以創新能力培養為導向的研究生課程團隊教學模式探索與實踐
——以材料設計課程為例

王建軍, 王艷麗, 李 夢, 郭 鵬, 楊林峰, 方莉俐

(1.中原工學院 物理與光電工程學院, 河南 鄭州 450007; 2.鄭州大學 電氣與信息工程學院, 河南 鄭州 450001)

2020年9月,教育部、國家發展改革委、財政部發布的《關于加快新時代研究生教育改革發展的意見》強調:要堅持創新引領,增強研究生使命感和責任感,全面提升研究生的知識創新和實踐創新能力[1]。以此為契機,各研究生培養單位紛紛掀起了以創新能力培養為導向的研究生教學改革熱潮,以完善研究生人才培養體系,推動研究生教育的高質量、內涵式發展,加快培養國家急需的高層次創新型人才[2-4]。

課程教育是研究生創新能力培養的基礎,是研究生獲取創新知識的主要途徑,也是提升研究生創新能力的重要環節。課程建設在研究生培養體系中居于核心地位,與教學體系中的知識體系、教學內容、教學形式及考核方式緊密相連,是以創新能力培養為導向的研究生教育改革的重點和難點[4-6]。研究生課程與世界科技的發展密切相連,內容更新較快,知識前沿化、交叉化的特點十分明顯。因此,單一教師授課模式在當今研究生課程教學中面臨很大的挑戰,而由相關學科成員組成的課程團隊授課模式在研究生課程教學中具有很大優勢,其教學模式很值得探索與實踐[7-15]。

中原工學院低維量子物理與材料研究生專業是物理與材料、化學學科交叉形成的學術型碩士專業,主要培養量子材料及器件方面的創新型高級人才。材料設計是低維量子物理與材料專業的核心課程。該課程從量子材料的基本理論與原理、材料計算軟件開發及使用、量子功能材料及器件的設計等方面,對學生進行知識傳授和技術培養,目前由低維量子材料計算與設計團隊進行授課。材料設計課程屬于交叉前沿課程,是研究生進行創新實踐的課程平臺,也是基于創新能力培養的研究生團隊教學模式改革與探索的理想課程。本文主要介紹課程組在材料設計課程上進行以創新能力培養為導向的教學模式改革與實踐問題,并基于實踐經驗,提出能夠有效提高研究生創新能力的“四位一體”教學模式。

1 材料設計課程“四位一體”教學模式的探索與實踐

課程組從知識體系、教學內容、教學形式和考核方式出發,對材料設計課程教學模式進行改革與探索,采用教師講解、翻轉課堂、互動討論與自主實踐等教學方式,幫助研究生建立完善的知識體系,掌握系統的研究方法,了解特色明顯的前沿課題,提高創新實踐能力,力爭達到提升研究生創新能力的目標。本文提出的提升研究生創新能力的“四位一體”教學模式如圖1所示。

圖1 提升研究生創新能力的“四位一體”教學模式Fig.1 The “four-in-one” teaching mode of graduate courses oriented by the cultivation of innovation ability

1.1 夯實創新基礎,構建知識體系

完整的知識體系是培養研究生創新能力的基礎。知識體系的構建,就是通過比較分析,從大量紛繁復雜的課程知識點中提煉出它們的關聯或邏輯關系,然后按照一定的結構,分層次地構建起一個系統的框架。該框架應該是結構完整的,在組織上具有較強的邏輯性,在難易程度的安排上符合學習習慣,并且能夠突出重點問題。狹義的知識體系,尤其是對于一些理論性比較強的課程來說,一般只包含該課程的基本理論知識。而廣義的知識體系還包括研究方法和實踐內容,尤其是對于一些操作性要求比較高的課程來說,其具體研究方法的選擇和實踐內容的確定是培養研究生解決實際問題、形成實踐創新能力的關鍵。材料設計課程的知識體系(見圖2)既注重基本理論知識和研究方法,又強調軟件使用與具體的實踐過程,是提高研究生創新思維和創新實踐能力的基礎。

圖2 材料設計課程的知識體系Fig.2 The knowledge system of material design course

材料設計課程是由物理、化學、材料、計算機等學科交叉形成的課程。其基礎知識部分主要涉及凝聚態物理、量子化學、納米材料等相關知識,構成了知識體系的底層。該課程是一門操作性很強的應用型課程,相應的研究方法是其十分重要的內容。因此,課程組在構建材料設計課程的知識體系時設置了研究方法部分,并將其作為一個完整的單元進行教學。這些研究方法表現出了非常明顯的層次性,對于只有幾個到幾百個原子的體系,一般需要考慮原子中的電子的相互作用,主要從量子力學出發,采用第一性原理進行精確求解。而對于分子層次的體系,則主要采用經典牛頓力學的分子動力學方法進行模擬。當研究對象達到介觀尺度時,主要采用有限元方法進行分析。只學會這些基礎知識和研究方法是不夠的,研究生還要能用相應的計算軟件來解決具體問題。在該課程知識體系的初級設計計算部分,課程組主要介紹材料計算與設計方面的幾種主流軟件,使研究生具備一定的建模、計算和結果分析能力。了解學科發展中的前沿課題是研究生進行創新能力培養的關鍵環節,其學科交叉的特點十分明顯。研究生在該環節需要了解學科的最新研究進展與突破、學科發展的“卡脖子”問題,并能結合多學科知識對這些問題進行相應的思考,以達到培養研究生良好思維習慣與創新能力的目的。高階設計計算是材料設計課程知識體系的重要部分。針對這部分知識的學習,研究生應在教師的指導下綜合所學知識和方法,自主選擇、自主設計、自主完成某個具體的材料計算與設計任務,并對計算結果進行分析,形成書面報告,讓創新能力在實踐中得到培養。

1.2 加強思政引領,優化教學內容

知識體系決定著教學內容,教學內容反過來影響著知識體系?；A知識是創新的源泉。因此,課程組十分重視對材料設計課程基礎理論知識的講授,主要講授凝聚態物理、量子化學和納米材料等方面的知識,并用這些知識來構建整個課程的理論基礎。創新思想不會憑空產生,它建立在對學科前沿知識的了解和未來發展趨勢的把握之上,因此教學內容更要體現學科發展的動態。結合團隊成員的研究領域,課程組選擇量子能源材料、低維納米結構、半導體能帶工程以及微納力學設計4個交叉學科的前沿課題進行了講授。需要注意的是,這4個研究專題的授課內容是動態的,需根據課題的發展以及課程組的研究進展進行更新。在研究方法部分,課程組充分考慮材料設計課程具有的層次性,設置了從計算電子結構的第一性原理到模擬宏觀塊體性能的有限元方法,同時講授了相應的VASP、LAMMPS和ANSYS軟件知識,使研究生能夠多尺度地研究與探索,以培養研究生系統思考問題和解決問題的能力。在高階設計計算部分,教學內容不僅包括具體的材料設計操作,還包括撰寫調研報告和課題答辯材料等。課程組從材料設計課程知識體系的基礎知識部分到高階設計計算部分,從計算方法到計算軟件,從具體設計到研究報告撰寫、課題答辯,在整個過程上進行了教學內容的優化。

發揮課程思政對教學內容的引領作用,夯實創新基礎。培養創新能力,首先是對創新意識和創新精神的培養。課程思政不僅是對研究生進行的思想政治教育,也包含了對研究生人格的完善以及價值觀的塑造。在材料設計課程中,課程組注重充分調動教師和研究生的積極性,一起來深入挖掘思政元素,積極開展課程思政教學;在向研究生傳遞家國情懷的同時,通過實際案例來激發研究生的創新意識。比如,在講授有限元理論的時候引入了馮康院士的事跡。馮康是中國有限元方法的創始人,曾獲國家自然科學一等獎,他的創新性工作受到世界著名科學家丘成桐的高度評價。在講解二維材料的時候,引導研究生了解中科院化學所李玉良院士團隊在國際上首次合成新的碳同素異形體——石墨炔薄膜的工作,鼓勵研究生學習他們的團隊精神和創新精神。在課程的材料分析與表征部分,介紹清華大學生命科學學院研究員李賽帶領團隊,利用冷凍電鏡解析新型冠狀病毒的結構,為疫情防控做出積極貢獻的事跡,以此激發研究生的創新意識和創新精神,培養研究生的家國情懷。

1.3 發揮團隊優勢,豐富教學形式

團隊授課是本文提出的提升研究生創新能力“四位一體”教學模式的一大特點。材料設計課程由中原工學院低維量子材料計算與設計團隊負責,團隊科研平臺對學習該課程的全體研究生開放,由團隊成員組成課程組來集體授課。課程組能夠使用不同的計算軟件在量子能源、納米摩擦、表面催化等納米材料研究的前沿交叉領域進行不同尺度的模擬研究。另外,團隊具有高性能計算集群和多尺度計算軟件,能為研究生的科研工作提供平臺保障。材料設計課程在研一下學期開課,包括30學時的理論課程和32學時的課程設計?；A知識、專業知識在理論課程中完成,軟件使用、前沿課題學習和材料設計課程在課程設計階段完成。

課程的幾個教學部分各有特點,對研究生的要求也各不相同。針對不同的教學內容,課程組會采用多層次、多模式的教學方式進行教學。在理論性較強的基礎知識部分,選配理論功底深厚的教師采取傳統課堂講授的方式進行教學。對于研究方法部分,因3個層次研究方法的基本原理各具特點而分別選配對3種方法精通的3位教師進行分類授課。涉及具體計算方法時,采用翻轉課堂的教學方式進行教學,讓研究生通過提前預習、課堂講解,以及教師的點評主動完成課程學習。初級設計計算部分主要讓研究生學習軟件的基本原理和基本操作方法。因相應軟件的理論性不強,但對操作要求較高,所以,教師可在課堂上以實際案例進行軟件操作的演示。在教學中,課程組會給出一些基本的例子,讓研究生通過練習最終掌握材料設計與計算的一般方法。對于前沿課題,課程組主要采用專題講座的形式進行授課,且每個專題都由課程組教師進行集體授課;對于各子課題,可讓研究生提前在課下進行調研,將調研結果帶到課堂上進行討論。通過解決實際問題,鍛煉研究生提煉、整合、綜合運用相關基礎知識、專業前沿知識解決問題的能力,鍛煉研究生在知識、方法、實踐等方面的創新能力,啟發研究生的創新思維。對于高階設計計算部分,課程組采用教師引導、研究生自主完成、課程組集體答辯的方式進行教學,以進一步提升研究生整合知識進行創新的能力。

為了提升指導水平,解決培養過程中的具體問題,課程組會定期開展學習交流活動,匯報理論教學和實踐教學的進展情況,反饋教學中遇到的各種問題。對于教學過程遇到的具體問題,課程組會群策群力,給出合理的解決方案。課程組以追蹤前沿動態和激發創新思維為導向,以研究領域或研究課題的新進展為主題,以文獻研讀和學術報告為形式,定期地在教師和研究生之間開展學術交流活動;通過師師、師生、生生之間的全員多層次交流,從根本上擴大知識面,開闊學術視野,激發創新思維,逐步形成發現問題-研究問題-解決問題的研究模式,以不斷提高研究生的創新能力。

1.4 改革考核方法,突出創新能力

良好的教學內容設計和教學方法選擇,為實現教學目的提供了重要保障,而培養效果的檢驗要最終通過考核來完成。如何提升研究生的創新能力是研究生課程改革要解決的核心問題,考核方法的改革也要圍繞這一核心問題來進行。傳統的考核方法一般包含平時成績和期末考試成績兩部分。其中平時成績往往對應于一些章節的練習題,而期末考試則以試卷的形式出現。這種考核方法,主要是為了考查學生對基礎知識的掌握程度,而對于創新能力的形成或者提升卻缺乏有效的判斷。

為了有效評價研究生的創新能力,課程組對傳統考核方法進行了相應的調整。針對課程的基礎知識部分,仍然采用傳統的習題和測試方式對知識點進行考試。課程的研究方法部分雖說也有一定的理論色彩,但更注重對方法的應用。對于這部分的考核,課程組主要根據研究生在課堂上的表現,評價研究生對研究方法的理解程度;另外會有針對性地給出具體問題,讓研究生通過選擇研究方法設計出解決問題的一整套思路,以此考查研究生對所學方法的運用能力。前沿課題的考核主要在課堂上完成,通過研究生的互動討論了解研究生對課題的熟悉程度以及對創新點的把握情況,另外也可讓研究生在課下完成指定的調研報告,以考查研究生對學科發展動態的了解程度。實踐部分的考核實際上是針對整個課程的綜合考查,可通過指定研究對象,讓研究生主動發現問題,構思設計技術路線,進行自主設計,最終形成完整的書面報告,并通過導師組答辯共同評定,給出相應成績。研究生最終的學習成績由以上幾部分成績加權平均得到。這種考核方法既能反映研究生對基礎知識的掌握程度,更能準確體現研究生的創新能力。

2 材料設計課程“四位一體”教學模式教學效果的三方評價

課程組在材料設計課程中對提升研究生創新能力的“四位一體”教學模式進行了實踐,并從課程組教師、研究生自身,以及研究生所助教本科生3個角度對教改實踐成效進行了評價。

2.1 課程組教師的評價

由于課程組參與了材料設計課程的整個授課過程,對研究生的學習情況比較熟悉,因此可從課程組的角度對教學效果進行評價。課程組教師對研究生創新能力的評價調查結果如圖3所示。

圖3 課程組教師對研究生創新能力的評價調查結果Fig.3 Evaluation questionnaire of graduate students’ innovation ability by the supervisor team’ techers

對課程組11名教師進行的關于研究生創新能力的問卷調查顯示:有18.18%的教師認為,研究生整體上具有基本的創新精神;54.55%的教師認為,研究生具備一定的創新能力;有27.27%的教師認為,研究生的研究工作有明顯的創新性。分析可知,超過4/5的教師認為研究生具有了創新能力,或者已經產生了創新成果,但是也有將近1/5的教師認為研究生只是擁有基本的創新精神,在創新能力和創新成果方面還存在一定的不足,在創新精神到創新能力的轉化方面還需要進一步加強,尤其是創新性成果需要進一步積累。

2.2 低維量子物理與材料專業研究生的評價

課程組在研究生中開展了創新能力的自評調查。調查對象為低維量子物理與材料專業在讀的10名研究生。研究生創新能力的自我評價調查結果如圖4所示。

圖4 研究生創新能力的自我評價調查結果Fig.4 Self-evaluation questionnaire of graduate students’ innovation ability

從圖4可看出:20%的研究生認為提升研究生創新能力的“四位一體”教學模式(即改革后教學模式)能夠有效開闊視野,提高創新意識;20%的研究生認為,改革后教學模式主要提升了對創新方法的認識;另外60%的研究生認為,自身在實際科研中的創新能力得到了提高。調查結果顯示:所有研究生都認為自身在創新意識、創新能力和對創新方法認識方面有了提高;大部分研究生認為,創新能力的提升在其具體的研究工作中得到了體現,這也與本文以創新能力培養為目標的教學改革的目的相契合;40%的研究生認為,在自身能力提升方面還有待進一步提高,需要將提升創新意識和對創新方法的認識充分轉化為創新能力的提升。

2.3 研究生所助教本科生的評價

由于研究生參與了本科生的教學助課,所助教的40名本科生對研究生也比較了解,因此課程組對這部分本科生進行了問卷調查。本科生對研究生助課指導工作的評價調查結果如圖5所示。

圖5 本科生對研究生助課指導工作的評價調查結果Fig.5 Questionnaire on the evaluation of undergraduate students for graduate supervision

從圖5可看出:在針對40名本科生發放問卷而收回的34份有效問卷中,32.35%的本科生認為研究生對自己在課程設計學習中的知識理解起到了較好的指導作用;41.18%的本科生認為研究生對其實際操作有較好的指導;23.53%的本科生認為研究生對整個課程設計都有較好的指導;2.94%的本科生認為研究生的指導作用不夠顯著。調查結果顯示,研究生參與對本科生畢業設計的指導,總體上是成功的。

3 結語

對研究生創新能力的培養是研究生教育的核心。課程教育是研究生獲取創新知識的主要途徑,也是提升研究生創新能力的有效方法。本文從知識體系、教學內容、教學形式和考核方法等方面對低維量子物理與材料專業學術型碩士研究生的材料設計課程,進行了以創新能力培養為目標的教學改革與實踐,提出了通過建立知識體系、掌握研究方法、了解前沿課題、提高實踐能力,來提升研究生創新能力的“四位一體”教學模式,并從課程組教師、研究生自身和研究生所助教本科生3個角度對改革后教學模式的應用效果進行了問卷調查。調查結果表明,改革后教學模式對于提升研究生創新能力具有重要的作用。改革經驗可供其他課程借鑒與參考。