纳米材料线下一流本科课程建设研究与实践

王 琳，于雪莲

（中国地质大学（北京）材料科学与工程学院，北京 100083）

聚焦“双碳”“中国制造2025”等国家重大战略需求，培养兼具过硬专业知识和创新精神的复合型人才是现代高等工科学校人才培养的责任和使命。学生在校期间大部分时间都在接受通识教育和专业教育，尤其是专业教育的课程体系贯穿大学生涯的始终，因此高校应注重把培养创新人才融入学科专业教育的全过程。其中，专业核心课是专业教育中的重要一环，此时学生具有一定的专业基础和理解力，正处于创新能力培养的启蒙阶段，能否给予正确的引导对于学生科学思维和工程素养的培养至关重要。其中，涉及新兴学科并聚焦领域前沿发展的专业课程，其结构框架和内容相对灵活，但往往导致课程教学内容缺少顶层设计，学生评价不高、甚至被认为是“水课”。2019年，教育部提出的《关于一流本科课程建设的实施意见》中明确指出，课程质量直接决定人才培养质量，一流本科课程“双万计划”将全面覆盖所有类型的高校、所有类型的课程，以求整体提升我国本科教育的质量。[1]

自《意见》提出后，中国地质大学（北京）迅速做出积极响应，在全校范围内开展了关于一流本科课程的大讨论，全体教师、全部课程都踊跃投入到建设一流本科课程的努力中。即便目前互联网信息技术的发展为教育教学提供了有力的线上平台，但线下教育在本科教学中仍然占据主力地位，因此教育改革中建设线下一流课程势在必行。《纳米材料》是我校材料学院材料物理专业的一门重要专业核心课程，于2021年获批建设中国地质大学（北京）一流本科课程。因此，本文以该课程的改革为例，对线下一流本科课程建设中出现的问题进行了剖析，并对提出的相应举措进行了探究与实践。

1 课程基本情况及课堂教学中存在的问题

纳米材料为当今纳米科学与技术高速发展促生的新兴交叉学科，与我院材料物理专业特色研究方向“光电功能纳米材料”相匹配。《纳米材料》课程涉及物理、化学、材料、半导体等多学科的基础理论，并与后续的新能源材料、功能材料导论以及学生创新培养（生产实习、大学生创新创业实践、毕业设计）等密切相关，在专业课程学习中起到了承上启下的重要作用。课程系统地介绍纳米材料的基本效应和基础理论、纳米微粒的物理化学特性、纳米材料的研究分析方法、各类纳米材料特性与功能应用。通过本课程的学习，培养学生应用纳米材料基本理论分析并解决实际问题的能力，能够根据功能需求提出材料设计的解决方案，为材料物理专业本科生将来从事纳米材料生产、检测与应用开发提供必要的理论基础。

《纳米材料》课程为32学时、2学分，自2019年首次开设，年均选课人数29人。通过多年来对《纳米材料》课程的教学实践发现，本课程教学中存在以下问题。第一，教学理念、教学模式和教学手段等比较陈旧，仍遵照以教师为中心的“老师讲、学生听”“幻灯片结合板书”的教学模式，教学设计和教学实施未充分考虑学生现状及需求。第二，教学内容一成不变，不符合学科发展中高速更新换代的大局势。第三，理论与实践联系不够紧密，缺少实际应用性案例教学，学生缺乏将理论知识转换为解决问题方案的能力。第四，教学模式不能充分支撑课程目标，比如布置的作业和结课论文缺乏精心设计，或者仅仅按照知识点的重要性安排。第五，教学反馈机制不完善，学生遇到困难或学习状态不佳时教师无法及时收到并做出调整。

针对以上问题，我们认为，创新能力的培养需要创新型教师。教师首先需要更新教学理念，对课程有整体规划和部署。根据此能够合理设计教学内容和教学结构，并结合目前多元化的互联网信息技术构建课程资源库。接着通过涉及教学模式和反馈机制，便可逐步建设一门能够提升学生科学思维和工程素养的一流线下本科课程。[2]

2 教学改革：理念与课程顶层设计

作为工科院校，工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保证制度。2016年6月2日，中国成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员，这标志着在我国已正式拉开具有国际实质等效的工程教育专业认证的帷幕。工程教育专业认证遵循三个基本理念：成果导向、以学生为中心和持续改进。这些理念在美国、英国、加拿大等已成为教育改革的主流理念，说明用成果导向教育理念引导我国工程教育改革是合理且可行的。因此，在《纳米材料》的教学改革中，我们倡导遵循成果导向教育（Outcome based education，OBE），即学生通过教育过程后所取得的学习成果（Learningoutcomes）来开展教学设计和教学实施。[3]

OBE理念促进我们在教学改革中思考如下4个问题：学生需要取得怎样的学习成果？为什么要取得这样的成果？作为教师如何引领学生取得这些学习成果？如何得知或者评价学生取得的学习成果？对这些问题的剖析则促进我们对课程有了宏观的顶层设计。第一，高校人才培养需要服务于国家重大战略需求，具备专业知识是基础，而同时具有创新思维、学术品位、工程素养和责任使命感是新一代国家栋梁人才必须具备的优秀素质。第二，我们的学生处于刚刚结束通识教育和专业基础教育的阶段，有一定的知识储备和理解力，但离上面的优秀素质还有很大距离。因此，在专业核心课的教学中教师需要为学生树立正确的科学观，通过实际的科学研究和工程应用实际案例教授学生科学方法论。第三，重中之重，在专业教育过程中还需要通过课程思政理念落实立德树人的根本任务，培养对国家、对社会有贡献且甘于奉献的有为青年。

3 线下一流本科课程建设实施

3.1 优化教学内容和教学结构

本课程的教学内容和教学结构经过几年的调整修正，目前由基础理论与方法、典型的纳米材料、前沿交叉进展三个部分构成。基础理论与方法部分内容为整个课程的核心，贯穿始终，包括绪论、纳米材料基本效应、纳米材料合成方法和纳米材料的测试与表征四个章节。典型的纳米材料则按照维度的分类角度分别围绕一维纳米材料（量子点和富勒烯）、二维纳米材料（石墨烯等）和三维纳米材料（金属有机骨架结构）三个章节展开，其中有大量的科学研究成果和工程技术领域的实际案例，训练学生能够根据功能需求提出材料设计的解决方案。前沿交叉进展部分则由手型纳米材料、纳米生物材料、纳米电催化材料和分子电子学等章节组成，并仍随着学科发展更新或者更换章节，鼓励学生由点及面洞悉领域前沿进展，并围绕感兴趣课题自由探究、研讨，培养学生独立思考和批判性思维。

3.2 建立多元化的教学资源库

以课程教学内容的知识点为依据，我们将运用现代信息技术制作的各种电子素材资料整合成多元化的教学资源库。教学资源[4]是指经过数字化处理,可以在多媒体计算机或网络环境下运行的多媒体信息材料。如以类别划分,多元化教学资源可分为慕课、教学幻灯片、教学多媒体、文献库等，其中教学多媒体由图片、视频或者动画等组成，文献库由电子版教材与参考书和课程相关的中外文献组成。教学资源库的内容逐年更新，以满足纳米材料领域高速发展的前沿性。一方面在课上能够丰富学生的学习体验，比如生动形象的影像资料能够帮助学生理解复杂的物理化学原理，仪器操作虚拟仿真视频能够弥补课程无法安排实验部分的缺憾；另一方面，这些数字化资源也为学生提供了查缺补漏、反复观看的可能性，提高学生学习的效率；而对于学有余力的学生，课外的拓展资料则帮助学生开阔眼界，提供了深入学习的机会和平台。

3.3 基于学情分析创新“四阶”学习方式

学情分析[5]，顾名思义就是对学生学习情况的剖析理解，是开展教学设计的出发点和重要前提。在多年教学实施过程中，我们从认识水平、相关能力、学习需求三个方面总结了学生的特点。认识水平方面，选课学生处在大三年级，已经结束公共基础课和专业基础课的学习，有一定的知识储备和理解力，但前面的学习中涉及的应用案例非常少，交叉学科知识薄弱。相关能力方面，学生对于一个新的领域无法快速准确地收集相关信息，并缺乏与理论知识联系起来解决问题的能力。学习需求方面，学生们反映希望通过本课程了解主流的纳米材料，为研究生选择导师和科研方向打下基础；了解科学发展的历史和著名科学家的科研经历，建立正确的科学方法论；能够通过信息技术掌握文献调研的初步方法，为接下来开展毕业设计做好准备；如何着眼于科学问题开展科学研究等。

依据学情分析，我们在已建立的多元化资料库中选取适合的案例融入课堂教学，并通过精心设计“3+1四阶”学习模式有效针对学生的特点和需求开展训练。“3+1”指的是三次作业和一次结课报告。第一次作业是在绪论一章之后布置，利用Web of Science围绕感兴趣的纳米材料关键词调查研究领域的基本情况，学生需要找出领域的发展（研究论文）趋势数据、权威综述、重点课题组或科学家等指标做成文字报告。第二次作业是在纳米材料的测试与表征章节之后布置，学生需要选取某种表征方法并用自己的语言陈述数据的分析过程。前两次作业均为独立完成。第三次作业则在课程第二部分“典型的纳米材料”之后布置，形式可以选择自己独立完成或者小组合作完成，学生需要围绕某领域内感兴趣的科学问题做5分钟的视频报告。最后的结课论文，要求学生选择高水平期刊（Nature、Science及其子刊）上的1篇论文进行剖析，陈述其解决的重要科学问题、解决方法、论证过程，并给出学生本人的评论意见，甚至可以指出论文的不足之处。“四阶”训练难度逐渐提升，学生可以由点及面、由浅入深地了解某一课题的基本情况、研究方法及前沿进展，为后续毕业论文打的开展和将来深造提供参考依据，也培养了学生的学术品位和批判性思维。

3.4 “以学生为中心”构建反馈机制以持续性改进

建立高效的教学反馈机制，能够帮助授课教师在教学实施的过程中及时调整讲课方式和内容，以帮助学生通过这门课程取得更大的收获。[6]我们遵循OBE理念中的力求持续性改进，建立了课中、课下和课后的三重反馈机制。授课过程中，通过借助教学辅助软件如雨课堂、超星学习通等，以及课堂讨论、头脑风暴中学生的反应，对教学过程进行实时考核，强化教学过程监控，严格记录学生的平时成绩，并督促教师反思教学方式。课下，我们通过学生作业的完成情况以及超星学习通中的问题讨论区，可以了解到学生对纳米材料领域调研的准确性、学生分析问题的角度与方法；通过结课报告可以考查学生的科学思维和创新能力，实现对于教学效果的评判。课程结束后，教师会通过问卷调查收集学生对于课程的看法和意见，同时通过班级微信群、座谈等方式，建立了往届毕业生的跟踪反馈体制，从而考察课程教学效果对于课程目标的支撑程度。

4 结语

纳米材料是一门正处于高速发展的新兴交叉学科，其理论体系目前还尚处于日益完善的过程中，未来也会以非常快的速度更新。课程的创新性、时效性非常强，对于教师备课的难度挑战也比较大。我们目前在每年开课前都对各章内容知识进行更新，并持续增加是资源库中的案例和视频。从去年开始，我们也着手收集科学工作“背后的故事”，用科研反哺教学，因为其中蕴藏的科学经验和方法也能同成果本身给学生未来的学习和工作以启发，这些亲身经历让学生们了解科学家发明创造的过程，培养了学生的科学探索精神，和持之以恒的品质。

《纳米材料》课程以纳米科技和功能材料为基础，积极响应国家全面建设一流课程的号召，通过优化课程结构设计、丰富教学资源、创新教学方式和完善反馈机制四个方面的改革，打破了传统线下课堂的固有模式，探索出了《纳米材料》线下一流课程的特色化建设路径，以期为其他新工科线下一流课程的建设提供了实践参考。