以创新能力培养为导向的研究生课程团队教学模式探索与实践
——以材料设计课程为例

王建军, 王艳丽, 李 梦, 郭 鹏, 杨林峰, 方莉俐

(1.中原工学院 物理与光电工程学院, 河南 郑州 450007; 2.郑州大学 电气与信息工程学院, 河南 郑州 450001)

2020年9月,教育部、国家发展改革委、财政部发布的《关于加快新时代研究生教育改革发展的意见》强调:要坚持创新引领,增强研究生使命感和责任感,全面提升研究生的知识创新和实践创新能力[1]。以此为契机,各研究生培养单位纷纷掀起了以创新能力培养为导向的研究生教学改革热潮,以完善研究生人才培养体系,推动研究生教育的高质量、内涵式发展,加快培养国家急需的高层次创新型人才[2-4]。

课程教育是研究生创新能力培养的基础,是研究生获取创新知识的主要途径,也是提升研究生创新能力的重要环节。课程建设在研究生培养体系中居于核心地位,与教学体系中的知识体系、教学内容、教学形式及考核方式紧密相连,是以创新能力培养为导向的研究生教育改革的重点和难点[4-6]。研究生课程与世界科技的发展密切相连,内容更新较快,知识前沿化、交叉化的特点十分明显。因此,单一教师授课模式在当今研究生课程教学中面临很大的挑战,而由相关学科成员组成的课程团队授课模式在研究生课程教学中具有很大优势,其教学模式很值得探索与实践[7-15]。

中原工学院低维量子物理与材料研究生专业是物理与材料、化学学科交叉形成的学术型硕士专业,主要培养量子材料及器件方面的创新型高级人才。材料设计是低维量子物理与材料专业的核心课程。该课程从量子材料的基本理论与原理、材料计算软件开发及使用、量子功能材料及器件的设计等方面,对学生进行知识传授和技术培养,目前由低维量子材料计算与设计团队进行授课。材料设计课程属于交叉前沿课程,是研究生进行创新实践的课程平台,也是基于创新能力培养的研究生团队教学模式改革与探索的理想课程。本文主要介绍课程组在材料设计课程上进行以创新能力培养为导向的教学模式改革与实践问题,并基于实践经验,提出能够有效提高研究生创新能力的“四位一体”教学模式。

1 材料设计课程“四位一体”教学模式的探索与实践

课程组从知识体系、教学内容、教学形式和考核方式出发,对材料设计课程教学模式进行改革与探索,采用教师讲解、翻转课堂、互动讨论与自主实践等教学方式,帮助研究生建立完善的知识体系,掌握系统的研究方法,了解特色明显的前沿课题,提高创新实践能力,力争达到提升研究生创新能力的目标。本文提出的提升研究生创新能力的“四位一体”教学模式如图1所示。

图1 提升研究生创新能力的“四位一体”教学模式Fig.1 The “four-in-one” teaching mode of graduate courses oriented by the cultivation of innovation ability

1.1 夯实创新基础,构建知识体系

完整的知识体系是培养研究生创新能力的基础。知识体系的构建,就是通过比较分析,从大量纷繁复杂的课程知识点中提炼出它们的关联或逻辑关系,然后按照一定的结构,分层次地构建起一个系统的框架。该框架应该是结构完整的,在组织上具有较强的逻辑性,在难易程度的安排上符合学习习惯,并且能够突出重点问题。狭义的知识体系,尤其是对于一些理论性比较强的课程来说,一般只包含该课程的基本理论知识。而广义的知识体系还包括研究方法和实践内容,尤其是对于一些操作性要求比较高的课程来说,其具体研究方法的选择和实践内容的确定是培养研究生解决实际问题、形成实践创新能力的关键。材料设计课程的知识体系(见图2)既注重基本理论知识和研究方法,又强调软件使用与具体的实践过程,是提高研究生创新思维和创新实践能力的基础。

图2 材料设计课程的知识体系Fig.2 The knowledge system of material design course

材料设计课程是由物理、化学、材料、计算机等学科交叉形成的课程。其基础知识部分主要涉及凝聚态物理、量子化学、纳米材料等相关知识,构成了知识体系的底层。该课程是一门操作性很强的应用型课程,相应的研究方法是其十分重要的内容。因此,课程组在构建材料设计课程的知识体系时设置了研究方法部分,并将其作为一个完整的单元进行教学。这些研究方法表现出了非常明显的层次性,对于只有几个到几百个原子的体系,一般需要考虑原子中的电子的相互作用,主要从量子力学出发,采用第一性原理进行精确求解。而对于分子层次的体系,则主要采用经典牛顿力学的分子动力学方法进行模拟。当研究对象达到介观尺度时,主要采用有限元方法进行分析。只学会这些基础知识和研究方法是不够的,研究生还要能用相应的计算软件来解决具体问题。在该课程知识体系的初级设计计算部分,课程组主要介绍材料计算与设计方面的几种主流软件,使研究生具备一定的建模、计算和结果分析能力。了解学科发展中的前沿课题是研究生进行创新能力培养的关键环节,其学科交叉的特点十分明显。研究生在该环节需要了解学科的最新研究进展与突破、学科发展的“卡脖子”问题,并能结合多学科知识对这些问题进行相应的思考,以达到培养研究生良好思维习惯与创新能力的目的。高阶设计计算是材料设计课程知识体系的重要部分。针对这部分知识的学习,研究生应在教师的指导下综合所学知识和方法,自主选择、自主设计、自主完成某个具体的材料计算与设计任务,并对计算结果进行分析,形成书面报告,让创新能力在实践中得到培养。

1.2 加强思政引领,优化教学内容

知识体系决定着教学内容,教学内容反过来影响着知识体系。基础知识是创新的源泉。因此,课程组十分重视对材料设计课程基础理论知识的讲授,主要讲授凝聚态物理、量子化学和纳米材料等方面的知识,并用这些知识来构建整个课程的理论基础。创新思想不会凭空产生,它建立在对学科前沿知识的了解和未来发展趋势的把握之上,因此教学内容更要体现学科发展的动态。结合团队成员的研究领域,课程组选择量子能源材料、低维纳米结构、半导体能带工程以及微纳力学设计4个交叉学科的前沿课题进行了讲授。需要注意的是,这4个研究专题的授课内容是动态的,需根据课题的发展以及课程组的研究进展进行更新。在研究方法部分,课程组充分考虑材料设计课程具有的层次性,设置了从计算电子结构的第一性原理到模拟宏观块体性能的有限元方法,同时讲授了相应的VASP、LAMMPS和ANSYS软件知识,使研究生能够多尺度地研究与探索,以培养研究生系统思考问题和解决问题的能力。在高阶设计计算部分,教学内容不仅包括具体的材料设计操作,还包括撰写调研报告和课题答辩材料等。课程组从材料设计课程知识体系的基础知识部分到高阶设计计算部分,从计算方法到计算软件,从具体设计到研究报告撰写、课题答辩,在整个过程上进行了教学内容的优化。

发挥课程思政对教学内容的引领作用,夯实创新基础。培养创新能力,首先是对创新意识和创新精神的培养。课程思政不仅是对研究生进行的思想政治教育,也包含了对研究生人格的完善以及价值观的塑造。在材料设计课程中,课程组注重充分调动教师和研究生的积极性,一起来深入挖掘思政元素,积极开展课程思政教学;在向研究生传递家国情怀的同时,通过实际案例来激发研究生的创新意识。比如,在讲授有限元理论的时候引入了冯康院士的事迹。冯康是中国有限元方法的创始人,曾获国家自然科学一等奖,他的创新性工作受到世界著名科学家丘成桐的高度评价。在讲解二维材料的时候,引导研究生了解中科院化学所李玉良院士团队在国际上首次合成新的碳同素异形体——石墨炔薄膜的工作,鼓励研究生学习他们的团队精神和创新精神。在课程的材料分析与表征部分,介绍清华大学生命科学学院研究员李赛带领团队,利用冷冻电镜解析新型冠状病毒的结构,为疫情防控做出积极贡献的事迹,以此激发研究生的创新意识和创新精神,培养研究生的家国情怀。

1.3 发挥团队优势,丰富教学形式

团队授课是本文提出的提升研究生创新能力“四位一体”教学模式的一大特点。材料设计课程由中原工学院低维量子材料计算与设计团队负责,团队科研平台对学习该课程的全体研究生开放,由团队成员组成课程组来集体授课。课程组能够使用不同的计算软件在量子能源、纳米摩擦、表面催化等纳米材料研究的前沿交叉领域进行不同尺度的模拟研究。另外,团队具有高性能计算集群和多尺度计算软件,能为研究生的科研工作提供平台保障。材料设计课程在研一下学期开课,包括30学时的理论课程和32学时的课程设计。基础知识、专业知识在理论课程中完成,软件使用、前沿课题学习和材料设计课程在课程设计阶段完成。

课程的几个教学部分各有特点,对研究生的要求也各不相同。针对不同的教学内容,课程组会采用多层次、多模式的教学方式进行教学。在理论性较强的基础知识部分,选配理论功底深厚的教师采取传统课堂讲授的方式进行教学。对于研究方法部分,因3个层次研究方法的基本原理各具特点而分别选配对3种方法精通的3位教师进行分类授课。涉及具体计算方法时,采用翻转课堂的教学方式进行教学,让研究生通过提前预习、课堂讲解,以及教师的点评主动完成课程学习。初级设计计算部分主要让研究生学习软件的基本原理和基本操作方法。因相应软件的理论性不强,但对操作要求较高,所以,教师可在课堂上以实际案例进行软件操作的演示。在教学中,课程组会给出一些基本的例子,让研究生通过练习最终掌握材料设计与计算的一般方法。对于前沿课题,课程组主要采用专题讲座的形式进行授课,且每个专题都由课程组教师进行集体授课;对于各子课题,可让研究生提前在课下进行调研,将调研结果带到课堂上进行讨论。通过解决实际问题,锻炼研究生提炼、整合、综合运用相关基础知识、专业前沿知识解决问题的能力,锻炼研究生在知识、方法、实践等方面的创新能力,启发研究生的创新思维。对于高阶设计计算部分,课程组采用教师引导、研究生自主完成、课程组集体答辩的方式进行教学,以进一步提升研究生整合知识进行创新的能力。

为了提升指导水平,解决培养过程中的具体问题,课程组会定期开展学习交流活动,汇报理论教学和实践教学的进展情况,反馈教学中遇到的各种问题。对于教学过程遇到的具体问题,课程组会群策群力,给出合理的解决方案。课程组以追踪前沿动态和激发创新思维为导向,以研究领域或研究课题的新进展为主题,以文献研读和学术报告为形式,定期地在教师和研究生之间开展学术交流活动;通过师师、师生、生生之间的全员多层次交流,从根本上扩大知识面,开阔学术视野,激发创新思维,逐步形成发现问题-研究问题-解决问题的研究模式,以不断提高研究生的创新能力。

1.4 改革考核方法,突出创新能力

良好的教学内容设计和教学方法选择,为实现教学目的提供了重要保障,而培养效果的检验要最终通过考核来完成。如何提升研究生的创新能力是研究生课程改革要解决的核心问题,考核方法的改革也要围绕这一核心问题来进行。传统的考核方法一般包含平时成绩和期末考试成绩两部分。其中平时成绩往往对应于一些章节的练习题,而期末考试则以试卷的形式出现。这种考核方法,主要是为了考查学生对基础知识的掌握程度,而对于创新能力的形成或者提升却缺乏有效的判断。

为了有效评价研究生的创新能力,课程组对传统考核方法进行了相应的调整。针对课程的基础知识部分,仍然采用传统的习题和测试方式对知识点进行考试。课程的研究方法部分虽说也有一定的理论色彩,但更注重对方法的应用。对于这部分的考核,课程组主要根据研究生在课堂上的表现,评价研究生对研究方法的理解程度;另外会有针对性地给出具体问题,让研究生通过选择研究方法设计出解决问题的一整套思路,以此考查研究生对所学方法的运用能力。前沿课题的考核主要在课堂上完成,通过研究生的互动讨论了解研究生对课题的熟悉程度以及对创新点的把握情况,另外也可让研究生在课下完成指定的调研报告,以考查研究生对学科发展动态的了解程度。实践部分的考核实际上是针对整个课程的综合考查,可通过指定研究对象,让研究生主动发现问题,构思设计技术路线,进行自主设计,最终形成完整的书面报告,并通过导师组答辩共同评定,给出相应成绩。研究生最终的学习成绩由以上几部分成绩加权平均得到。这种考核方法既能反映研究生对基础知识的掌握程度,更能准确体现研究生的创新能力。

2 材料设计课程“四位一体”教学模式教学效果的三方评价

课程组在材料设计课程中对提升研究生创新能力的“四位一体”教学模式进行了实践,并从课程组教师、研究生自身,以及研究生所助教本科生3个角度对教改实践成效进行了评价。

2.1 课程组教师的评价

由于课程组参与了材料设计课程的整个授课过程,对研究生的学习情况比较熟悉,因此可从课程组的角度对教学效果进行评价。课程组教师对研究生创新能力的评价调查结果如图3所示。

图3 课程组教师对研究生创新能力的评价调查结果Fig.3 Evaluation questionnaire of graduate students’ innovation ability by the supervisor team’ techers

对课程组11名教师进行的关于研究生创新能力的问卷调查显示:有18.18%的教师认为,研究生整体上具有基本的创新精神;54.55%的教师认为,研究生具备一定的创新能力;有27.27%的教师认为,研究生的研究工作有明显的创新性。分析可知,超过4/5的教师认为研究生具有了创新能力,或者已经产生了创新成果,但是也有将近1/5的教师认为研究生只是拥有基本的创新精神,在创新能力和创新成果方面还存在一定的不足,在创新精神到创新能力的转化方面还需要进一步加强,尤其是创新性成果需要进一步积累。

2.2 低维量子物理与材料专业研究生的评价

课程组在研究生中开展了创新能力的自评调查。调查对象为低维量子物理与材料专业在读的10名研究生。研究生创新能力的自我评价调查结果如图4所示。

图4 研究生创新能力的自我评价调查结果Fig.4 Self-evaluation questionnaire of graduate students’ innovation ability

从图4可看出:20%的研究生认为提升研究生创新能力的“四位一体”教学模式(即改革后教学模式)能够有效开阔视野,提高创新意识;20%的研究生认为,改革后教学模式主要提升了对创新方法的认识;另外60%的研究生认为,自身在实际科研中的创新能力得到了提高。调查结果显示:所有研究生都认为自身在创新意识、创新能力和对创新方法认识方面有了提高;大部分研究生认为,创新能力的提升在其具体的研究工作中得到了体现,这也与本文以创新能力培养为目标的教学改革的目的相契合;40%的研究生认为,在自身能力提升方面还有待进一步提高,需要将提升创新意识和对创新方法的认识充分转化为创新能力的提升。

2.3 研究生所助教本科生的评价

由于研究生参与了本科生的教学助课,所助教的40名本科生对研究生也比较了解,因此课程组对这部分本科生进行了问卷调查。本科生对研究生助课指导工作的评价调查结果如图5所示。

图5 本科生对研究生助课指导工作的评价调查结果Fig.5 Questionnaire on the evaluation of undergraduate students for graduate supervision

从图5可看出:在针对40名本科生发放问卷而收回的34份有效问卷中,32.35%的本科生认为研究生对自己在课程设计学习中的知识理解起到了较好的指导作用;41.18%的本科生认为研究生对其实际操作有较好的指导;23.53%的本科生认为研究生对整个课程设计都有较好的指导;2.94%的本科生认为研究生的指导作用不够显著。调查结果显示,研究生参与对本科生毕业设计的指导,总体上是成功的。

3 结语

对研究生创新能力的培养是研究生教育的核心。课程教育是研究生获取创新知识的主要途径,也是提升研究生创新能力的有效方法。本文从知识体系、教学内容、教学形式和考核方法等方面对低维量子物理与材料专业学术型硕士研究生的材料设计课程,进行了以创新能力培养为目标的教学改革与实践,提出了通过建立知识体系、掌握研究方法、了解前沿课题、提高实践能力,来提升研究生创新能力的“四位一体”教学模式,并从课程组教师、研究生自身和研究生所助教本科生3个角度对改革后教学模式的应用效果进行了问卷调查。调查结果表明,改革后教学模式对于提升研究生创新能力具有重要的作用。改革经验可供其他课程借鉴与参考。