學科交叉人才培養(yǎng)模式下高校多元化教學探索與實踐

陳玥光　汪樂余

［摘 要］隨著社會和科技的發(fā)展，高校教育需要緊跟科學技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)格局變化，推進拔尖人才培養(yǎng)，與之相配套的教育方法和教學課程也面臨新挑戰(zhàn)。文章將學科交叉人才培養(yǎng)模式融入納米科技前沿與方法論課程教學，從學科交叉班的課程建設、教學方法、思政教育和科研訓練等多個角度，探討教學實踐的新舉措，著重培養(yǎng)學生跨學科知識素養(yǎng)、科學素養(yǎng)、實踐能力和綜合素質(zhì)，為高校化學教學改革提供參考。

［關鍵詞］學科交叉；人才培養(yǎng)；多元化教學；納米科技

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）16-0084-04

“學科交叉”對應的英文為“Interdisciplinary”，也稱為“跨學科”，這一概念最早在20世紀20年代由美國社會科學研究理事會提出，1937年被《新編韋氏大詞典》等首次收錄，直至20世紀50年代被學者普遍認可并廣泛使用[1]。學科交叉通過不同學科知識的滲透、互補和融合，培養(yǎng)和發(fā)展新興學科，形成特色優(yōu)勢及研究亮點，對科學發(fā)展和社會進步都起到了積極的促進作用。

面對新一輪科技進步和產(chǎn)業(yè)格局的變化，生活工作中出現(xiàn)的真實問題更加復雜，需要擁有多學科背景知識的人才創(chuàng)造性地解決問題。高校教育也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)和機遇，傳統(tǒng)的教育模式已經(jīng)不能充分滿足社會需求。當前，多學科交叉作為一種新興的教育方法，目標是培養(yǎng)具有多元知識體系、跨界能力、創(chuàng)新能力、實踐能力和綜合素質(zhì)的復合型人才，推進人才培養(yǎng)改革和創(chuàng)新。學科交叉科研教學平臺建設逐步成為高校人才培養(yǎng)的特色模式和重要探索，是拔尖創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要舉措之一。

一、學科交叉人才培養(yǎng)模式的實踐探索——以納米科技前沿與方法論課程為例

在高校教育和教學體系中，學科交叉融合的理念可以體現(xiàn)在多方面：一是教學科目或教學內(nèi)容的有機結(jié)合，二是具有不同學科知識背景的專業(yè)人士一起開展學習工作活動或者協(xié)同合作，實現(xiàn)多個學科知識、方法、研究活動的融合。以《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》精神為指引，北京化工大學從2013年開始實施“學科交叉人才培養(yǎng)計劃”（見圖1），統(tǒng)籌考慮、頂層設計，逐步構(gòu)建了符合學科交叉融合的組織制度體系，延續(xù)至今，并且不斷完善[2]。該計劃主要以本科生學科交叉班為載體，以全國重點實驗室的高水平科研師資隊伍（院士、杰青等）為引領，搭建拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺。

納米科技前沿與方法論是北京化工大學面向?qū)W科交叉班本科生開設的一門公共研討課程，由化學學院汪樂余教授“納米生物醫(yī)藥與能源”團隊負責，主要著眼于納米材料領域的基礎科學與生物醫(yī)藥、能源催化等前沿技術(shù)，旨在通過讓學生接觸當前納米科學領域的研究前沿與發(fā)展動態(tài)，結(jié)合相關實驗教學、科研實踐訓練，拓寬學生的學術(shù)視野，為學生選擇和確立研究方向、開展大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目、本科畢業(yè)設計及后續(xù)學習深造打下堅實的基礎。本課程具有師生構(gòu)成多學科化、教學模式多元化的特色，以化學學科為主體，探索多學科交叉的拔尖人才培養(yǎng)方法，立足納米化學，培養(yǎng)大類通才，在本科教學中推進學科交叉能力培養(yǎng)。

（一）培養(yǎng)對象及指導小組

納米科技前沿與方法論課程采用跨專業(yè)選課的模式，覆蓋化學工程學院、生命科學與技術(shù)學院、材料科學與工程學院、化學學院等，秋季學期報名。本課程為小班式教學，人數(shù)限定在10～15人。學生組成為來自至少3個不同學院且不同專業(yè)的大二、大三本科生。學生已掌握了相關的專業(yè)基礎知識，具備開展科研訓練和素質(zhì)拓展的必要條件。授課教師指導小組共6人（教授3人、副教授3人），研究領域涉及3個不同方向，其中國家杰青1人、優(yōu)青1人，國家精品課程和國家級一流本科課程授課教師1人，具有豐富的科學研究和本科生教學經(jīng)驗，形成了穩(wěn)定的合作指導模式。團隊實驗室依托化工資源，有效利用國家重點實驗室等良好的科研支撐平臺。

（二）教學目標

本課程在無機化學、物理化學、分析化學、生物化學及固體物理理論等基礎課程的基礎上，通過對納米材料發(fā)展歷史、合成方法學、生物醫(yī)藥應用、催化科學、太陽能電池等領域的研究方法論和應用的講授，讓學生近距離接觸前沿科學問題與科學研究的模式及特點，培養(yǎng)從事基礎科學研究的興趣與熱情。通過文獻研討、實驗科研訓練和學術(shù)交流活動，促使學生提高獨立思考、勇于鉆研的科學素養(yǎng)，鍛煉實踐動手能力，為未來從事特色、深入的科研工作打下良好基礎。課程目標與畢業(yè)要求見表1。

（三）教學環(huán)節(jié)

構(gòu)建合理有效的教學體系是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)?；瘜W是一門以實驗為基礎的自然科學，特點是探索性和應用性強。本課程設置了多元化教學環(huán)節(jié)，由課程研討、實驗學習、科研訓練、學術(shù)交流4個模塊構(gòu)成（見表2），強化了以科研為導向的拔尖學生培養(yǎng)，加強實踐教學建設和科研團隊專業(yè)特色，適應納米科學前沿領域的新形勢新變化。

（四）教學內(nèi)容和方法

1.研討課

科研團隊為學生開設研討課，內(nèi)容面向科研實際課題和學科前沿，鍛煉學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。教學知識體系上，不僅涵蓋納米科學發(fā)展歷程和基礎知識，而且包含納米科學研究前沿技術(shù)和熱點問題，以科研促進教學。例如，除了介紹傳統(tǒng)微觀尺度下納米材料的定義，引入美國化學會化學工程新聞評選出的2016年度化學化工領域“十大科研成果”中的“單原子催化”的概念，以及“團簇”“亞納米”等最新概念，涉及新興納米材料研究相關知識。又如，“納米材料表征技術(shù)與原理”研討中，教師不僅介紹納米材料常規(guī)表征儀器，講解透射電子顯微鏡、X射線單晶衍射儀等相關的發(fā)明內(nèi)容、儀器基本原理、制樣方法、數(shù)據(jù)特征，而且拓展到如今的球差校正電鏡、原位/超快紅外光譜、國家大科學裝置同步輻射光譜技術(shù)的應用案例，“貫穿古今，融匯應用”，多角度、全方位地讓學生領略納米科學技術(shù)的發(fā)展歷程，從了解“是什么”，上升到學會“怎么用”，最后思考“怎么辦”，以解決問題和實際應用為導向。

教師打破傳統(tǒng)的單向灌輸式授課形式，因材施教，建立以研討式、研究性為主的教學模式，鍛煉學生在研究中學習、在學習中研究的能力。課堂內(nèi)討論匯報、小組互動，課堂外輔助實驗教學、科研訓練、學術(shù)交流，將理論講解與實踐體驗相結(jié)合，將內(nèi)部探索與外部探索相結(jié)合，立體化地豐富教學形式。課堂教學中注意更多地采用案例、課題項目等形式，加強師生互動。第一，通過翻轉(zhuǎn)課堂教學方法，以學生為主體，激發(fā)學生興趣和積極性，提升學生參與度。第二，利用線上資源優(yōu)勢，借助動畫、視頻等素材，刺激學生感官，提高學生對知識的接受程度。第三，考慮二、三年級學生的知識儲備，從生活中的納米材料應用技術(shù)案例出發(fā)，深入淺出，提升學習效果。例如納米材料導論教學中，借助荷葉表面疏水、露珠滾動的案例，啟迪學生思考，繼而通過荷葉表面微觀納米結(jié)構(gòu)圖片剖析，引申出仿生納米材料的研究和發(fā)展。又如，納米藥物及示蹤研討課中，鼓勵學生主動調(diào)研納米藥物示蹤技術(shù)，以及化療藥物引起的副作用，理解靶向藥物遞送的意義。

2.實驗課

面向?qū)W科交叉班開展的實驗教學，包括納米材料制備方法、分離技術(shù)、儀器操作、數(shù)據(jù)處理與分析等內(nèi)容，同時需要兼顧跨校區(qū)實驗的課時時長。因此，基于科研團隊的研究技術(shù)及科研成果，構(gòu)建可重復性強、趣味性強、綜合性強的代表性課程實驗。

【案例一】“納米金顆粒的制備及透射電子顯微鏡表征”實驗。氯金酸還原法是制備水相金納米顆粒最經(jīng)典的方法之一，常用的還原劑有檸檬酸鈉、硼氫化鈉、抗壞血酸、單寧酸等。其中，檸檬酸鈉作為還原劑和穩(wěn)定劑，在酸性溶液和加熱條件下緩慢地將氯金酸還原，這一過程具有所需設備簡單、操作簡便等優(yōu)點。過量的檸檬酸鈉通過配位作用吸附于金表面，使金納米顆粒表面通過靜電排斥作用而穩(wěn)定分散。實驗中，通過觀察反應液的顏色變化，判斷納米溶膠的生成。后續(xù)借助離心機洗滌和分離，獲得納米晶分散液。學生通過透射電子顯微鏡觀察金納米晶顆粒的形貌、尺寸和結(jié)構(gòu)，進一步優(yōu)化實驗技術(shù)，進行結(jié)果討論。

【案例二】“鈣鈦礦發(fā)光納米晶的制備及性能表征”實驗。CsPbX3（X=Cl， Br， I）鈣鈦礦納米晶作為一種新興的光電材料，具有高熒光量子產(chǎn)率、窄半峰寬等性質(zhì)，可應用于太陽能電池、發(fā)光二極管、光電檢測器等領域。CsPbX3（X=Cl， Br， I）鈣鈦礦納米晶具有量子限域效應，可通過控制尺寸、形貌和組成來調(diào)節(jié)光學性質(zhì)。本實驗通過優(yōu)化已有的科研成果，選取油胺和油酸作為納米顆粒的表面配體、十八烯作為反應體系，在氮氣環(huán)境下，通過熱注射法一步合成鈣鈦礦納米晶。通過改變鹵素離子的種類和比例，調(diào)控制備得到具有不同發(fā)射峰的熒光納米材料。本實驗可讓學生觀察到光學納米材料的不同顏色和性狀，觀賞性、趣味性強。學生通過測定鈣鈦礦納米晶的熒光發(fā)射光譜和紫外可見吸收光譜，初步了解無機鈣鈦礦量子點的光學性質(zhì)。

（五）教學理念和課程思政

科技是第一生產(chǎn)力，人才是第一資源，而教育是培養(yǎng)人才的第一環(huán)節(jié)[3]。學科交叉人才培養(yǎng)始終將立德樹人放在首位，將教學內(nèi)容和思政內(nèi)容有機結(jié)合[4]。納米科技推動了清潔能源、疫苗藥物、環(huán)境污染防治的發(fā)展，讓人民群眾享受到創(chuàng)新成果和生活便利，為新產(chǎn)業(yè)和新業(yè)態(tài)增添了活力。通過案例介紹、互動討論等方式，讓抽象的概念現(xiàn)實化，增強教學親和力。通過講授近年我國科研工作者在納米科技領域的原創(chuàng)性、顛覆性突破[5]，培養(yǎng)學生團結(jié)協(xié)作的精神，有助于學生樹立科技自信、正確的價值觀以及銳意進取的意識。例如，講解燃料電池、光刻膠等我國在戰(zhàn)略能源和芯片制造方面的“卡脖子”關鍵技術(shù)，增強學生對納米能源化學、材料化學的專業(yè)認同感，使學生樹立科技報國的理念，讓學生理解中國特色的原創(chuàng)性突破為科技創(chuàng)新提供源頭活水，我國科技發(fā)展要自立自強，面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康[6]。通過精心設計思政元素，以“潤物無聲”的方式實現(xiàn)育人目標。

（六）科研訓練

指導教師通過組會、項目研討等為學生提供形式多樣的科研訓練活動，借助科研平臺優(yōu)勢，促進多學科交叉融合。例如，教師引導學生組建多個研究小組，指導學生選擇適宜的科研項目，承擔學科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練等綜合性項目，或參與團隊的國家自然科學基金項目研究；鼓勵學生進行學習總結(jié)，形成科技報告、發(fā)明專利或?qū)W術(shù)論文等成果?？蒲杏柧毉h(huán)節(jié)以課題研究貫穿始終，全面提高學生的動手能力，重點培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維和實踐動手能力，逐步提高學生的團隊合作精神和科學研究水平。

（七）學術(shù)交流

指導教師組織學生分批參與生化分析、能源催化、光電器件等領域各類線上講座活動，根據(jù)主題每個活動5～8人次參與。此外，指導教師為學生提供參與學術(shù)交流和學習的機會。例如，指導團隊在2021年組織學科交叉班學生參加第十九屆北京分析測試學術(shù)報告會暨展覽會（BCEIA），本屆會議主題涵蓋檢測與診斷、組學研究、實驗動物模型、疫苗研制等諸多方向，院士、杰青等知名學者出席并做相關主題報告，拓寬學生的視野，幫助學生了解學科前沿領域和發(fā)展趨勢。

二、學科交叉人才培養(yǎng)模式的收效及建議

多位學科交叉班本科生陸續(xù)參與北京化工大學“萌芽杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”競賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，大四學年以優(yōu)異的成績保送攻讀研究生。指導教師可以把握大二、大三學生的成長規(guī)律，鼓勵學生進行個人興趣挖掘和能力探索，培養(yǎng)學生科學思維和探索精神，提高其問題解決能力和學科綜合能力，使其取得更好的成績；同時，幫助學生逐步明確未來發(fā)展目標和定位，做好職業(yè)準備，以便更好地適應職業(yè)發(fā)展中的挑戰(zhàn)。學科交叉人才培養(yǎng)模式依然存在進步空間，包括課程系統(tǒng)整合、教學內(nèi)容精細化、課程多元評價等方面，需要高校教育者、政策制定者、執(zhí)行指導者的共同努力，進一步加強教師培訓，細化課程體系建設，優(yōu)化政策和評價體制，促進師生聯(lián)動、協(xié)同培養(yǎng)，更好地推進學科交叉人才培養(yǎng)模式在高校教學和科研中的應用[7]。

三、結(jié)語

本文介紹了學科交叉人才培養(yǎng)模式下，納米科技前沿與方法論課程培養(yǎng)拔尖人才的探索與實踐。指導團隊嘗試從課程體系建設、教學方法、思政教育、科研訓練和學術(shù)交流等方面，踐行“三全育人”教育理念，構(gòu)建了一套“師生構(gòu)成多學科化，教學模式多元化，立足納米化學，培養(yǎng)大類通才”的教育模式。多學科交叉課程建設，以豐富多彩的課堂理論和課外訓練形式助推學生學習，實現(xiàn)了課程教育對基礎知識、前瞻思維和職業(yè)素養(yǎng)的支撐，能夠更好地滿足現(xiàn)代社會對高校復合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 劉仲林.現(xiàn)代交叉科學[M].杭州：浙江教育出版社， 1998：57.

[2] 孫亮， 張亞潔， 蘇海佳.基于協(xié)同創(chuàng)新理論的本科學科交叉人才培養(yǎng)探索與實踐[J].北京教育（高教）， 2021（11）： 82-83.

[3] 周洪宇.加快建設教育強國、科技強國、人才強國[J].紅旗文稿， 2023（5）：24-28.

[4] 高德毅，宗愛東.從思政課程到課程思政：從戰(zhàn)略高度構(gòu)建高校思想政治教育課程體系[J].中國高等教育，2017（1）： 43-46.

[5] 趙永新. 解讀2022年度中國科學十大進展[N]. 人民日報， 2023-03-20（10）.

[6] 龍騰.面向國家重大需求? 加快提升高水平研究型大學科技創(chuàng)新能力[J].中國高等教育， 2022（23）： 13-15.

[7] 蘇海佳，張婷，譚天偉. 未來化工行業(yè)領軍人才培養(yǎng)改革的思考[J].中國大學教學， 2021（11）： 14-18.

［責任編輯：周侯辰］