依托科研实例课程开展科教融合创新人才培养*

邱 宏 徐 美 于明鹏 吴 平 王凤平

（北京科技大学 数理学院物理系，北京 100083）

随着国内高等院校科研水平的不断提高，以及教育教学改革的不断发展，开展科教融合培养学生创新能力已经成为教育教学改革的重要内容之一。科教融合培养创新人才的理论研究和实践探索都取得了较大的进展［1-4］。以科研促进教学，开展研究型教学已经成为教育教学改革的重要组成部分［5-7］。最近，Brennan等人在研究教学和科研的相互关系时发现，科研可以促进教学，教学也可以促进科研［8］。Artes等人把高校教师的科研水平分成高、中、低三个层次，研究了教师科研水平对教学质量的影响，他们发现，具有高等和中等科研水平的教师的教学质量高于具有低等科研水平的教师的教学质量，同时也发现具有中等科研水平的教师的教学质量高于具有高等科研水平的教师的教学质量［9］。另外，Palali等人在研究本科生教学和研究生教学中教师的科研水平和教学水平的关系时发现，由于本科生课程和研究生课程之间的差异，具有较高科研水平的教师表现出较高的研究生教学水平，而教师的本科生教学水平同他的科研水平之间并没有显示出一个正向的关联［10］40-49。因此，科教融合培养创新人才的过程具有特定的复杂性和多样性，这一过程还需要不断地探索和实践，从而摸索出一套行之有效的科教融合培养创新人才的教育教学方法。

我们从2000年开始探索把科研成果引入本科生的实验教学中［11-16］，2008年开始在物理系专业课程中探索实施研究型教学的方法，在教授学生理论知识的同时，培养学生的科研能力和科学精神，收到了较好的效果，使得学生普遍收益，获得学生的好评［17-20］。此外，我们对所实施的研究型教学的学生状况仔细分析后发现，有48%的学生在研究型教学的科研训练环节完成了一个真实的科研小课题。随后，我们很自然地提出了一个问题：能否让100%的学生都能在研究型教学的科研训练环节中完成一个真实的科研小课题呢？由于科研场地、科研设备、师资力量、学生的时间、学生的兴趣等多种条件的限制，这一问题的答案是否定的。科教融合的研究型教学的核心目的是在教授学生扎实掌握理论和专业知识的同时，培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的科研能力以及科学精神。为了实现这一教学目的，我们提出开设一门以教师完成的科研实例为内容的课程，通过这种科研实例课程教授学生更丰富的理论和专业知识，并使学生全面地了解科研中是如何发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的，并告知学生科研过程中的成功和失败的经历，从而达到培养学生的科研能力和科学精神的目的。通过这种“纸上谈兵”的科研实例课程，使听课的全体学生在知识上、科研能力和科学精神的培养上都有所收获。此外，这种科研实例课程也进一步丰富了科教融合的研究型教学培养创新人才的教学方法。

基于上述考虑，我们从二十多年在薄膜材料研究领域所做的科研工作中精选出了7个科研实例，把它们编排成一门“薄膜研究实例分析”课程，从2017年开始为大学四年级本科生和研究生开设。通过课堂上的讲授，使学生不仅更深入地学习了理论和专业知识，而且还培养了科研能力和科学精神。通过这种“纸上谈兵”的科研实例课程的前期学习，为学生将来开展真实的科研工作打下了一个良好的基础。这是以较少的设备成本、人力成本和时间成本的投入，获得较好的人才培养效果的一种方式。这门课程的实施是一种更高和更广层次上的科教融合的研究型教学培养创新人才方法的尝试。本文将详细介绍这门课程的相关内容和实施过程，并总结归纳了科研实例类课程应该具备的6个主要特征。

一、科研实例课程的内容

科研实例课程不同于学术报告。科研实例课程是针对本科生和研究生开设的课程，通过课程的学习使学生掌握理论和专业知识的同时，培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的科研能力以及科学精神。而学术报告是针对某一科学研究领域的学术同行开展的学术交流。

科研实例课程应该具备以下6个主要特征：（1）具有知识的应用性和学习性。使得学生在灵活应用已经掌握的理论和专业知识解释实验结果的基础上，进一步深入学习更多的专业知识。（2）具有科学研究的逻辑性。实例从发现问题和提出问题出发，确定研究题目和研究目的，开展理论或实验研究，获得研究结果并能用所学的知识解释结果，最后得出研究的结论；并且随着研究的不断展开，还能够不断地提出新问题。（3）具有培养目标的一致性。科研实例分析课程要同本专业的学生培养目标相一致。（4）具有培养学生科研能力的属性。实例要重点突出培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题能力的属性。（5）具有适应性。实例的内容要适合学生的知识水平，不宜过难。（6）具有故事性。实例要真实再现科学研究的全过程，告诉学生成功和失败的经历，培养学生的科学精神，起到教书育人的作用。

“薄膜研究实例分析”是物理系的专业选修课程，该课程32学时，为大四本科生和研究生开设。由于物理系的很多学生将来会在凝聚态物理领域工作，并且薄膜材料也是凝聚态物理的一个重要组成部分，因此这门课程的授课内容同物理系制定的学生培养目标相一致。我们精选出的7个科研实例满足科研实例课程的6个特征，其具体名称如下：（1）直流偏压溅射法和低温外延生长金属薄膜；（2）高压电常数d31薄膜的制备及应用；（3）沉积速率对Al薄膜的结构和电学性质的影响；（4）NixFe100-x合金薄膜的结构；（5）Ni、Al共掺杂ZnO薄膜的结构和物理性质；（6）用磁控溅射法制备网状结构薄膜；（7）金属薄膜／导电聚苯胺复合材料的电阻温度特性。

每一个实例构成课程的一章，每一个实例从问题的提出开始，为了解决和回答这个问题，引出研究的题目。讲解实例之前，先讲解同这一研究实例相关的一些理论和专业知识。然后，课程讲解按照科学研究的逻辑方式展开，其顺序是研究目的—实验设备—实验条件（薄膜的制备条件、结构的观察、物理性质的测试）—实验结果和讨论—结论。

实例从提出问题开始，以此告诉学生，科学研究的题目来自于问题，并通过科学研究解决问题，从而使学生对发现问题和提出问题的重要性有一个更深刻的理解，培养学生发现问题和提出问题的能力。为了使学生能够更好地理解实例所讲解的研究工作以及能够用所学的理论和专业知识解释和探讨实验结果，在实例讲解之初，需要给学生讲授一些同实例有关的基础知识，这些基础知识的讲解，也丰富了学生的理论和专业知识内容。在讲解研究目的时，需要注重告诉学生针对提出的问题确定研究题目，如何简单明了地提出研究目的，并且明确研究主要完成什么工作。在实验设备和实验条件的讲解过程中，使学生了解实验设备的工作原理，实验条件影响薄膜结构和物理性质的机理，加深理解在科学研究中如何选择实验设备和实验方法以及如何选择实验条件，从而能够使科研工作更有效地开展。在实验结果和讨论的讲解过程中，着重讲解如何全面准确地描述实验获得的结果，并且如何应用所学的理论和专业知识解释实验结果，深入挖掘实验结果背后的物理机理，加深理解材料的结构与物理性质之间的相互关联，培养学生应用所掌握的理论和专业知识分析问题和解决问题的能力。最后，通过结论部分的讲解，教会学生使用科学的语言，简洁明了地概括总结实验结果，培养学生从大量科学研究的结果中提炼出最终结论的能力。

随着实例讲解的展开，告诉学生这一实例背后的科研故事，分享科研过程中的成功和失败的经历，培养学生实事求是、严谨求实、不怕困难、百折不挠、追求真理的科学精神。在讲授具体科研内容的同时，重点培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的科研能力。

二、课程具体实践

以第一章“直流偏压溅射法和低温外延生长金属薄膜”的讲解为例，简单介绍本课程的具体讲授方法。作为基础知识的讲授，介绍了直流偏压溅射法的发明历史，在当时的历史条件下发明者为什么会想到用直流偏压溅射法制备薄膜材料。讲解了直流偏压溅射法中产生的高能氩粒子轰击正在生长的薄膜时，对薄膜结构影响的物理过程和机理。这些基础知识进一步拓展了学生的理论和专业知识。

根据基础知识可知，直流偏压溅射过程中产生的高能氩粒子轰击正在生长的薄膜，可以改善薄膜的结晶质量，而升高沉积温度也可以改善薄膜的结晶质量，高能氩粒子的轰击和高的沉积温度对薄膜的结构具有相同的效果，这两个制备条件对于薄膜结晶质量的改善具有一定的互补性。因此，提出问题：能否用直流偏压溅射法在单晶衬底上在较低的沉积温度下实现具有较大晶格失配度的金属单晶薄膜的外延生长？据此确定了研究题目：在MgO（001）单晶衬底上直流偏压溅射Ni薄膜的结构和电学性质的研究。随后，讲解了研究目的、实验设备和实验条件、实验结果和讨论以及结论。

在讲授实验设备和实验条件（包括薄膜的制备条件和分析手段）时，进一步加深了学生对实验设备原理的理解，并学会在科研过程中如何选择和应用实验设备，从而达到所确定的研究目的（目标）。在讲授实验结果和讨论时，使学生学会全面细致地描述所获得的实验结果，并使学生学会如何应用所掌握的物理学理论和专业知识分析和解释所获得的实验结果，亲身感受理论和知识应用到科研工作的全过程，培养学生的应用能力、分析问题和解决问题的能力，解决了学以致用的问题。最终，给出这一研究所获得结论：应用直流偏压溅射法能够在较低的沉积温度下在MgO（001）单晶衬底上实现Ni单晶薄膜的外延生长。

当获得上述结论后，一个新的问题又被提出。用直流偏压溅射法在MgO（001）衬底上还能实现其他金属单晶薄膜的外延生长吗？即上述的研究结果具有普遍性吗？从这一问题出发引出了新的研究课题：在MgO（001）单晶衬底上用直流偏压溅射法制备的Cu、Co薄膜的结构研究，重复新一轮的研究，最终获得结论：在MgO（001）单晶衬底上在较低沉积温度下用直流偏压溅射法能够实现Cu、Co单晶薄膜的外延生长，这一研究结果具有普遍性。

获得了这一研究结果后，又继续提出了新的问题。为什么在如此大的晶格失配度的条件下单晶金属薄膜能够在单晶衬底上外延生长呢？为了回答这一问题，确立新的研究课题：金属薄膜与MgO（001）之间的界面结构研究。这一研究的结果告诉学生，在金属薄膜与MgO（001）之间的界面处形成的失配位错是外延生长的关键，进而从物理机理上最终解释了在大的晶格失配度的条件下单晶金属薄膜在单晶衬底上外延生长的现象。

“薄膜研究实例分析”课程的7个实例全都是按照上述讲解方式展开的。在讲授完所需要的理论和专业知识的基础上，以提出问题的方式开始，进而确定研究题目，按照研究目的、实验设备、实验条件、实验结果和讨论、结论的顺序逐渐展开，遵循从提出问题到科学研究再到提出新的问题，这样一个循序渐进的科学研究的过程，展现给学生一个较为真实的、全面的科研工作。使学生充分认识到所有的科学研究都来自于问题的提出，培养学生发现问题和提出问题的能力。通过实验结果和讨论的讲授，使学生学会应用所学的理论和专业知识分析和解释实验结果，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生把所掌握的知识灵活地应用到实际工作中。

在讲授实例的过程中，全景式地再现研究的过程，特别是把科研过程中的失败和教训告诉学生，把分析失败原因的方法教给学生，教会学生在科学研究中如何从失败走向成功，从而培养学生不畏失败、勇于探索的科学精神，起到教书育人的作用。

三、课程教学的重点和核心

本课程教学的核心目的是在使学生扎实地掌握理论和专业知识的同时，培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的科研能力以及科学精神。因此，在讲解每一个科研实例时，要重点突出两个方面：（1）科研实例是如何作为科研题目提出的，这一研究在当时具有的前沿性，以及这一研究对物理学和材料科学的进步有什么推动作用。（2）在科研实例中，应用了哪些所学的物理知识和材料科学的知识分析和解释了实验结果，从而获得了最终的结论。

例如，第一章的实例“直流偏压溅射法和低温外延生长金属薄膜”，当时前人已经获得了用直流偏压溅射法制备出较高纯度的薄膜和具有较好结晶性的薄膜。此外，通过升高沉积温度是获得较好结晶质量的薄膜和单晶薄膜的常用方法。但是，高沉积温度通常导致薄膜内存在较大的内应力（热应力），从而对薄膜的结构和物理性质产生不良的影响。另一方面，衬底和薄膜之间的晶格常数的失配度对外延生长单晶薄膜的影响很大，失配度越小，越容易在单晶衬底上形成外延生长的单晶薄膜。根据上述已有的研究成果，进而提出一个问题：能否用直流偏压溅射法在单晶衬底上在较低的沉积温度下实现具有较大晶格失配度的金属单晶薄膜的外延生长？针对这一问题，开展科学研究，获得的结果具有理论意义和实际应用价值，体现出这一科研实例的前沿性。

如上所述，在授课过程中，把每个科研实例的科学前沿性和其在理论和实际应用中的意义讲授给学生，并且把如何从前人已有的科研成果中发现问题和提出问题，进而开展自己的科学研究，是非常重要的。

在每个科研实例的讲授过程中，涉及薄膜的制备设备和分析、测试仪器，例如，真空蒸发镀膜设备、溅射镀膜设备、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、电子衍射、X射线衍射、四探针电阻测量仪等，学生已经学习了这些设备和仪器的原理，进而使学生切实感受到所学的设备和仪器及其原理在实际中的应用。此外，在讲授科研实例时，对于研究结果的分析和解释，应用了学生所学的大量的物理理论和专业知识。例如，用电子衍射或X射线衍射分析薄膜的结晶特性，学生用到了所学的布拉格方程和晶体结构的知识。例如，用学生所学的固体物理知识解释金属薄膜的电阻随温度的变化关系。通过这些讲授，很好地培养了学生分析问题和解决问题的能力，进而达到本课程的核心目的。此外，本课程还使学生感到所学的物理理论和专业知识在实际科学研究中的真实应用，学生切实感到学以致用，增强了学生的学习热情和探索自然规律的兴趣。

四、课程的教学效果

从2017年开始，两年来为物理系2015级本科生、2017级和2018级研究生开设了专业课“薄膜研究实例分析”，课程学习总人数111人。课程讲授完后，进行了课程学习效果的问卷调查。

表1给出了调查问卷的问题、可选择的回答和调查结果。从表1中可以看出，对于7个科研实例的内容，听懂60%以上的学生占到100%，其中有6.8%的学生完全听懂，45.8%的学生听懂了90%，这表明所选择的科研实例和课程讲授方式是适合开展课堂教学的。通过课程的学习，98.3%的学生都了解了科学研究的过程，其中有42.4%的学生很好地了解科学研究的过程，这表明这门课程为将来学生开展科学研究奠定了一定的基础。93.2%的学生认为本课程提高了学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的科研能力，其中37.3%的学生感觉自己的科研能力有较大的提高，这显示出本课程对于提高学生科研能力具有积极的作用。有93.2%的学生认为通过本课程的学习受益较大，有89.8%的学生认为本课程具有实用性，这些都说明本课程对未来学生的发展打下了一个良好的基础。

表1 调查问卷的问题、可选择的回答和调查结果

此外，学生还给本课程提出了一些有益的建议：（1）这门课可以开得早一些，感觉现在开有点晚，放在大三下学期可能好一些，有助于提前了解以后的实验生涯，制定人生规划。（2）我觉得分享科研经历非常有益，相对于纯知识更加有用，应该坚持做下去。（3）我觉得挺受益，如果有时间讲些文献调研的经验和写文章的经验可能会更好。（4）建议继续开本课程，我觉得非常有收获。（5）这门课程让我学到了很多科研经验，学会了科研的思路，学会了如何开展科研工作。（6）觉得还可以讲一些关于书写报告、论文的经验、技巧以及科技前沿等。

从问卷调查的结果看，本课程通过科研实例的教学，在教授给学生理论和专业知识的同时，较好地培养了学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力，使学生有较大的受益，课程取得了较好的教学效果，得到了学生的认可。

此外，从表1也可以看出，本科生的受益程度和研究生的受益程度之间没有明显的差异。这表明把教师的科研工作和教学工作融合到一起，对于培养本科生和研究生都具有较好的效果。这一结果同Palali等人的研究结果［10］40有些不同。造成这一结果的原因可能是，对于大学四年级本科生和一年级研究生而言，他们具有的基础理论和专业知识的差异不是很大，并且学生们也都具有对薄膜研究领域的兴趣。

五、结论

教师把自己的科研工作编排成用于课堂教学的科研实例，为学生开设科研实例分析的课程，使得学生在学习理论和专业知识的同时，培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的科研能力以及培养学生的科学精神。这种更高和更广层面上的科教融合，是研究型教学的一种模式，是科研促进教学培养优秀人才的有效方法。