陳玥光　汪樂(lè)余

［摘 要］隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，高校教育需要緊跟科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)格局變化，推進(jìn)拔尖人才培養(yǎng)，與之相配套的教育方法和教學(xué)課程也面臨新挑戰(zhàn)。文章將學(xué)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(xué)，從學(xué)科交叉班的課程建設(shè)、教學(xué)方法、思政教育和科研訓(xùn)練等多個(gè)角度，探討教學(xué)實(shí)踐的新舉措，著重培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，為高?；瘜W(xué)教學(xué)改革提供參考。

［關(guān)鍵詞］學(xué)科交叉；人才培養(yǎng)；多元化教學(xué)；納米科技

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）16-0084-04

“學(xué)科交叉”對(duì)應(yīng)的英文為“Interdisciplinary”，也稱(chēng)為“跨學(xué)科”，這一概念最早在20世紀(jì)20年代由美國(guó)社會(huì)科學(xué)研究理事會(huì)提出，1937年被《新編韋氏大詞典》等首次收錄，直至20世紀(jì)50年代被學(xué)者普遍認(rèn)可并廣泛使用[1]。學(xué)科交叉通過(guò)不同學(xué)科知識(shí)的滲透、互補(bǔ)和融合，培養(yǎng)和發(fā)展新興學(xué)科，形成特色優(yōu)勢(shì)及研究亮點(diǎn)，對(duì)科學(xué)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步都起到了積極的促進(jìn)作用。

面對(duì)新一輪科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)格局的變化，生活工作中出現(xiàn)的真實(shí)問(wèn)題更加復(fù)雜，需要擁有多學(xué)科背景知識(shí)的人才創(chuàng)造性地解決問(wèn)題。高校教育也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，傳統(tǒng)的教育模式已經(jīng)不能充分滿足社會(huì)需求。當(dāng)前，多學(xué)科交叉作為一種新興的教育方法，目標(biāo)是培養(yǎng)具有多元知識(shí)體系、跨界能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的復(fù)合型人才，推進(jìn)人才培養(yǎng)改革和創(chuàng)新。學(xué)科交叉科研教學(xué)平臺(tái)建設(shè)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(xué)科交叉人才培養(yǎng)模式的實(shí)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(xué)體系中，學(xué)科交叉融合的理念可以體現(xiàn)在多方面：一是教學(xué)科目或教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合，二是具有不同學(xué)科知識(shí)背景的專(zhuān)業(yè)人士一起開(kāi)展學(xué)習(xí)工作活動(dòng)或者協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)多個(gè)學(xué)科知識(shí)、方法、研究活動(dòng)的融合。以《國(guó)家中長(zhǎng)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(xué)從2013年開(kāi)始實(shí)施“學(xué)科交叉人才培養(yǎng)計(jì)劃”（見(jiàn)圖1），統(tǒng)籌考慮、頂層設(shè)計(jì)，逐步構(gòu)建了符合學(xué)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(jì)劃主要以本科生學(xué)科交叉班為載體，以全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高水平科研師資隊(duì)伍（院士、杰青等）為引領(lǐng)，搭建拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺(tái)。

納米科技前沿與方法論是北京化工大學(xué)面向?qū)W科交叉班本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)公共研討課程，由化學(xué)學(xué)院汪樂(lè)余教授“納米生物醫(yī)藥與能源”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，主要著眼于納米材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)與生物醫(yī)藥、能源催化等前沿技術(shù)，旨在通過(guò)讓學(xué)生接觸當(dāng)前納米科學(xué)領(lǐng)域的研究前沿與發(fā)展動(dòng)態(tài)，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研實(shí)踐訓(xùn)練，拓寬學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，為學(xué)生選擇和確立研究方向、開(kāi)展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)及后續(xù)學(xué)習(xí)深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本課程具有師生構(gòu)成多學(xué)科化、教學(xué)模式多元化的特色，以化學(xué)學(xué)科為主體，探索多學(xué)科交叉的拔尖人才培養(yǎng)方法，立足納米化學(xué)，培養(yǎng)大類(lèi)通才，在本科教學(xué)中推進(jìn)學(xué)科交叉能力培養(yǎng)。

（一）培養(yǎng)對(duì)象及指導(dǎo)小組

納米科技前沿與方法論課程采用跨專(zhuān)業(yè)選課的模式，覆蓋化學(xué)工程學(xué)院、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、材料科學(xué)與工程學(xué)院、化學(xué)學(xué)院等，秋季學(xué)期報(bào)名。本課程為小班式教學(xué)，人數(shù)限定在10～15人。學(xué)生組成為來(lái)自至少3個(gè)不同學(xué)院且不同專(zhuān)業(yè)的大二、大三本科生。學(xué)生已掌握了相關(guān)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，具備開(kāi)展科研訓(xùn)練和素質(zhì)拓展的必要條件。授課教師指導(dǎo)小組共6人（教授3人、副教授3人），研究領(lǐng)域涉及3個(gè)不同方向，其中國(guó)家杰青1人、優(yōu)青1人，國(guó)家精品課程和國(guó)家級(jí)一流本科課程授課教師1人，具有豐富的科學(xué)研究和本科生教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，形成了穩(wěn)定的合作指導(dǎo)模式。團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室依托化工資源，有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等良好的科研支撐平臺(tái)。

（二）教學(xué)目標(biāo)

本課程在無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)、生物化學(xué)及固體物理理論等基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)納米材料發(fā)展歷史、合成方法學(xué)、生物醫(yī)藥應(yīng)用、催化科學(xué)、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域的研究方法論和應(yīng)用的講授，讓學(xué)生近距離接觸前沿科學(xué)問(wèn)題與科學(xué)研究的模式及特點(diǎn)，培養(yǎng)從事基礎(chǔ)科學(xué)研究的興趣與熱情。通過(guò)文獻(xiàn)研討、實(shí)驗(yàn)科研訓(xùn)練和學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，促使學(xué)生提高獨(dú)立思考、勇于鉆研的科學(xué)素養(yǎng)，鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力，為未來(lái)從事特色、深入的科研工作打下良好基礎(chǔ)。課程目標(biāo)與畢業(yè)要求見(jiàn)表1。

（三）教學(xué)環(huán)節(jié)

構(gòu)建合理有效的教學(xué)體系是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)?；瘜W(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，特點(diǎn)是探索性和應(yīng)用性強(qiáng)。本課程設(shè)置了多元化教學(xué)環(huán)節(jié)，由課程研討、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、科研訓(xùn)練、學(xué)術(shù)交流4個(gè)模塊構(gòu)成（見(jiàn)表2），強(qiáng)化了以科研為導(dǎo)向的拔尖學(xué)生培養(yǎng)，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)建設(shè)和科研團(tuán)隊(duì)專(zhuān)業(yè)特色，適應(yīng)納米科學(xué)前沿領(lǐng)域的新形勢(shì)新變化。

（四）教學(xué)內(nèi)容和方法

1.研討課

科研團(tuán)隊(duì)為學(xué)生開(kāi)設(shè)研討課，內(nèi)容面向科研實(shí)際課題和學(xué)科前沿，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。教學(xué)知識(shí)體系上，不僅涵蓋納米科學(xué)發(fā)展歷程和基礎(chǔ)知識(shí)，而且包含納米科學(xué)研究前沿技術(shù)和熱點(diǎn)問(wèn)題，以科研促進(jìn)教學(xué)。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(guó)化學(xué)會(huì)化學(xué)工程新聞評(píng)選出的2016年度化學(xué)化工領(lǐng)域“十大科研成果”中的“單原子催化”的概念，以及“團(tuán)簇”“亞納米”等最新概念，涉及新興納米材料研究相關(guān)知識(shí)。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(guān)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(guó)家大科學(xué)裝置同步輻射光譜技術(shù)的應(yīng)用案例，“貫穿古今，融匯應(yīng)用”，多角度、全方位地讓學(xué)生領(lǐng)略納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程，從了解“是什么”，上升到學(xué)會(huì)“怎么用”，最后思考“怎么辦”，以解決問(wèn)題和實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)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(xué)模式，鍛煉學(xué)生在研究中學(xué)習(xí)、在學(xué)習(xí)中研究的能力。課堂內(nèi)討論匯報(bào)、小組互動(dòng)，課堂外輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研訓(xùn)練、學(xué)術(shù)交流，將理論講解與實(shí)踐體驗(yàn)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(xué)形式。課堂教學(xué)中注意更多地采用案例、課題項(xiàng)目等形式，加強(qiáng)師生互動(dòng)。第一，通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法，以學(xué)生為主體，激發(fā)學(xué)生興趣和積極性，提升學(xué)生參與度。第二，利用線上資源優(yōu)勢(shì)，借助動(dòng)畫(huà)、視頻等素材，刺激學(xué)生感官，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受程度。第三，考慮二、三年級(jí)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，從生活中的納米材料應(yīng)用技術(shù)案例出發(fā)，深入淺出，提升學(xué)習(xí)效果。例如納米材料導(dǎo)論教學(xué)中，借助荷葉表面疏水、露珠滾動(dòng)的案例，啟迪學(xué)生思考，繼而通過(guò)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(lì)學(xué)生主動(dòng)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(shí)驗(yàn)課

面向?qū)W科交叉班開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，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(shí)需要兼顧跨校區(qū)實(shí)驗(yàn)的課時(shí)時(shí)長(zhǎng)。因此，基于科研團(tuán)隊(duì)的研究技術(shù)及科研成果，構(gòu)建可重復(fù)性強(qiáng)、趣味性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)的代表性課程實(shí)驗(yàn)。

【案例一】“納米金顆粒的制備及透射電子顯微鏡表征”實(shí)驗(yàn)。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(guò)程具有所需設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。過(guò)量的檸檬酸鈉通過(guò)配位作用吸附于金表面，使金納米顆粒表面通過(guò)靜電排斥作用而穩(wěn)定分散。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)觀察反應(yīng)液的顏色變化，判斷納米溶膠的生成。后續(xù)借助離心機(jī)洗滌和分離，獲得納米晶分散液。學(xué)生通過(guò)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(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，進(jìn)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(shí)驗(yàn)。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(yīng)用于太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、光電檢測(cè)器等領(lǐng)域。CsPbX3（X=Cl， Br， I）鈣鈦礦納米晶具有量子限域效應(yīng)，可通過(guò)控制尺寸、形貌和組成來(lái)調(diào)節(jié)光學(xué)性質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)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(yīng)體系，在氮?dú)猸h(huán)境下，通過(guò)熱注射法一步合成鈣鈦礦納米晶。通過(guò)改變鹵素離子的種類(lèi)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(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生觀察到光學(xué)納米材料的不同顏色和性狀，觀賞性、趣味性強(qiáng)。學(xué)生通過(guò)測(cè)定鈣鈦礦納米晶的熒光發(fā)射光譜和紫外可見(jiàn)吸收光譜，初步了解無(wú)機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)。

（五）教學(xué)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(xué)科交叉人才培養(yǎng)始終將立德樹(shù)人放在首位，將教學(xué)內(nèi)容和思政內(nèi)容有機(jī)結(jié)合[4]。納米科技推動(dòng)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(guò)案例介紹、互動(dòng)討論等方式，讓抽象的概念現(xiàn)實(shí)化，增強(qiáng)教學(xué)親和力。通過(guò)講授近年我國(guó)科研工作者在納米科技領(lǐng)域的原創(chuàng)性、顛覆性突破[5]，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神，有助于學(xué)生樹(shù)立科技自信、正確的價(jià)值觀以及銳意進(jìn)取的意識(shí)。例如，講解燃料電池、光刻膠等我國(guó)在戰(zhàn)略能源和芯片制造方面的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)納米能源化學(xué)、材料化學(xué)的專(zhuān)業(yè)認(rèn)同感，使學(xué)生樹(shù)立科技報(bào)國(guó)的理念，讓學(xué)生理解中國(guó)特色的原創(chuàng)性突破為科技創(chuàng)新提供源頭活水，我國(guó)科技發(fā)展要自立自強(qiáng)，面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康[6]。通過(guò)精心設(shè)計(jì)思政元素，以“潤(rùn)物無(wú)聲”的方式實(shí)現(xiàn)育人目標(biāo)。

（六）科研訓(xùn)練

指導(dǎo)教師通過(guò)組會(huì)、項(xiàng)目研討等為學(xué)生提供形式多樣的科研訓(xùn)練活動(dòng)，借助科研平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)多學(xué)科交叉融合。例如，教師引導(dǎo)學(xué)生組建多個(gè)研究小組，指導(dǎo)學(xué)生選擇適宜的科研項(xiàng)目，承擔(dān)學(xué)科競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練等綜合性項(xiàng)目，或參與團(tuán)隊(duì)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目研究；鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)總結(jié)，形成科技報(bào)告、發(fā)明專(zhuān)利或?qū)W術(shù)論文等成果?？蒲杏?xùn)練環(huán)節(jié)以課題研究貫穿始終，全面提高學(xué)生的動(dòng)手能力，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和實(shí)踐動(dòng)手能力，逐步提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和科學(xué)研究水平。

（七）學(xué)術(shù)交流

指導(dǎo)教師組織學(xué)生分批參與生化分析、能源催化、光電器件等領(lǐng)域各類(lèi)線上講座活動(dòng)，根據(jù)主題每個(gè)活動(dòng)5～8人次參與。此外，指導(dǎo)教師為學(xué)生提供參與學(xué)術(shù)交流和學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。例如，指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)在2021年組織學(xué)科交叉班學(xué)生參加第十九屆北京分析測(cè)試學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)暨展覽會(huì)（BCEIA），本屆會(huì)議主題涵蓋檢測(cè)與診斷、組學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型、疫苗研制等諸多方向，院士、杰青等知名學(xué)者出席并做相關(guān)主題報(bào)告，拓寬學(xué)生的視野，幫助學(xué)生了解學(xué)科前沿領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)。

二、學(xué)科交叉人才培養(yǎng)模式的收效及建議

多位學(xué)科交叉班本科生陸續(xù)參與北京化工大學(xué)“萌芽杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，大四學(xué)年以優(yōu)異的成績(jī)保送攻讀研究生。指導(dǎo)教師可以把握大二、大三學(xué)生的成長(zhǎng)規(guī)律，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)人興趣挖掘和能力探索，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和探索精神，提高其問(wèn)題解決能力和學(xué)科綜合能力，使其取得更好的成績(jī)；同時(shí)，幫助學(xué)生逐步明確未來(lái)發(fā)展目標(biāo)和定位，做好職業(yè)準(zhǔn)備，以便更好地適應(yīng)職業(yè)發(fā)展中的挑戰(zhàn)。學(xué)科交叉人才培養(yǎng)模式依然存在進(jìn)步空間，包括課程系統(tǒng)整合、教學(xué)內(nèi)容精細(xì)化、課程多元評(píng)價(jià)等方面，需要高校教育者、政策制定者、執(zhí)行指導(dǎo)者的共同努力，進(jìn)一步加強(qiáng)教師培訓(xùn)，細(xì)化課程體系建設(shè)，優(yōu)化政策和評(píng)價(jià)體制，促進(jìn)師生聯(lián)動(dòng)、協(xié)同培養(yǎng)，更好地推進(jìn)學(xué)科交叉人才培養(yǎng)模式在高校教學(xué)和科研中的應(yīng)用[7]。

三、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了學(xué)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(shí)踐。指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)嘗試從課程體系建設(shè)、教學(xué)方法、思政教育、科研訓(xùn)練和學(xué)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(xué)科化，教學(xué)模式多元化，立足納米化學(xué)，培養(yǎng)大類(lèi)通才”的教育模式。多學(xué)科交叉課程建設(shè)，以豐富多彩的課堂理論和課外訓(xùn)練形式助推學(xué)生學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了課程教育對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、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(huì)對(duì)高校復(fù)合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。

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［責(zé)任編輯：周侯辰］