納米材料線下一流本科課程建設研究與實踐

王 琳，于雪蓮

（中國地質大學（北京）材料科學與工程學院，北京 100083）

聚焦“雙碳”“中國制造2025”等國家重大戰(zhàn)略需求，培養(yǎng)兼具過硬專業(yè)知識和創(chuàng)新精神的復合型人才是現(xiàn)代高等工科學校人才培養(yǎng)的責任和使命。學生在校期間大部分時間都在接受通識教育和專業(yè)教育，尤其是專業(yè)教育的課程體系貫穿大學生涯的始終，因此高校應注重把培養(yǎng)創(chuàng)新人才融入學科專業(yè)教育的全過程。其中，專業(yè)核心課是專業(yè)教育中的重要一環(huán)，此時學生具有一定的專業(yè)基礎和理解力，正處于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟蒙階段，能否給予正確的引導對于學生科學思維和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)至關重要。其中，涉及新興學科并聚焦領域前沿發(fā)展的專業(yè)課程，其結構框架和內容相對靈活，但往往導致課程教學內容缺少頂層設計，學生評價不高、甚至被認為是“水課”。2019年，教育部提出的《關于一流本科課程建設的實施意見》中明確指出，課程質量直接決定人才培養(yǎng)質量，一流本科課程“雙萬計劃”將全面覆蓋所有類型的高校、所有類型的課程，以求整體提升我國本科教育的質量。[1]

自《意見》提出后，中國地質大學（北京）迅速做出積極響應，在全校范圍內開展了關于一流本科課程的大討論，全體教師、全部課程都踴躍投入到建設一流本科課程的努力中。即便目前互聯(lián)網(wǎng)信息技術的發(fā)展為教育教學提供了有力的線上平臺，但線下教育在本科教學中仍然占據(jù)主力地位，因此教育改革中建設線下一流課程勢在必行。《納米材料》是我校材料學院材料物理專業(yè)的一門重要專業(yè)核心課程，于2021年獲批建設中國地質大學（北京）一流本科課程。因此，本文以該課程的改革為例，對線下一流本科課程建設中出現(xiàn)的問題進行了剖析，并對提出的相應舉措進行了探究與實踐。

1 課程基本情況及課堂教學中存在的問題

納米材料為當今納米科學與技術高速發(fā)展促生的新興交叉學科，與我院材料物理專業(yè)特色研究方向“光電功能納米材料”相匹配。《納米材料》課程涉及物理、化學、材料、半導體等多學科的基礎理論，并與后續(xù)的新能源材料、功能材料導論以及學生創(chuàng)新培養(yǎng)（生產(chǎn)實習、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐、畢業(yè)設計）等密切相關，在專業(yè)課程學習中起到了承上啟下的重要作用。課程系統(tǒng)地介紹納米材料的基本效應和基礎理論、納米微粒的物理化學特性、納米材料的研究分析方法、各類納米材料特性與功能應用。通過本課程的學習，培養(yǎng)學生應用納米材料基本理論分析并解決實際問題的能力，能夠根據(jù)功能需求提出材料設計的解決方案，為材料物理專業(yè)本科生將來從事納米材料生產(chǎn)、檢測與應用開發(fā)提供必要的理論基礎。

《納米材料》課程為32學時、2學分，自2019年首次開設，年均選課人數(shù)29人。通過多年來對《納米材料》課程的教學實踐發(fā)現(xiàn)，本課程教學中存在以下問題。第一，教學理念、教學模式和教學手段等比較陳舊，仍遵照以教師為中心的“老師講、學生聽”“幻燈片結合板書”的教學模式，教學設計和教學實施未充分考慮學生現(xiàn)狀及需求。第二，教學內容一成不變，不符合學科發(fā)展中高速更新?lián)Q代的大局勢。第三，理論與實踐聯(lián)系不夠緊密，缺少實際應用性案例教學，學生缺乏將理論知識轉換為解決問題方案的能力。第四，教學模式不能充分支撐課程目標，比如布置的作業(yè)和結課論文缺乏精心設計，或者僅僅按照知識點的重要性安排。第五，教學反饋機制不完善，學生遇到困難或學習狀態(tài)不佳時教師無法及時收到并做出調整。

針對以上問題，我們認為，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)需要創(chuàng)新型教師。教師首先需要更新教學理念，對課程有整體規(guī)劃和部署。根據(jù)此能夠合理設計教學內容和教學結構，并結合目前多元化的互聯(lián)網(wǎng)信息技術構建課程資源庫。接著通過涉及教學模式和反饋機制，便可逐步建設一門能夠提升學生科學思維和工程素養(yǎng)的一流線下本科課程。[2]

2 教學改革：理念與課程頂層設計

作為工科院校，工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質量保證制度。2016年6月2日，中國成為國際本科工程學位互認協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會員，這標志著在我國已正式拉開具有國際實質等效的工程教育專業(yè)認證的帷幕。工程教育專業(yè)認證遵循三個基本理念：成果導向、以學生為中心和持續(xù)改進。這些理念在美國、英國、加拿大等已成為教育改革的主流理念，說明用成果導向教育理念引導我國工程教育改革是合理且可行的。因此，在《納米材料》的教學改革中，我們倡導遵循成果導向教育（Outcome based education，OBE），即學生通過教育過程后所取得的學習成果（Learningoutcomes）來開展教學設計和教學實施。[3]

OBE理念促進我們在教學改革中思考如下4個問題：學生需要取得怎樣的學習成果？為什么要取得這樣的成果？作為教師如何引領學生取得這些學習成果？如何得知或者評價學生取得的學習成果？對這些問題的剖析則促進我們對課程有了宏觀的頂層設計。第一，高校人才培養(yǎng)需要服務于國家重大戰(zhàn)略需求，具備專業(yè)知識是基礎，而同時具有創(chuàng)新思維、學術品位、工程素養(yǎng)和責任使命感是新一代國家棟梁人才必須具備的優(yōu)秀素質。第二，我們的學生處于剛剛結束通識教育和專業(yè)基礎教育的階段，有一定的知識儲備和理解力，但離上面的優(yōu)秀素質還有很大距離。因此，在專業(yè)核心課的教學中教師需要為學生樹立正確的科學觀，通過實際的科學研究和工程應用實際案例教授學生科學方法論。第三，重中之重，在專業(yè)教育過程中還需要通過課程思政理念落實立德樹人的根本任務，培養(yǎng)對國家、對社會有貢獻且甘于奉獻的有為青年。

3 線下一流本科課程建設實施

3.1 優(yōu)化教學內容和教學結構

本課程的教學內容和教學結構經(jīng)過幾年的調整修正，目前由基礎理論與方法、典型的納米材料、前沿交叉進展三個部分構成。基礎理論與方法部分內容為整個課程的核心，貫穿始終，包括緒論、納米材料基本效應、納米材料合成方法和納米材料的測試與表征四個章節(jié)。典型的納米材料則按照維度的分類角度分別圍繞一維納米材料（量子點和富勒烯）、二維納米材料（石墨烯等）和三維納米材料（金屬有機骨架結構）三個章節(jié)展開，其中有大量的科學研究成果和工程技術領域的實際案例，訓練學生能夠根據(jù)功能需求提出材料設計的解決方案。前沿交叉進展部分則由手型納米材料、納米生物材料、納米電催化材料和分子電子學等章節(jié)組成，并仍隨著學科發(fā)展更新或者更換章節(jié)，鼓勵學生由點及面洞悉領域前沿進展，并圍繞感興趣課題自由探究、研討，培養(yǎng)學生獨立思考和批判性思維。

3.2 建立多元化的教學資源庫

以課程教學內容的知識點為依據(jù)，我們將運用現(xiàn)代信息技術制作的各種電子素材資料整合成多元化的教學資源庫。教學資源[4]是指經(jīng)過數(shù)字化處理,可以在多媒體計算機或網(wǎng)絡環(huán)境下運行的多媒體信息材料。如以類別劃分,多元化教學資源可分為慕課、教學幻燈片、教學多媒體、文獻庫等，其中教學多媒體由圖片、視頻或者動畫等組成，文獻庫由電子版教材與參考書和課程相關的中外文獻組成。教學資源庫的內容逐年更新，以滿足納米材料領域高速發(fā)展的前沿性。一方面在課上能夠豐富學生的學習體驗，比如生動形象的影像資料能夠幫助學生理解復雜的物理化學原理，儀器操作虛擬仿真視頻能夠彌補課程無法安排實驗部分的缺憾；另一方面，這些數(shù)字化資源也為學生提供了查缺補漏、反復觀看的可能性，提高學生學習的效率；而對于學有余力的學生，課外的拓展資料則幫助學生開闊眼界，提供了深入學習的機會和平臺。

3.3 基于學情分析創(chuàng)新“四階”學習方式

學情分析[5]，顧名思義就是對學生學習情況的剖析理解，是開展教學設計的出發(fā)點和重要前提。在多年教學實施過程中，我們從認識水平、相關能力、學習需求三個方面總結了學生的特點。認識水平方面，選課學生處在大三年級，已經(jīng)結束公共基礎課和專業(yè)基礎課的學習，有一定的知識儲備和理解力，但前面的學習中涉及的應用案例非常少，交叉學科知識薄弱。相關能力方面，學生對于一個新的領域無法快速準確地收集相關信息，并缺乏與理論知識聯(lián)系起來解決問題的能力。學習需求方面，學生們反映希望通過本課程了解主流的納米材料，為研究生選擇導師和科研方向打下基礎；了解科學發(fā)展的歷史和著名科學家的科研經(jīng)歷，建立正確的科學方法論；能夠通過信息技術掌握文獻調研的初步方法，為接下來開展畢業(yè)設計做好準備；如何著眼于科學問題開展科學研究等。

依據(jù)學情分析，我們在已建立的多元化資料庫中選取適合的案例融入課堂教學，并通過精心設計“3+1四階”學習模式有效針對學生的特點和需求開展訓練?！?+1”指的是三次作業(yè)和一次結課報告。第一次作業(yè)是在緒論一章之后布置，利用Web of Science圍繞感興趣的納米材料關鍵詞調查研究領域的基本情況，學生需要找出領域的發(fā)展（研究論文）趨勢數(shù)據(jù)、權威綜述、重點課題組或科學家等指標做成文字報告。第二次作業(yè)是在納米材料的測試與表征章節(jié)之后布置，學生需要選取某種表征方法并用自己的語言陳述數(shù)據(jù)的分析過程。前兩次作業(yè)均為獨立完成。第三次作業(yè)則在課程第二部分“典型的納米材料”之后布置，形式可以選擇自己獨立完成或者小組合作完成，學生需要圍繞某領域內感興趣的科學問題做5分鐘的視頻報告。最后的結課論文，要求學生選擇高水平期刊（Nature、Science及其子刊）上的1篇論文進行剖析，陳述其解決的重要科學問題、解決方法、論證過程，并給出學生本人的評論意見，甚至可以指出論文的不足之處。“四階”訓練難度逐漸提升，學生可以由點及面、由淺入深地了解某一課題的基本情況、研究方法及前沿進展，為后續(xù)畢業(yè)論文打的開展和將來深造提供參考依據(jù)，也培養(yǎng)了學生的學術品位和批判性思維。

3.4 “以學生為中心”構建反饋機制以持續(xù)性改進

建立高效的教學反饋機制，能夠幫助授課教師在教學實施的過程中及時調整講課方式和內容，以幫助學生通過這門課程取得更大的收獲。[6]我們遵循OBE理念中的力求持續(xù)性改進，建立了課中、課下和課后的三重反饋機制。授課過程中，通過借助教學輔助軟件如雨課堂、超星學習通等，以及課堂討論、頭腦風暴中學生的反應，對教學過程進行實時考核，強化教學過程監(jiān)控，嚴格記錄學生的平時成績，并督促教師反思教學方式。課下，我們通過學生作業(yè)的完成情況以及超星學習通中的問題討論區(qū)，可以了解到學生對納米材料領域調研的準確性、學生分析問題的角度與方法；通過結課報告可以考查學生的科學思維和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)對于教學效果的評判。課程結束后，教師會通過問卷調查收集學生對于課程的看法和意見，同時通過班級微信群、座談等方式，建立了往屆畢業(yè)生的跟蹤反饋體制，從而考察課程教學效果對于課程目標的支撐程度。

4 結語

納米材料是一門正處于高速發(fā)展的新興交叉學科，其理論體系目前還尚處于日益完善的過程中，未來也會以非?？斓乃俣雀?。課程的創(chuàng)新性、時效性非常強，對于教師備課的難度挑戰(zhàn)也比較大。我們目前在每年開課前都對各章內容知識進行更新，并持續(xù)增加是資源庫中的案例和視頻。從去年開始，我們也著手收集科學工作“背后的故事”，用科研反哺教學，因為其中蘊藏的科學經(jīng)驗和方法也能同成果本身給學生未來的學習和工作以啟發(fā)，這些親身經(jīng)歷讓學生們了解科學家發(fā)明創(chuàng)造的過程，培養(yǎng)了學生的科學探索精神，和持之以恒的品質。

《納米材料》課程以納米科技和功能材料為基礎，積極響應國家全面建設一流課程的號召，通過優(yōu)化課程結構設計、豐富教學資源、創(chuàng)新教學方式和完善反饋機制四個方面的改革，打破了傳統(tǒng)線下課堂的固有模式，探索出了《納米材料》線下一流課程的特色化建設路徑，以期為其他新工科線下一流課程的建設提供了實踐參考。