，进入课题快。清华大学计算机系张钹院士、朱仲涛老师说：经过专题讨论课三阶段模式的培养，大部分参加专题讨论课的基础科学班学生都达到了预期的培养目标，他们系统地学习了开展相关研究所必需的数学理论，可以相当顺利地研读相关方向的最新研究成果，同时具备了相当出色的计算机编程能力，在本科高年级就参与课题组的研究任务，使培育出高质量、创造性人才的总体目标的实施得到了有力的保证。实践表明，在智能技术与系统国家重点实验室工作的基础科学班学生，到本科毕业设计即将结束时，常常可以撰写出有一定深度、有一定创新结果的论文，并开始向高水平的国内外专业期刊投稿。清华大学天体物理中心李惕碚院士说：从这几年的实践我们认识到，seminar 这种形式的课程对学生是一个很好的培养方法，学生在前两年学习基本理论的基础上，真刀真枪地投入科研实践，在这里，他们发现科学殿堂是如此之广阔，还有很多很多方面需要自己去学习、去探索。也有一部分同学因适应了从书本学习，开始科研实践时，仍花较长时间在书本和杂志中徘徊，不敢动手去研究一个问题，在导师的指导下，许多同学很快学会了“下水学游泳”的道理，动手去实实在在地研究一问题，也才逐渐体会到科学研究的甜头，这才真正学到了有用知识。seminar 这种形式对学生早接触科研实际，培养学生在实践中学习起了很大作用。目前基科班学生是三年级才开始进入科研课题做seminar，而一些成绩优秀的学生，进入seminar模式还要早一些，提前进入科学前沿去探索大自然的奥秘。

根据无记名问卷调查，学生对seminar反映很好，普遍认为能够通过seminar尽早接触科研，接触科学家，了解学习科学研究的过程，学会如何在科学研究中学习，收获很大。通过seminar，学生还能寻找自己感兴趣的方向，以利确定今后的发展方向。学生们对参加seminar可以根据自身情况调整方向的灵活机制也很满意。

1998—2015级本科生科研训练所选学科分布(前15个)

无记名问卷调查结果

实施seminar 15年来，学生做seminar有记载的已达3300多人次，学生自由选择的学科分布达40多个。

从十五年的整体数据来看，选择基础学科(物理、天文、数学、生物、化学)的比例近58%，交叉与应用学科的比例约42%。选择比例最高的三个学科分别是：物理学41%、经济学15.4%、计算机8.6%。若从每年的数据统计来看，选择物理学方向的比例始终为最高，但02级、03级和13级选择物理学方向的比例低于30%。选择比例高的其他学科方向则带有比较明显的时代迹象：早期是数学，中期是经济金融，现在是计算机。

学生在科研方面获得了实质性训练，发表了相关学术论文，申请了国内外专利，在国际国内会议上宣读论文等。学生根据兴趣参加了相关学科的竞赛活动，也取得了可喜的成绩。

1998—2015级本科生科研训练选择物理学、经济学、数学分布

物理系本科生近年在Nature及子刊、PRL等上发表的部分论文

[1] Shunyu Yao(姚顺宇), Fei Song, and Zhong Wang, Phys.Rev.Lett. 121 (2018) 136802.

[2] Shunyu Yao(姚顺宇) and Zhong Wang, Phys.Rev.Lett. 121 (2018) 086803.

[3] Xin Chen, Ruihua Fan,Yiming Chen(陈一鸣)，Hui Zhai, Pengfei Zhang(张鹏飞), Phys.Rev.Lett. 119 (2017) 207603.

[4] C. Zu, W.B. Wang, L. He, W.G. Zhang(张文纲), C.Y. Dai(戴澄宇), F. Wang, L.M. Duan, Nature 514 (2014) 72.

[5] Giulio Chiribella, Yuxiang Yang(杨宇翔), Andrew Chi-Chih Yao, Nature Commun.4, 2915 doi:10.1038/ncomms3915, 05 December 2013.

[6] Zhang Jian(张剑), Chao-Ming Jian(简超明), Fei Ye and Hui Zhai, Phys. Rev. Lett. 105, 155302 (2010).

[7] Chunji Wang(王春吉), Chao Gao, Chao-Ming Jian(简超明) and Hui Zhai, Phys. Rev. Lett. 105, 160403 (2010).

物理系本科生近年申请的部分国内外专利

[1] X.F He(何性峰), Y. Wu: A method to produce anode of Lithium Ion Battery (using sprayer to spray cobalt nitrate on SACNT fim), 美国专利申请号: 2012A-56414/CN56427

[2] X.F He(何性峰), Y. Wu: A method to produce anode of Lithium Ion Battery (using magnetron sputtering to produce Co3O4/SACNT composite electrode), 美国专利申请号: 2012A-56415/ CN56428

[3] 张丽娜，高新雨*，杨琪耀，姜开利，刘长洪，范守善: 膜电极及燃料电池(FUEL CELL MODULES)申请号：中国CN201510281370.1，台湾TW104121220，美国US14/970045

[4] 马艺妮*，张文增: 腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置, 申请号：2016103388662, 申请日：2016.05.19, 公布号：CN105881564A, 公布日：2016.08.24

[5] 马艺妮*, 张文增: 绳驱磁流变液颗粒增强通用抓持装置, 申请号：201610338847X, 申请日：2016.05.19,公布号：CN105798940A, 公布日：2016.07.27

[6] 齐景辰, 马艺妮*, 张文增: 空程接触式齿轮平夹自适应机器人手指装置, 申请号：2016103463714, 申请日：2016.05.23, 公布号：CN105798936A, 公布日：2016.07.27

[7] 齐景辰, 马艺妮*, 祝天一,张文增: 活塞驱动磁流柔性机器人手装置, 申请号：2016103392564, 申请日：2016.05.19, 公布号：CN105856185A, 公布日：2016.08.17

3.3 根据自己志趣，引导学生向不同学科分流

为了有利于基科班学生的发展，针对基础科学班学生的分流和免试推研，学校教务处和研究生院都制定了相关政策。

seminar是对学生实行分流的一种有效渠道。学生一开始就可以挑选适合于自己的导师和题目，中间还可更换。通过几次选择，若学生认为该题目和导师适合于自己，就可进一步在导师指导下做毕业论文。这也为进一步深造选择自己感兴趣的研究领域和研究方向打下基础。

4 总结

基科班二十年一路走来，开辟了探索一流创新人才培养的新征程，从最初的试点，经过不断努力探索和实践，到现在的办学理念、培养模式、培养方案等已基本确定。基科班在自主招生(校内二招、竞赛招生)、数学物理通识教育、科研实践训练、个性化培养和更大发展空间等方面有所创新，积累了丰富的经验，同时，基科班办学也积极带动了基础课程体系改革、教学方法改革，以及物理学科一流创新人才培养等，主要是基础课程的分层次教学和学堂物理班。这些教育和教学理念在当今高等教育改革与发展中，也越来越受到重视。

从基科班学生的反馈来看，基科班的培养模式得到了他们的高度认可，尤其是学生可以根据自己的志趣“自由选择”今后的发展方向。学生通过科研训练来了解学科，并通过自由选择来确定专业方向，这是学生热爱所选专业，积极主动学习的动力源。同时也为学生的进一步发展奠定了很好的基础。

基科班的培养模式以及基科班的学生得到了校内外的任课老师、seminar导师、研究生导师的高度评价。北大物理系赵凯华教授说：基科班的学生相当突出，对物理的兴趣和理解的深度都是相当好的。清华采取基科班的措施十分重要。从开始就把全校其他系的一些好学生招来，有些人对基础科学很有兴趣，也很有才能。应扩大招生规模，将来有一部分学生回到工科去，有了较好的理科基础一定能学好工科的课程。北大物理系曾谨言教授说：基科班是培养人才最好的办法。我给基科班二年级同学上量子力学课，大部分学生都很努力。如何出人才？基科班学生中很有人才，要好好培养。我采取了一种办法，学生如果能提出和解决一些前沿问题，我认为较好的，就可以不参加考试。基科班能做到这一点的学生比例较其他学校高。北大力学系陈滨教授说：给基科班上课采用了一些新的教学思路和措施，不是强加给学生一个学科的“体系”，而是加强了人文精神(即思辨)和批判精神的培养，并且加强从不同方面和不同层次上引导学生思考问题和解决问题(老的问题和前沿的问题)。基科班响应的学生占20%左右，高于我教过的其他学校的学生响应的比例。香港大学物理系郑广生教授说：基科班学生在国际会议上非常活跃，英文非常好，在校内的学术活动中也很活跃，学术报告中学生提问也很积极。

二十年来，基科班在人才培养方面成效显著。

1) 基科班早期毕业的学生中已有不少优秀学生脱颖而出，涌现出一批国际上引人注目的新星，有的已经成为国际学术界年轻一代的领军人物，有的研究成果在行业界引起重大的影响。例如，如祁晓亮、陈谐分获2016年度、2020年度科学突破奖——物理学新视野奖(New Horizons in Physics Prizes)，人数在国内高校物理系(学院)排首位。何恺明在人工智能领域已是一位国际顶级科学家。在美国享有盛誉的、专门奖励科学领域最杰出青年人才的斯隆研究奖(Sloan Research Fellowships)，到2019年，本科毕业于中国大学的获奖者中，已有15位来自清华物理系，其中物理学6位，其他学科有计算机3位、神经科学3位、分子生物学2位、数学1位。

2) 追求学术，毕业后决心以学术为生涯的学生比例明显增多。毕业生中决定继续深造的人数比例基本稳定在90%左右，其中国内保送研究生和出国深造读研在不同时期此消彼长。从数据统计来看，物理系留在国内读研的比例要高于出国读研的比例，除了数理基科班的05级和08级，这两届的出国读研比例都超过了50%。单从基科班和基科(应用)的数据来看，03级、04级、05级以及08级的出国读研比例接近或超过50%，要高于国内读研的比例。从物理系的整体数据来看，除了05级和08级，其他各级出国读研的比例均低于国内读研的比例。

基科班的培养模式发挥了良好的示范作用。首先在校内被不少院系借鉴效仿，例如，相继成立了化生基础科学班和钱学森力学班等多个类似的人才培养特区，2009年开始实施的清华大学学堂计划也借鉴了基科班的办学经验，在更大范围深化了本科教育的改革。另外，基科班的培养模式也已被包括中国农大、北京理工、四川电子科技大学、北京邮电大学、大连理工、西北工业大学等多所兄弟院校借鉴，在不同学科(院系)，成立了类似培养模式的班，促进了高等教育人才培养模式的改革。2011年，基科班独具特色的科研训练(创新训练)首次纳入了教育部高等学校物理学类专业教学指导分委员会制定的2010版《高等学校物理学本科指导性专业规范》和《高等学校应用物理学本科指导性专业规范》的本科专业知识体系中。

基科班是清华大学探索一流创新人才培养的重要实践成果。基科班二十年探索与实践，在因材施教、基础学科人才和跨学科人才培养等方面成效显著，为一流创新人才培养和教学改革提供了宝贵经验。

“数理基础、科研训练、自由发展”是基科班一流创新人才培养的基本理念。物理系将在总结基科班成功办学的经验基础上，结合学校“价值塑造、能力培养、知识传授三位一体”核心教育理念，构建包括一流学科、高水平师资、优质生源在内的质量保证体系，努力增强培养方向的多样化和评价标准的多样性，全面提升人才培养素质，为国家培养出更多的优秀人才。在下一个二十年，基科班将再创一流创新人才培养的新篇章。