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星座官方:“试验田”育出“创新苗”(深度观察)

标签: 发布时间: 2021年11月02日 08:03:13 次浏览
星座官方:“试验田”育出“创新苗”(深度观察)(图1)

  “不破的泡泡”实验照片。
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星座官方:“试验田”育出“创新苗”(深度观察)(图2)

  钱学森班学生们在专注听课。
  人民视觉

星座官方:“试验田”育出“创新苗”(深度观察)(图3)

  钱学森班“今日与未来”系列讲座现场。
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  创新之道,唯在得人。习近平总书记在中央人才工作会议上指出,我国拥有世界上规模最大的高等教育体系,有各项事业发展的广阔舞台,完全能够源源不断培养造就大批优秀人才,完全能够培养出大师。

  清华大学钱学森力学班创立于2009年,是国家“基础学科拔尖学生培养试验计划”唯一定位于工科基础的试验班。12年来,这块“面向创新型工科的试验田”围绕着培养创新型人才、提升本科教育质量、激发学生内生动力、促进教学相长等方面,开展了一系列实践探索,取得了可喜的突破。细雨深润,禾苗茁壮。回顾12年的探索历程,“好苗子”如何在“试验田”上拔节育穗?钱学森班的探索,能给我国创新型人才培养带来哪些启示?记者近日走近钱学森班,尝试寻找答案。

  

  试水——

  想方设法呵护学生的激情。这种激情应该是对一件事情着迷,晚上睡不着觉,吃饭走路都在想这件事情的感觉,这对创新至关重要

  “我做的研究是让两个固体表面没有摩擦,这是一个非常基础的领域。因为摩擦一定会磨损,我们有1/3的能源就消耗在这上面。”中国科学院院士、钱学森班首席教授郑泉水在结构超滑领域耕耘20余年,曾以第一获奖人身份获得过两次国家自然科学奖二等奖。

  然而,作为清华大学航天航空学院工程力学系教授,另一个关于减少“磨损”的问题也一直萦绕在郑泉水的心头。“我1993年到清华大学任教,当初给我的感觉就是,清华的学生很聪明,但内生动力不够。”郑泉水口中的“内生动力”,指的不是多上几门课,或者考个好成绩。“我认为,学生被‘磨损’的会是激情。这种激情应该是要对一件事情着了迷,晚上睡不着觉,吃饭走路都在想一件事的那种感觉,这对创新至关重要。”

  郑泉水开始系统思考创新型人才培养问题是在2001年。那年,一个非常优秀的清华本科生跟着郑泉水读硕士。有多优秀呢?用郑泉水的话说:“博士后一年都没解决的问题,还在读大四的他两个星期就解决了。”当时,就是这个学生的一句话让郑泉水十分震惊:“我们班里只有我一个人有兴趣做学术。”

  “清华大学有这么好的资源和条件,学生有这么好的天赋,大多数人却不想做研究,就是来读个学位,这怎么能行?”郑泉水猜测,主要原因可能是知识“不好玩”,课程体系太老化。于是他和同事们一起花了大量时间,来讨论怎样改革教学内容和课程体系。但是,郑泉水发现光改这些还远远不够。

  到了2007年,问题变得更加紧迫。“航天航空学院一届90多个本科生,14个没有毕业。当时我是学院学术委员会的主任,主管教学体系。这种情况让我们下定决心必须改课程,之后又花了3个月讨论怎么改。”郑泉水回忆。

  经过反复研讨,大家形成了共识:本科课程学得多、学得全,一部分课程的挑战度、训练量不够,成了学生们口中的“水课”。要提升本科教学质量,一定要把课程里的“水分”挤掉。但是究竟哪些课要砍掉,哪些课要加强?不少老师都认为自己专业领域的课程很重要,这导致都加强的话,学分起码要到200分以上,学生根本受不了,所以很难调和。

  密集的教学研讨没有马上奏效,却让郑泉水等对创新型人才培养有了更进一步的认识。2007年夏,他向清华大学校领导汇报工作时提出,结合清华的力学和工科优势,创办一个“人才培养试验田”的设想。在得到学校领导的充分肯定后,这个“人才培养试验田”加紧筹备。当时,“两弹一星”元勋、人民科学家钱学森院士亲自首肯了在清华设立的这个力学班以“钱学森”来命名。2009年,教育部等部门联合推出“基础学科拔尖学生培养试验计划”,并在清华等19所高校进行拔尖创新人才培养试点,钱学森班被纳入其中。

  2009年9月5日,30名意气风发的年轻人走进清华大学,成为钱学森班的第一届学生,一场创新型人才培养计划,就此展开。

  破题——

  你想长成什么样子,就去扎什么样的根;想盖多高的房子,就去打多深的基础

  “钱学森班首先定位是工科基础,不是力学或者某个专业。所以我们除了要帮助学生找到‘内生动力’,还强调开放性。”郑泉水说,“清华大学有好几十个专业,其实很多学生并不知道自己究竟喜欢学什么,‘选对’的概率可能只有几十分之一。我们做过调研,让学生们困惑的往往是‘我学这个专业有什么用’‘为什么要学这门课’这些最基本的问题。所以我们想到了一个办法:你想长成什么样子,就去扎什么样的根;想盖多高的房子,就去打多深的基础。”

  怎样立足开放性打基础?钱学森班的老师们一开始想了很多办法,比如小班授课、请知名教授来上导论之类的课等,但效果都不太理想。郑泉水百思不得其解,直到一个“不破的泡泡”出现。

  钱学森班创立之初,郑泉水就经常和学生们讨论一些“异想天开”的想法。例如,石油被压在沙子的缝隙里。沙子变成砂岩后,缝隙变得很小,阻力变得很大,石油就流不出来。假如在石油里放一些纳米颗粒,相当于给石油装上了“轮子”,石油在砂岩的边界上,不就能自己“滚动”出来了吗?

  钱学森班2009级学生杨锦,循着这个想法开始做实验。虽然他没有成功地给石油装上“轮子”,却在实验的过程中观察到水面上漂浮着一层微小的泡泡,过了好几天仍然不破。他把这个现象告诉了郑泉水。郑泉水也不懂,但觉得有趣,他没有敷衍学生的好奇心,而是鼓励并指导杨锦继续研究,最终发现了“不破的泡泡”的原理——水泡表面有紧密排列微米颗粒时,产生的毛细张力可以维持水泡一个多月不破。半年下来,杨锦第一次领悟到用自己的所学和推导可以去解释分析、定量描述一个物理现象,这让他在观察、实验、理论方面,都有了很大的进步。

  这个“不破的泡泡”也让郑泉水感到振奋:“上课不管上到什么样的水平,一堂课下来,学生能掌握的可能只有30%;但是如果提出问题,通过这些问题来实践、研究,有可能学生对知识的理解能达到70%。”

  知识面随着研究不断深入,钱学森班似乎能找到一条可行的路径——实现从学得多、学得全,向学得深、学得宽转变。“正常的课程,学生上1小时的课做3小时练习,现在通过深入做研究,学生可能要花9小时乃至27小时。甚至在知识的牵引下,他可以从物理做到化学,从化学做到生物,这个能力是可以迁移的。”郑泉水说。

  在钱学森班成立之初的几年,虽然也对课程体系进行了大的调整,学分减少到了178分,但郑泉水仍不满意。他又找来在清华大学长期从事教学管理工作的数学系教授白峰杉,对课程体系再次进行大刀阔斧的改革。“大学期间学了多少门课不重要,但是学透了几门课特别重要。我们只留下那些能够改变认识的课。”白峰杉说。

  2016年,清华大学本科荣誉学位项目在钱学森班首试,这个项目设置了18门“挑战性”课程,并划分为6个系列,分别是数学、自然科学、工科基础、专业与研究,以及人文、综合与贯通,一个钱学森班学生在大学前3年的每个学期里,荣誉挑战性课程只需上3门,从前4类里面选2门,从后2类里选1门。在荣誉挑战性课程之外,学生还可以根据自己的兴趣和研究方向选择结构性课程,来构建自己的知识和能力体系。就这样,钱学森班把总学分降到了148分,低于清华大学其他工科院系的学分要求。

  成果——

  在总学分上做“减法”的同时,在课程难度和挑战性上做足“加法”,让学生们“燃”起来,尽情释放创新能量

  “在清华大学钱学森班就读是种怎样的体验?”在某网络问答平台上,这个话题曾引起过热烈的讨论。钱学森班里,在高考或竞赛中披荆斩棘的佼佼者们,似乎迎来了更大的挑战:“课程的难度设置更大、进度更快”“会有各种大作业,比如‘有限元法基础’课会让我们‘造一座桥’”……钱学森班在总学分上做“减法”的同时,在课程难度和挑战性上却做足了“加法”,让学生们“燃”起来,尽情释放创新能量。

  “我教的课程叫高等微积分,但事实上我教授的是数学分析。微积分主要说的是可以这样做,而且是可行的;数学分析还要说清楚,为什么这样做是可行的。它必须是个完整的逻辑思想体系。”清华大学数学系教授郑建华编写的教程讲义内容丰富,难度也有所提升,但并没有把钱学森班的学生们“打趴下”。

  “脑子转得飞快。”这是钱学森班2016级学生黄轩宇大一时学数学分析的状态。这个在高中时代拿过国际奥林匹克物理竞赛亚洲金牌的学生,上大学前就已经自学了数学分析,但一次数学作业还是要花上四五个小时,那些推演令人着迷。

  “我看到了他们在艰难的学业中展现出来的智慧。”“燃”起来的学生们那些叫绝的解题方法,郑建华曾记录了满满一个笔记本。“教育的意义在于激发智慧,这个智慧不是我们教师给的,但是需要我们来点燃,我就是一根火柴。”郑建华说。

  在增加课程难度的基础上,钱学森班的老师还会经常提出一些带有科研性质的问题,鼓励学生探索。黄轩宇曾在一个偶然的场合,听郑泉水聊起“超滑发电机”的设想,“高中时我电动力学学得比较好,所以听完之后,物理模型在脑海里马上就有感觉了。我觉得可以先从理论设计做起,看能不能从理论上说明‘超滑’对发电机有帮助。”就这样,黄轩宇跟郑泉水约定,每一两周汇报一次进展。

  经常得到老师、学长们的指导与反馈,黄轩宇逐渐积累起信心,他自学了半导体、量子力学、固体物理、微加工、电路等课程。到了大三,因为要做一些器件的设计和加工,他又选了很多微电子系的课,还请老师们帮忙,申请到其他实验室的权限。“自己动手做,一开始没有经验,手会比较抖,有时做好了前三道工艺,到了第四步就做坏了。但从设计、版图、加工到测试,都是我自己来做,现在再碰到一个微加工的工艺,就不会有太大难度了。”黄轩宇告诉记者。

  郑泉水拿出一本厚厚的论文来——《结构超滑纳米发电机》,如果不看作者署名是“黄轩宇”,很难将它和一名本科生联系起来。另一张照片里,黄轩宇正带领着五六名博士生、博士后研讨超滑发电机,大家聚精会神地讨论,当时还在读本科的黄轩宇认真地进行讲解。“他已经把超滑发电机样机做出来了,还带了一个研究组,做得比我要出色。”郑泉水的脸上洋溢着笑容。

  “本科生是可以做研究的,但是需要方法论。”这在钱学森班已经成为师生们的共识。

  当研究与学习以更加紧密的方式结合,思想的“火花”也在不断碰撞、激发。化学系教授李强说,由于经常开展深入的讨论,将“三节课”延长到“四节课”,在钱学森班成了“家常便饭”;数学系教授张贺春说,钱学森班大一本科生给出过他本人都未曾想到的数学证明方法;在航天航空学院教授郑钢铁的带领下,手术机器人、自主车、人工外骨骼这些“创新”的想法一个个变成了现实……

  特色——

  在这里,师生之间亦师亦友,学长常常出谋划策,同学一起出游、聊天。“朋辈学习”促进共同成长

  “以前我们谈大学教育时,似乎很少讨论如何让老师做他们真正感兴趣的教育工作,有的老师甚至还会把教学与科研对立起来。”在郑泉水看来,创新型人才培养则可以做到教学相长,让师生共同感兴趣,共同取得成果。

  2013级学生胡脊梁,曾经成功地把老师吸引到钱学森班。大一那年暑假,他加入航天航空学院的生物力学研究所,此后逐渐明确了自己的研究方向——生物物理。在实验中,他发现了细胞膜的曲率与蛋白分布之间明显的相关性,就深入学习了复杂系统科学、发育学和进化学,还主动联系清华大学、北京大学生命科学学院的老师讨论。

  胡脊梁在本科毕业时一共发表了5篇论文,其中1篇还发表在顶级期刊上。几年后,一名清华大学生命科学学院的老师见到郑泉水时,提了句:“我们有共同的学生。”郑泉水这才知道。很多其他学院的老师都是以这种方式“加入”钱学森班的。郑泉水认为,创造条件并帮助学生,使得他们的创新意识和能力得到充分发挥,不仅能让学生深度学习、找到兴趣方向,而且对老师也特别有帮助,是一个双赢的局面。

  钱学森班另一个令人印象深刻的特色是“朋辈学习”。在这里,学长经常为学弟学妹们的科研、成长出谋划策,提出建议,同学们也会经常一起出游、聚餐。在这里,师生之间亦师亦友。钱学森班2014级学生杨昊光记得,有一次他们去郊区野营,他和郑泉水在一个帐篷里聊天,聊梦想,聊科技发展,聊人生选择……

  12年来,钱学森班的绝大多数学生都选择了科研道路,部分学生已经在相关领域崭露头角。谈及创办钱学森班的初心,郑泉水说,希望找到并帮助那些将来有志于从事科学研究、有着强烈学术志趣的学生成长成才,培养出中国自己的大师,并探索破解“钱学森之问”。

  60多年前,清华大学也曾有过一个“钱学森班”。当年,回国不久的钱学森为了解决力学人才匮乏的问题,在清华大学开办了工程力学研究班,培养了300多名新中国急需的力学人才,其中包括多位两院院士,为“两弹一星”、载人航天等重大工程积蓄了人才力量。60多年过去了,又一个钱学森班承载着自主培养创新型人才的光荣使命,向着实现高水平科技自立自强的目标继续前进。

  

  为创新型人才培养蹚新路(记者手记)

  12年,对一般的事业来说不算短,对于教书育人来说,却不算长。走进钱学森班,最让记者感佩的不仅是院士、教授们极高的科研成就,也不仅是青年学子极高的天赋潜质,更有他们对于教书育人、自主创新那份共同的热忱及为之付出的努力。

  创新驱动实质是人才驱动,人才是创新的第一资源。当前,世界科技革命和产业变革方兴未艾。迈上全面建设社会主义现代化国家新征程,坚定创新自信,紧抓创新机遇,加快实现高水平科技自立自强,就必须下大力气培养创新型人才。钱学森班通过重构课程体系、激发学生内生动力、突出研究性学习等,构建起了更加开放的创新教育模式,开辟出一条因材施教的新路,使得那些有志于从事科学研究、有着强烈学术志趣的学生能够成长成才,有力呼应了高质量发展的人才需求。

  教育是立国之本。加快建设世界重要人才中心和创新高地,就必须加大教育投入,特别是深化教育资源供给侧改革。在钱学森班,就有一批执着的老师,在教学、指导学生科研方面投入了大量的时间和精力。作为学生的引导者,他们用真心、耐心帮助学生成长发展。优秀的教师对优秀的学生倾情竭力,也是钱学森班取得骄人成绩的奥秘。

  十年树木,百年树人。对于培养创新型人才来说,12年的时间只是起步,但钱学森班只争朝夕的探索,无疑开了一个好头。希望有更多钱学森班这样的“试验田”,育出更多的“创新苗”,为早日把我国建设成为世界科技强国添薪助力。

  版式设计:张芳曼


  《 人民日报 》( 2021年11月01日 19 版)

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