地方高校科教融合协同育人模式的改革与实践
——以山西大学物理学科为例*

2022-02-27 06:41:07秦成兵张文学
高等理科教育 2022年4期
关键词:科教本科生协同

秦成兵 王 申 李 鹏 张文学 马 杰**

(1. 山西大学 物理与电子工程学院,山西 太原 030006;2. 山西大学 量子光学与光量子器件国家重点实验室/激光光谱研究所,山西 太原 030006)

一、引言

拔尖创新人才是具有原创性思想和批判性思维,能够引领相关领域创新发展的复合型人才,是民族复兴的战略性资源。 自拔尖创新人才概念被提出以来,高等院校一直是培养拔尖创新人才的主战场。 国内高水平大学通过成立拔尖创新人才培养学院或特色学科实验班,利用多次选拔、逐步分流等方式选拔优秀人才,革新教学计划、内容和方法,加强基础课程与通识课教育,鼓励选修交叉学科课程,创新实验教学平台,深化国际化培养模式等方法,全面推进拔尖创新人才培养[1-2]。 在此过程中,各种培养理念不断被提出和发展,其中以“教学与科研相结合”的科教融合教学理念始终被认为是培养拔尖创新人才的重要途径之一[3]。 特别是在“双一流”建设背景下,面对新的发展形势,国家对高等院校推进科教融合协同育人、加快人才培养模式改革、完善高水平科研支撑拔尖创新人才培养机制提出了更高的要求[4]。

地方高校是我国高等教育与科研力量的重要组成部分,不仅肩负着服务地方经济和行业领域的重任,而且承担着培养拔尖创新人才的重要任务[5-6]。 但相比于高水平大学,地方高校在拔尖创新人才培养方面也存在着更多的困境。 科教融合协同育人的核心内涵是将科研探索中针对具体现象或行为的最新见解转化为系统性可传授的知识点,使教师和学生能够在科研活动中对知识进行互动式传授和传播,在教学活动中激发学生的创造灵感,培养他们的科研合作与团队精神。 把拔尖创新人才培养有机地融入教学与研究中,能激发授课教师的创造性,反哺科研探索,提高科研产出。 然而,这种教学方式要求授课教师突破传统书本和固有知识的限制,结合学科发展趋势和当前该学科最新研究成果,不断整理新知识点,创新设计教学内容和教学方式。 这无疑对教师的教学能力、前沿知识掌握、知识点凝练提出了更高、更全面的要求。

地方高校受教学观念、制度体系、科研资源等诸多限制,科研与教学之间缺乏有机联系,教学方法偏重于知识传授,科研条件相对较弱,可转化为教学内容的前沿科研成果较少,不能满足本科生对前沿热点和最新科研成果探索的需求。 因此,如何立足自身特色实施科教融合协同育人是地方院校普遍关心的问题。 以空军预警学院为例,他们根据雷达兵对情报分析的需求,以科研任务为主线,创新教学方式,通过教研融合来培养学员的创新思维,推进军校的实战化教学效果[7]。 中国石油大学(华东)则是在“重教学、强科研”的指导思想下,积极探索“师资—平台—项目—成果—制度”五维协同的科教融合培养模式,提升学生的创新实践能力和使命担当意识[8]。 南京中医药大学通过与其附属医院实行科教融合一体化管理,强化和优化医学教育要素,有效提高拔尖创新人才培养的成效[9]。 山西大学物理学科的特色在于拥有山西省唯一的国家重点实验室以及山西省首批省部共建协同创新中心和海外引智基地等优势科研资源。 本文旨在阐述近5 年来,山西大学物理学科基于这些特色优势所开展的科教融合探索与取得的初步成果。

二、科教融合协同育人的困境

科教融合机制使最前沿的科学研究成果源源不断地为教学提供新资源,可以真正实现科研、教学、文化协同育人。 然而,科教融合也对传统教学方式和授课教师提出了更高的要求,需要更多的资源和更多的关注,该过程的成效往往需要数年甚至十数年才能体现出来。 然而,国内评估体系更关注显性的、短期可视化的成果,特别是二十世纪九十年代以来,我国高等院校进入创建世界一流大学快车道[10],在各类评估牵引下,高等院校的科研功能与科研成果被不断放大,管理部门更加注重项目申请、经费管理、文章发表、科研转化等显性可指标化的内容,在拔尖人才培养,特别是科教融合方面,逐步形成了以下困境:

(一)教学与科研分离

国内高等院校根据教师在教学和科研等方面的侧重点不同,普遍将教师分为科研型和教学型。其中科研型教师以承担各类科研项目,开展前沿科学研究,培养研究生,发表研究论文为主。 其研究内容通常是国际最前沿的科学问题,具有显著的新颖性和创新性,如果将这些成果转化为教学内容,可以有效激发学生的创新灵感和创新能力。然而,一方面科研型教师往往不承担教学任务,因此最新的科研成果与教学内容处于脱节的状态;另一方面科研型教师也面临着项目申请、职称晋升、研究生培养等压力,难以将大量精力放在教学内容的转化上。 教学型教师以知识传授为主,尽管所采用的教材相对成熟,但也面临着知识更新相对缓慢的困境。 这些教师需要将大部分精力放在日常教学中,剩余时间或是无力或是懒于调研最新科研成果。 因此教学型教师往往也难以将最新的科研成果带入课堂,来培养学生的研究兴趣和科研合作及团队精神,无法形成科研与教学相融合的双赢局面[11]。

(二)教学与实践分离

物理学作为一门实验性学科,实验演示与研究实践对于理解相关物理原理,熟练应用相关技巧至关重要。 近年来,实验物理学不断涌现出突破性成果,比如激光冷却、玻色—爱因斯坦凝聚、低维材料奇异量子传输特性、引力波探测、拓扑物理等最新研究成果,不仅衍生了大量新技术,而且打破了人们对世界的传统认识。 特别是这些成果都具有非常大的趣味性,如果将其引入课堂,不仅有利于大学生理解相关物理原理,而且能够激发他们的研究兴趣和创新能力。 然而目前的大学生物理实验内容更新缓慢,仍以经典实验为主,缺少对最新研究成果的宣传和演示。 此外,仅通过纯粹课堂教学传授旧有的专门性知识,已经无法满足时代和拔尖创新人才培养的需求。 这种教学方式致使大学生缺少对学科前沿知识的基本了解,很多本科生在临近毕业保研或考研时,无从选择未来的研究方向,或者在选择工作时,对当前产业界的需求一无所知,难以服务于国家和地方经济发展的重大需求。 因此,需要将物理教学与实践教学,特别是最新研究进展及其在服务国家需求等方面的重要作用结合起来,提升拔尖创新人才培养成效。

三、山西大学物理学科科教融合协同育人改革的措施

山西大学作为中西部地方高校,在科教融合协同培养拔尖创新人才方面开展了长期的探索与实践,取得了一定的成效。 特别是物理学科,拥有山西省唯一的国家重点实验室以及山西省首批省部共建协同创新中心和海外引智基地等。 山西大学物理与电子工程学院(以下简称“物电学院”)以及国家重点实验室具有优质的科研与教学资源[12]。 第一,国家重点实验室拥有大量国家级人才(包括院士、“千人”、“杰青”、“长江”、“优青”、“青千”等各层次人才),这些始终活跃于科学研究最前沿的教师不仅研究内容是面向国家急需、当前最热点的科学问题,而且拥有诸多国际一流或国内领先的科研成果。 特别是他们普遍具有海外留学经历,了解国际教育发展形势和最新教学方式,为科教融合协同育人提供了最坚实的教师基础。 第二,国家重点实验室拥有超过150 000 m2的实验用地,包含压缩态非经典光场、超冷原子分子物理、微纳器件制备、激光光谱应用等18个实验室,同时拥有激光器、电子仪器、机加工3个自主车间以及激光光谱与光电信息2 个开放实验室。 这些实验室和车间为科教融合协同育人提供了重要的硬件基础。 第三,国家重点实验室每年拥有固定的运行经费,因此设立了一定数量的开放基金,可以为本科生提出的研究性实验或者开放性实验提供一定的资助(每年15 ~20 项不等),从经费上保障了科教融合协同育人的顺利实施。

为了达到科教融合协同育人的目的,物电学院以国家重点实验室的优质科研资源与最前沿的先进科研成果为基础,通过4 个方面来提高本科生的教学质量,夯实他们的基础科研素养。 其一,以课堂教学与国家实验室的研究成果为基础,设立具有特色并且能够开展实验实践的课程,比如量子光场、激光光谱、近代光学测量技术等,从专业课程上夯实学生基础。 其二,结合国家重点实验室的前沿研究,加强物理学科普宣传,开设现代光电子学前沿讲座、量子科学前沿动态、物理学前沿等课程及学术报告等,以最新、最有趣的科学前沿内容激发学生的科研兴趣。 其三,构建四级联动实验教学模式与“3+1”进阶式培养模式,激励学生参加各类国家及省部级学科竞赛等活动,培养学生的基础实验操作能力和基本科研素养。 其四,开设研究性实验和开放性实验,资助学生自主开展实验研究,通过激发这些学生对物理学探索求知的欲望,培养学生科学思辨和成果展示等综合能力。 基于科教融合协同培养,通过从做中学、在学中教,从被动灌输到主动求知,从根本上转变学习方式,大力提升学生的综合素质。 具体措施如下:

(一)组建教学团队,完善科教融合管理体系

物电学院由学院本部、光电研究所、激光光谱研究所和理论物理研究所组成(简称一院三所),其中光电研究所与激光光谱研究所有机组成了国家重点实验室。 物电学院本部主要负责本科生教学,3 个研究所则主要开展研究生培养和科学研究。 为了突破科研与教学的界限,实现科教融合协同育人,学院就所有核心课程组建了教学团队,由具有熟练教学经验的教学名师和国家重点实验室位于科研最前沿的资深教授组成,定期开展教学研讨(普遍每2 周1 次),修订教学内容,创新教学模式。 以“激光光谱”专业课程为例,该课程的讲义由国家重点实验室开展激光器、激光光谱应用、光电探测研究的3 位教授结合该课程的基本原理与激光光谱的最新研究进展编制而成;该课程还结合国家重点实验室的研究成果设置了5个前沿报告与1 周激光器车间实践,穿插于教学之中,提高学生的兴趣点。 物电学院还开设了量子光学特色选修课程体系,由浅到深地讲解光场压缩、原子冷却、量子模拟方面的基本原理和应用方法,授课教师均是开展相关研究的国家级人才。同时物电学院执行三级导师制度(学业导师—实践导师—学术导师),导师覆盖率达到100%,所有学术导师均从活跃于科学研究最前沿的教师中遴选,不仅协助解决学生在大学期间遇到的各种困难,还会介绍各自研究领域的最新进展与发展趋势,为学生的未来选择提供一定的咨询和指导。

(二)加强科普宣传,引导本科生打开科研之门

物电学院尝试通过课程体系与科普宣传的建设,逐步引导本科生打开科研之门。 大学一年级,学院设置了“物理学前沿”讲座课程,邀请国家级人才与国际最前沿研究团队的负责人从科普宣传的角度为本科生分门别类地介绍当前物理学最新研究进展。 大学二年级,通过科研活动周、学科竞赛等形式使本科生逐步进入各前沿实验室,在科普中开展科研活动,在科技创新中深入理解物理学的基本原理。 大学三年级,通过选修特色课程、科研训练等活动使本科生进一步了解学科进展,锻炼科研能力。 比如单分子量子光学着重介绍当前纳米科学和超分辨成像的最新研究进展,高等量子光学侧重介绍国家重点实验室在压缩态光场、纠缠光场等方面的成果。 科研训练主要锻炼学生的动手能力,掌握基本的科研技巧,培养他们的基本创新素养。 大学四年级,通过毕业设计、实践实习增强创新意识。 在此阶段,本科生还可以在科研训练的基础上进一步深化研究内容,总结研究成果。 同时,一院三所还通过校企融合提高拔尖创新人才培养成效[13],为毕业生提供进入光电企业实地实习的机会,比如长治高科集团、富士康(晋城)科技工业园等。 此外,一院三所每周都会举办定期或者不定期的讲座报告,定期讲座报告主要集中在周末,避开学生的学习时间,使所有学生有机会接触最新前沿成果,了解物理学前沿动态。

(三)以实验教学为基础,培养学生基础实践能力

物电学院目前拥有18 个实验室,逐步形成了验证性实验、综合性实验、设计性实验、研究性实验的四级联动实验模式,其中验证—综合—设计实验是所有学生的必修实验,而研究性实验则是进阶式选修实验,形成了“3+1”进阶式物理实验教学新模式。 其中验证性实验以验证某种物理现象或原理为目的(比如用单摆法测量重力加速度),通常只测量或调整单一参数,通过2 个或4个课时完成实验。 综合性实验涉及更多实验准备和参数调整(比如迈克尔逊干涉仪的调节与使用),通常需要多位同学协同完成,需要4 ~8 个课时。 设计性实验由指导教师提出学习或者生活中的某种现象或者需求,由学生设计方案来解释现象或者解决问题(比如振荡火焰之间的耦合作用)。 研究性实验则是本科生在前沿实验室中参与科学研究过程中遇到的科学或者技术问题,通过与指导教授沟通后设定的实验课题(比如基于纳米光纤的弱光非线性效应研究)。 验证性实验和综合性实验由大学物理教学实验室承担,并配备相应的授课老师;设计性实验由电子学和光学开放实验室与指导老师共同负责;而研究性实验则主要在国家重点实验室开展,立项后可获得国家重点实验室开放项目一定的经费资助。 学生通过实验室这个第二课堂,正确掌握了基本实验仪器的操作、验证了实验定理和现象,初步参与了前沿科学研究,形成了对物理学的整体认知,具备了基础实践创新能力。

(四)以学科竞赛为依托,培养学生团队协作能力与思辨能力

学科竞赛是实践学生所学、激发创新活力、提高综合能力的重要形式,通过与同龄人的竞赛可以更大程度上激励学生的能动性。 通过参与竞赛,学生在设计方案—遇到问题—研究解决—学习新知识—解决问题中形成“赛—研—学”联动的教学培养机制。 物电学院建立了从院级—校级—省级—国家级四级学术竞赛模式,坚持每年选拔优秀本科生参加比赛,迄今为止已经连续参加了九届中国大学生物理学术竞赛,并于2015 年主导并举办了首届山西省大学生物理学术竞赛,至今已连续参加四届山西省大学生物理学术竞赛。 物电学院全程鼓励学生自行组队、自行实验、自行寻求资源。 一院三所为这些竞赛同学提供专门的场地、指导老师和资金配置,还会在暑期进行针对性的培训和指导。 通过学科竞赛,不仅培养了学生的科研素养和创新能力,还培养了学生科学思辨、语言表达、成果展示等综合能力。

(五)以科研训练为助力,培养学生基本科学素养

自2004 年山西大学设立科研训练以来,全校学生的基本科学素养都得到了一定的提升[14]。为了发挥国家重点实验室、协同创新中心等基地的优势和优质资源,物电学院于2015 年设立院级科研训练,结合教师科研成果,将量子光学、冷原子物理、光量子器件等本学科的前沿科学研究优势和最新科研进展融入科研训练项目中,不断保持实践教学内容的新颖性、前沿性、先进性。 科研训练与四级联动实验模式相结合,学生可以选择性进行研究性实验或者科研训练。 与四级联动实验模式不同的是,科研训练更强调独立性、完整性和管理性:参加科研训练的同学需要从调研文献,项目立项开始,继而设计实验方案,准备实验器件,开展实验内容,分析实验数据,归纳实验结果,提交实验总结,自主完成一整套实验流程。 每个项目至少延续1 个学年,实验实际开展时间不少于200 小时,执行严格的实验记录,一院三所会对这些项目进行长期跟踪,并对项目进行总结答辩。经过科研训练项目,学生阅读了大量科学前沿相关文献,完成了科研项目中数据测量和分析,成果总结和反馈等必备过程,不仅拓宽了学术视野,而且奠定了良好的科学素养。

(六)以开放性实验为平台,培养学生独立创新能力

开放性实验以学生在各类实践教学中遇到的问题为牵引,全程由学生自主设计,教师参与指导的创新探索性实践活动。 目前开放实验平台主要以激光光谱开放实验室和光电信息开放实验室为主,分别聚焦光学和电学两个方面。 开放实验以学生为主导,依靠学生的兴趣和求知欲,通过自主转化问题和设计项目,理解理论课程知识和研究的科学价值,践行学思结合。 教师通过与学生讨论,利用物理学认知世界和发现规律的特点,将唯物辩证法、民族复兴等思政元素融入实践指导中,培养学生树立正确的价值观和使命感。 目前具有代表性的成果包括基于声光调制技术的自由空间激光通信技术、氧化石墨烯海绵的制备及其在水污染处理中的应用、基于光声光谱技术的新型痕量气体检测装置、新型光学材料光致吸附与解吸附动力学过程的研究等。

四、科教融合协同育人改革的特色

山西大学物理学科以服务地方经济为导向,以多年来在量子光学领域的科研成果为依托,结合目前中西部地区物理学人才发展面临的困境,从学科内涵出发,完善教学管理团队,加强科普宣传,构建四级联动进阶式实验教学体系,结合院校两级科研训练与开放实验平台等措施,深化和升华科研育人的价值理念,形成科研教学相辅相成的良好循环,为中西部地区高等教育发展培育勇攀高峰的物理基础学科人才,具有以下特色:

(一)从模式设置看,实现了教学方式的转变

实验教学、学科竞赛和科研训练的实验内容由简单到复杂、由基础实验到科研项目,实践难度逐步提升。 开放性实验则从根本上转变了教学方式,从课堂灌输转变为实验探索与求知,学生由被动接受到主动学习,综合能力得到突破性提升。

(二)从参与形式看,实现了跨年级、跨专业的融合

验证性实验和综合性实验针对大学一年级,主要由实验室老师负责指导;学科竞赛对二年级以上本科生开放,需要通过层层选拔,主要由实验室资深教授和副教授负责指导;设计性实验和研究性实验则融入科研训练项目中,贯穿大学二年级至四年级,主要由科研一线的硕士生导师负责指导;开放性实验由学生自发组队,贯穿本科生整个学习阶段,主要由主持国家级在研项目的博士生导师负责指导。 这种教学与实验模式实现了跨年级(目前以大学二年级和三年级为主)、跨专业(以物理学、光电信息、光电工程等专业为主)、跨学科(以物理学、计算机和数学等学科为主)的特色。

(三)从作用效果看,实现了学生和教师双赢

科学研究的目的是反哺教学,教学的目的是培养人才。 通过“3+1”进阶式实践教学培养模式,教师可以在教学一线转化最新的科研成果,并通过与学生的交流互动,发现新的研究方向或方法,从而促进学术水平更上一层楼。 学生通过参加实践,对课本上的理论知识加深了理解,并学习到最新的前沿知识,开拓了眼界,提升了学生基本的工作能力、专业能力和科学素养。

五、科教融合协同育人的成果

通过科教融合协同育人,山西大学物理学科取得了长足的进步,本科生参与科学研究比例明显增长,本科生发表论文或申请专利从凤毛麟角到比比皆是。 具体而言,表现在以下三个方面:

(一)物理学科全国影响力稳步向前

在2017 年全国第四轮学科评估中,山西大学物理学排名第14。 2021 年山西大学物理学入选教育部基础学科拔尖学生培养计划2.0 基地,同时 入 选“英 才 计 划” 实 施 学 科[15]。 近5 年(2016—2021 年)物理学科先后出版了教材专著6 部,荣获省级教学成果奖10 项。

(二)本科生科研创新能力显著提升

近5 年四级联动物理实验覆盖率达到100%,科研训练覆盖率达到85%。 本科生参与导师科研项目数量提升了3 倍,发表论文18 篇,申请/授权国家发明专利11 项,推免到全国排名前十的一流大学开展研究生学习的比例提升了约1.6 倍;多项创新创业成果参展全国大学生创新创业年会。

(三)学科竞赛成果硕果累累

近5 年,物电学院在山西省大学生物理学术竞赛获得三连冠荣誉[16]。 2021 年物电学院代表队在全国大学生物理实验竞赛中取得历史性突破,3 支参赛队全部获奖,荣获一等奖1 项、二等奖2 项[17]。 此外,物电学院在“挑战杯”等全国性竞赛中还获得184 项奖励。

六、存在的问题与解决思路

通过科教融合协同育人,山西大学物理学科本科生的科研创新能力和服务社会能力得到了明显的提升[18],然而也存在不足和挑战。 首先,经过近5 年的发展,学科影响力和学生能力都得到了提升,但发展后劲不足,缺乏新的增长点,甚至部分协同育人成效出现了一定程度的回落。 其次,一院三所为本科生提供的实验、训练、报告机会较多,覆盖了整个学习生涯,然而不少学生在选择上缺乏目标性,培养成效不显著。 再次,不少学生功利性较强,参与研究性实验或者开放性实验更加追求短平快的内容,反而忽略了对基本科研技能、科研素养和团队精神的培养。 最后,本科生参与学术导师科学研究的深度不够,不少研究流于形式。

对于这些问题与挑战,物电学院也进行了深入的思考,采取了相应的措施。 首先,2021 年新学期,物电学院成立三立书院,践行“立德、立功、立言”的高远深意,以三立书院的发展带动全校本科生培养模式改革创新,培养更加优秀的拔尖创新人才。 其次,学院将继续加强三级导师作用,对每一位本科生的职业生涯进行规划,合理选择相应课程,有序参与科学研究,提高科教融合协同育人的成效。 最后,在四级联动实验、科研训练以及开放实验中更加注重基本科研素养和团队精神的培养。 上述措施是否能进一步提升科教融合协同育人的效果,还有待时间的检验。

面对拔尖创新人才培养需求,山西大学作为地方高校勇于探索与实践,依托国家重点实验室优质资源,通过完善量子光学特色教学管理团队,创新教学方式,构建四级联动进阶式实践教学培养模式,夯实学生基础能力,加强科教融合协同育人效果。 同时通过激励科研训练和学科竞赛形式,结合开放性实验和研究性实验等措施,打破教学中存在的科教壁垒,激发学生对物理学探索求知的欲望,培养学生基本科研素养与科研团队精神,使山西大学物理学科的影响力稳步提高,本科生科研创新能力得到显著提升。 在未来,山西大学物理学科还将锐意进取,开拓创新,通过更多的措施来进一步提高拔尖创新人才的培养成效。

猜你喜欢
科教本科生协同
《科教导刊》征稿函
科教导刊(2022年11期)2022-06-22 10:15:42
蜀道难:车与路的协同进化
科学大众(2020年23期)2021-01-18 03:09:08
科教之窗
“四化”协同才有出路
汽车观察(2019年2期)2019-03-15 06:00:50
科教之窗
科教之窗
三医联动 协同创新
中国卫生(2016年5期)2016-11-12 13:25:26
中医药大学本科生流行病学教学改革初探
协同进化
生物进化(2014年2期)2014-04-16 04:36:26
探索如何提高药学本科生实习的质量