“课程群”组织体系: 对物理学基础课程教学体系的思考
本文作者：罗洪刚教授
物理学在自然科学中的基础地位毋庸质疑。物理学不但能够促进科学技术的高速发展，还对材料、化学、生物、计算机等学科有重要的推动作用。具备物理学教育背景的科学家获得非物理学诺贝尔奖的例子比比皆是，这里举几个例子。1998年的诺贝尔化学奖颁给了W. Kohn和J. A. Pople，以表彰他们在量子化学方面所做的开创性贡献，而W. Kohn是密度泛函理论的创始人之一，是知名的理论物理学家，更有趣的是，J.A.Pople是数学家出身，其获奖工作是基于量子理论和密度泛函理论设计计算机程序，发展量子化学的计算方法[1]。2017年的诺贝尔化学奖颁给了J.Dubochet、J.Frank和R. Henderson, 以表彰他们发展冷冻电镜技术并对溶液中生物分子结构的高分辨解析所做的贡献[2],而J. Dubochet和 J. Frank均为物理学家，R.Henderson是生物物理学家，他们均具备物理学的教育背景。1969年的诺贝尔生理或医学奖甚至颁给了物理学家M. Delbrück[3]。有人经统计获得如下数据，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物学及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学的背景；反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例[4]。这充分说明了物理思想和方法在非物理领域里同样能够获得成功。鉴于物理学的重要性以及对其他学科的支撑作用，第23届国际纯粹物理与应用物理联合会(IUPAP)代表大会通过了题为“物理学对社会的重要性”的决议(决议五)，并指出：“物理学——研究物质、能量和它们相互作用的学科——是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键的作用。对物理教育的支持和研究，对所有国家都是重要的。”[5]所以，高水平的物理学教学，特别是高质量的大学物理学教学对培养科学技术人才至关重要。
我国物理学的早期教学，甚至包括整个国家早期的高等教育，在很大程度上还有苏联高等教育的烙印，在教材结构、教学内容和风格、教育教学方法等方面均滞后于物理科学的快速发展。推动物理学教学的变革，最早也是至目前最大的变革来自于20世纪70年代末，是由诺贝尔物理学奖获得者，著名美籍华裔物理学家李政道先生倡导的“中美联合招考物理研究生项目”(CUSPEA)的实施。该项目的实施暴露出中国大学物理教育教学存在的许多问题，例如，在方式方法上，过多重视教学推演，而忽视对物理问题的思考；在教学内容上，联系物理前沿发展较少；在教学理念上，过多重视理论教学而忽视实验教学等[6]。基于这些突出的问题，我国老一辈物理学教育教学工作者对教材内容、教学方法和教学理念的变革做出了巨大贡献。中国科学技术大学组建了“科大物理辅导班”，他们改革教材内容，改变教学方法，取得了突出成绩。兰州大学物理教学历来受到重视，钱伯初教授牵头成立CUSPEA辅导班，收集各种最新资料，为学生专门辅导。在首届CUSPEA考试中，兰州大学物理系学生胡青的物理科目考试总分位列全国第一，成为佳话。这些先进的做法，不但提高了教学水平，还催生了一系列物理学新教材的出现，例如，中国科学技术大学尹鸿钧教授主编的《高等物理精编》，兰州大学钱伯初教授编写的《量子力学》，北京大学赵凯华教授编写的《新概念物理教程》等，这些教材沿用至今，广受欢迎。
尽管如此，物理学教育教学仍然面临巨大的挑战，原因如下。第一，进入21世纪，物理科学的发展今非昔比。一方面，物理学本身在许多方向取得重大突破，如新实验新技术新方法不断催生新物理新现象层出不穷的出现，反过来又推动实验技术和方法的不断发展。这些新物理、新现象、新技术、新方法亟需被引进到大学物理教育教学中来。另一方面，学科的交叉融合进一步得到提升，新的学科方向不断涌现，先前的学科门类的划分越来越滞后于这些学科方向的发展。第二，2015年国家公布了建设世界一流大学和一流学科的总体方案[7]，这是中国从高等教育大国向高等教育强国转变所采取的重大举措。一方面，国家社会经济的发展对人才的需求越来越急迫，国家倡导的创新创业、“一带一路”建设、新工科建设等亟需大量的高素质理工科人才。另一方面，体现国家创新能力的原创性工作仍然缺乏，著名的“钱学森之问”对我国培养高水平人才提出了重大挑战。这些都是我国高等教育目前面临的重大问题，物理学的教育教学也不例外。
在提高人才培养质量方面，我国从没有停止过探索的步伐。从1991年起，原国家教委有计划、有步骤地分五批建立了106个国家理科基础科学研究和教学人才培养基地(简称“理科基地”)，目的在于保护和加强基础学科建设，持续稳定地为国家培养德智体美劳全面发展的、优秀的基础科学研究和教学人才，为相关学科输送高质量研究生生源[8]。2009年开始实施的“基础学科拔尖学生培养试验计划”(简称“珠峰计划”)，是国家为回应“钱学森之问”而推出的一项拔尖人才培养计划，旨在培养中国自己的学术大师。笔者也于2017年10月20～22日参加了在武汉大学召开的2017年“基础学科拔尖学生培养试验计划”物理学科研讨会，会议研讨、交流了各个高校物理学科拔尖人才培养的进展和做法。其中，北京大学的研讨班形式，复旦大学和上海交通大学实施的“荣誉课程”以及南京大学实施的“三三制”等令人印象深刻，这些都对培养拔尖学生的教育教学做了有益的探索。在清华大学物理系调研过程中了解到的“2+2”教学模式及所取得的成效也令人敬佩。总结这些经验，对兰州大学物理学科的教育教学改革具有重要的指导意义。
兰州大学物理学科始建于1946年，学科建设中涌现出一大批在教学一线兢兢业业工作一辈子的优秀教师，如段一士教授、钱伯初教授、汪志诚教授等，形成了“言简意赅，珠联璧合，集纳新说，返璞归真”的教学之道和“去其糟粕，取其精华，去伪存真，止于至善”的治学之道，在教学理念、教材内容、教学方式等方面不断探索创新，形成了优良的传统。但是，在新的历史时期，国家对人才的需求和人才培养的理念发生了明显的变化，主要体现在以下两个方面：(1)伴随新的学科的出现以及新的工业需求，国家对人才的需求越来越多样化；(2)学生的个性化以及多样化越来越明显。调查研究表明[9]，只有10%的物理学本科毕业生会继续在高等院校从事物理学的研究工作，而绝大部分学生都会进入社会的各种岗位工作。这就带来一个问题，这些岗位是不是一定需要特别高深的数学和物理方面的专业训练？显然不是。但是，这并不是说学习物理学就没有必要，相反，物理学科本身的特点，特别是物理学从复杂现象中抽取简单物理规律的思想，在训练学生的科学素质方面具有特别重要的指导意义。因此，根据学生的具体情况和兴趣，结合国家对各类人才的需求，采取分类培养的方式势在必行。
如何分类培养？首先需要对课程体系进行梳理。由于社会的进步和科学的发展，一些讲授了几十年的教学内容应该调整更新。在此过程中，由于学科的交叉融合，既需要横向考虑课程知识的完整性，也需要纵向考虑课程之间的连贯性和继承性，不能把每一门课程孤立起来。对于有兴趣从事教学科研工作的学生，应该打下非常扎实的数学和物理基础，而对于应用研究或从事交叉学科工作有兴趣的学生，应该在学习基本的数学和物理知识和方法后，在实用技能方面进行进一步的训练，以利于学术以外工作的开展，而其所接受的基本物理和数学的训练，是进行创新性工作的源泉。因此，考生以大类招生方式入学，进行必要的基础课程学习后，可根据自己的基础课程学习成绩、方向兴趣、职业规划等进行专业方向的选择，既可以进一步在基础课程方面深入学习，也可以选择专业课程学习，从而达到分类培养的目的。基于这些考虑，我们结合实际，提出物理学“课程群”建设体系。
“课程群”的概念，是以物理学基础课程的特点和课程的继承性为基础划分为群，每个群都构成物理学大厦的支柱。为方便教育教学，每个群可以配备一个教学团队，通过充分地沟通交流，结合教学实际，将每个课程群的内容按基础性及重要性的不同划分为不同难度及深度，涵盖从最基本的普通物理到最前沿的学科发展。学生可通过不同课程群内课程的选择及就业意向课程的选择，实现学生分类培养的要求，解决以前教学体系中教师单打独斗、学生课程无法分类选择、培养目标单一的问题，完全按照以人为本的思路、围绕学生为中心，建立完整系统的教学体系。“课程群”体系的设想，目的是通过“课程群”的建立，形成学科高水平教学团队，并实现学生的高水平分类培养，达到一流大学一流人才培养的目标。
“课程群”体系的构建，可遵从以下原则和思路：(1)大类招生、分类培养；(2)普及基础、按需选课；(3)出口分流、标准多样；(4)体系连贯、结合前沿。根据这些思路及原则，物理学“课程群”体系如图1所示。
“课程群”体系的基本要素如下。
(1) 纵向上：本科、硕士、博士、博士后及青年学者课程纳入统一框架，有利于本硕博贯通培养。课程内容按照本科毕业水平、硕士入学水平、硕士毕业水平、博士入学水平、博士毕业水平、博士后及青年学者水平等六个等级划分课程内容及难度。每个学生需要根据自己的规划选择不同等级水平的课程，从而达到不同学生分类培养的目标。
(2) 横向上：物理学基础课程划分不同课程群：数学物理基础、力学基础、热学基础、电磁学基础、光学基础、量子基础、计算物理基础等7个课程群。每个群有不同的等级，可以适应不同学生的需求。学生在课程学习过程中，自然而然发现自己的特色优势和劣势，进一步根据自己的兴趣爱好选择不同的就业出口，从而达到分类培养的目的。而在每个课程群体系内，不同教师选择不同等级的讲授内容，不仅可以适应学生和社会的客观需要，还自然而然地构成了一个具有相同教学目标的学科群团队，团队内交流更方便直接，且能集思广益，有力保障了整体教学水平的提高。课程群的建设在各个课程群负责人的组织管理下，可以更好更及时地更新教学内容，编写讲义。因此，课程群的建设，不仅可以达到不同学生分类培养的目的，还可以稳步提高总体的教学质量，实现双一流大学建设人才培养核心的目标。
根据物理学“课程群”设想，每个群涵盖课程内容大致可列举如下。
数学物理基础Ⅰ-Ⅵ, 涵盖：高等数学、线性代数、概率论及统计、数学物理方法、群论、微分几何、拓扑学等；
力学基础Ⅰ-Ⅵ，涵盖：力学、理论力学、流体力学、狭义相对论、广义相对论、宇宙学等；
热学基础Ⅰ-Ⅵ，涵盖：热学、热力学、经典统计、量子热力学、量子统计、高等统计物理、凝聚态物理等；
电磁学基础Ⅰ-Ⅵ，涵盖：电磁学、电动力学、经典场论、规范场论、粒子物理等；
光学基础Ⅰ-Ⅵ，涵盖：光学、几何光学、非线性光学、高等光学、量子光学等；
量子基础Ⅰ-Ⅵ，涵盖：原子物理、量子力学、高等量子力学、量子信息、量子场论、量子混沌、量子多体理论等；
计算物理基础Ⅰ-Ⅵ，涵盖：计算机基础知识、计算机语言、计算物理、数值方法、人工智能、大数据等。
在以上课程方面，我们暂未考虑固体物理及其对应的系列课程如固体理论、凝聚态物理等。事实上，固体材料及凝聚态物质给所有基础物理研究提供了很好的平台，因此可以单独设置一个“课程群”。基础课程的学习，可根据学生的兴趣和就业方向灵活选择不同的深度和难度等级，以满足今后的职业规划和素质培养目标，从而达到适应不同方向需求的要求。选择每个课程群Ⅰ和Ⅱ等基本层次的学生建议以应用为导向，增加更多的实践类课程，使其成为从事社会实践工作的高端人才；希望进一步从事教学科研工作的学生，则需要在课程群体系中选择高层次的Ⅲ和Ⅳ类课程，以获得更坚实的学术科研能力。在这个体系中，教师不仅可以提出更高的要求，也可以进一步提供学科前沿内容，以实现真正意义上的基础面向前沿，应用面向国家重大需求。
对以教学科研为主的基础类人才培养，本课程群还将本科课程、研究生课程甚至科学前沿讲座纳入同一框架体系，学生可根据自身情况灵活选课，达到提高人才培养水平的要求。此外，作为该体系的出口方向，还可设置电子类、工程类、管理类、新工科等面向应用或其他交叉学科课程。选择这些出口的学生，主要以就业为目的，不仅学习了物理学基础课程的思想和方法，还可以根据自己的兴趣选择和社会实际需求选择进一步发展的方向，开拓物理思想和方法的应用。这些课程可以自行开设，或者请相关兄弟院系教师来上课，也可以选择部分慕课课程。这样有助于这部分同学成为基础较为扎实、物理思路清楚、学科交叉更为集中的适合社会需求的高层次人才，满足社会对知识储备更加全面的特殊人才的要求。
总之，“课程群”的教学改革方案，从学生来讲可以因人而异分类培养，从教师来讲可以团队协作提高教学质量，从学院来讲可以实现人才整体素质和质量的提高，有助于实现兰州大学双一流建设对一流人才培养的要求。
致谢： 作者感谢陆昉、杨孔庆、张汉壮、王青的有益讨论和交流，感谢兰州大学物理科学与技术学院同事的有益评论和帮助。
[1] MALMSTRÖM B G, ANDERSSON B. The Nobel Prize in Chemistry: The development of Modern Chemistry[EB/OL]. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/themes/chemistry/malmstrom /index.html.
[2] Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2017[EB/OL].https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/press.html.
[3] LINDSTEN J, RINGERTZ N.The Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1901—2000[EB/OL]. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/themes/medicine/lindsten-ringertz-rev/index.html.
[4] 百度百科. 物理学[EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/物理学/313183.
[5] 物理学对社会的重要性:第23届国际纯粹物理与应用物理联合会代表大会决议[J]. 物理,1999(6):59.
The importance of Physics to Society：Resolution of the 23th International Union of Pure and Applied Physics[J].Physics, 1999(6): 59. (in Chinese)
[6] 黄庆桥. 中国大学物理教育差在哪儿？CUSPEA的启示[EB/OL].知识分子，2017-03-20. http://china.caixin.com/2017-03-20/101067920.html.
[7] 国务院. 国务院关于印发统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案的通知[EB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-11/05/content_10269.htm.
[8] 教育部. 国家理科基础科学研究和教学人才培养基地[EB/OL]. http://old.moe.gov.cn//publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_1035/200508/11121.html.
[9] MCNEIL L, HERON P. Preparing physics students for 21st-century careers[J]. Physics Today, 2017(11): 39-43.
END
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