学科交叉人才培养模式下高校多元化教学探索与实践

陈玥光　汪乐余

［摘 要］随着社会和科技的发展，高校教育需要紧跟科学技术创新和产业格局变化，推进拔尖人才培养，与之相配套的教育方法和教学课程也面临新挑战。文章将学科交叉人才培养模式融入纳米科技前沿与方法论课程教学，从学科交叉班的课程建设、教学方法、思政教育和科研训练等多个角度，探讨教学实践的新举措，着重培养学生跨学科知识素养、科学素养、实践能力和综合素质，为高校化学教学改革提供参考。

［关键词］学科交叉；人才培养；多元化教学；纳米科技

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）16-0084-04

“学科交叉”对应的英文为“Interdisciplinary”，也称为“跨学科”，这一概念最早在20世纪20年代由美国社会科学研究理事会提出，1937年被《新编韦氏大词典》等首次收录，直至20世纪50年代被学者普遍认可并广泛使用[1]。学科交叉通过不同学科知识的渗透、互补和融合，培养和发展新兴学科，形成特色优势及研究亮点，对科学发展和社会进步都起到了积极的促进作用。

面对新一轮科技进步和产业格局的变化，生活工作中出现的真实问题更加复杂，需要拥有多学科背景知识的人才创造性地解决问题。高校教育也面临着前所未有的挑战和机遇，传统的教育模式已经不能充分满足社会需求。当前，多学科交叉作为一种新兴的教育方法，目标是培养具有多元知识体系、跨界能力、创新能力、实践能力和综合素质的复合型人才，推进人才培养改革和创新。学科交叉科研教学平台建设逐步成为高校人才培养的特色模式和重要探索，是拔尖创新型人才培养的重要举措之一。

一、学科交叉人才培养模式的实践探索——以纳米科技前沿与方法论课程为例

在高校教育和教学体系中，学科交叉融合的理念可以体现在多方面：一是教学科目或教学内容的有机结合，二是具有不同学科知识背景的专业人士一起开展学习工作活动或者协同合作，实现多个学科知识、方法、研究活动的融合。以《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》精神为指引，北京化工大学从2013年开始实施“学科交叉人才培养计划”（见图1），统筹考虑、顶层设计，逐步构建了符合学科交叉融合的组织制度体系，延续至今，并且不断完善[2]。该计划主要以本科生学科交叉班为载体，以全国重点实验室的高水平科研师资队伍（院士、杰青等）为引领，搭建拔尖创新人才培养平台。

纳米科技前沿与方法论是北京化工大学面向学科交叉班本科生开设的一门公共研讨课程，由化学学院汪乐余教授“纳米生物医药与能源”团队负责，主要着眼于纳米材料领域的基础科学与生物医药、能源催化等前沿技术，旨在通过让学生接触当前纳米科学领域的研究前沿与发展动态，结合相关实验教学、科研实践训练，拓宽学生的学术视野，为学生选择和确立研究方向、开展大学生创新创业训练项目、本科毕业设计及后续学习深造打下坚实的基础。本课程具有师生构成多学科化、教学模式多元化的特色，以化学学科为主体，探索多学科交叉的拔尖人才培养方法，立足纳米化学，培养大类通才，在本科教学中推进学科交叉能力培养。

（一）培养对象及指导小组

納米科技前沿与方法论课程采用跨专业选课的模式，覆盖化学工程学院、生命科学与技术学院、材料科学与工程学院、化学学院等，秋季学期报名。本课程为小班式教学，人数限定在10～15人。学生组成为来自至少3个不同学院且不同专业的大二、大三本科生。学生已掌握了相关的专业基础知识，具备开展科研训练和素质拓展的必要条件。授课教师指导小组共6人（教授3人、副教授3人），研究领域涉及3个不同方向，其中国家杰青1人、优青1人，国家精品课程和国家级一流本科课程授课教师1人，具有丰富的科学研究和本科生教学经验，形成了稳定的合作指导模式。团队实验室依托化工资源，有效利用国家重点实验室等良好的科研支撑平台。

（二）教学目标

本课程在无机化学、物理化学、分析化学、生物化学及固体物理理论等基础课程的基础上，通过对纳米材料发展历史、合成方法学、生物医药应用、催化科学、太阳能电池等领域的研究方法论和应用的讲授，让学生近距离接触前沿科学问题与科学研究的模式及特点，培养从事基础科学研究的兴趣与热情。通过文献研讨、实验科研训练和学术交流活动，促使学生提高独立思考、勇于钻研的科学素养，锻炼实践动手能力，为未来从事特色、深入的科研工作打下良好基础。课程目标与毕业要求见表1。

（三）教学环节

构建合理有效的教学体系是人才培养的重要环节。化学是一门以实验为基础的自然科学，特点是探索性和应用性强。本课程设置了多元化教学环节，由课程研讨、实验学习、科研训练、学术交流4个模块构成（见表2），强化了以科研为导向的拔尖学生培养，加强实践教学建设和科研团队专业特色，适应纳米科学前沿领域的新形势新变化。

（四）教学内容和方法

1.研讨课

科研团队为学生开设研讨课，内容面向科研实际课题和学科前沿，锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。教学知识体系上，不仅涵盖纳米科学发展历程和基础知识，而且包含纳米科学研究前沿技术和热点问题，以科研促进教学。例如，除了介绍传统微观尺度下纳米材料的定义，引入美国化学会化学工程新闻评选出的2016年度化学化工领域“十大科研成果”中的“单原子催化”的概念，以及“团簇”“亚纳米”等最新概念，涉及新兴纳米材料研究相关知识。又如，“纳米材料表征技术与原理”研讨中，教师不仅介绍纳米材料常规表征仪器，讲解透射电子显微镜、X射线单晶衍射仪等相关的发明内容、仪器基本原理、制样方法、数据特征，而且拓展到如今的球差校正电镜、原位/超快红外光谱、国家大科学装置同步辐射光谱技术的应用案例，“贯穿古今，融汇应用”，多角度、全方位地让学生领略纳米科学技术的发展历程，从了解“是什么”，上升到学会“怎么用”，最后思考“怎么办”，以解决问题和实际应用为导向。

教师打破传统的单向灌输式授课形式，因材施教，建立以研讨式、研究性为主的教学模式，锻炼学生在研究中学习、在学习中研究的能力。课堂内讨论汇报、小组互动，课堂外辅助实验教学、科研训练、学术交流，将理论讲解与实践体验相结合，将内部探索与外部探索相结合，立体化地丰富教学形式。课堂教学中注意更多地采用案例、课题项目等形式，加强师生互动。第一，通过翻转课堂教学方法，以学生为主体，激发学生兴趣和积极性，提升学生参与度。第二，利用线上资源优势，借助动画、视频等素材，刺激学生感官，提高学生对知识的接受程度。第三，考虑二、三年级学生的知识储备，从生活中的纳米材料应用技术案例出发，深入浅出，提升学习效果。例如纳米材料导论教学中，借助荷叶表面疏水、露珠滚动的案例，启迪学生思考，继而通过荷叶表面微观纳米结构图片剖析，引申出仿生纳米材料的研究和发展。又如，纳米药物及示踪研讨课中，鼓励学生主动调研纳米药物示踪技术，以及化疗药物引起的副作用，理解靶向药物递送的意义。

2.实验课

面向学科交叉班开展的实验教学，包括纳米材料制备方法、分离技术、仪器操作、数据处理与分析等内容，同时需要兼顾跨校区实验的课时时长。因此，基于科研团队的研究技术及科研成果，构建可重复性强、趣味性强、综合性强的代表性课程实验。

【案例一】“納米金颗粒的制备及透射电子显微镜表征”实验。氯金酸还原法是制备水相金纳米颗粒最经典的方法之一，常用的还原剂有柠檬酸钠、硼氢化钠、抗坏血酸、单宁酸等。其中，柠檬酸钠作为还原剂和稳定剂，在酸性溶液和加热条件下缓慢地将氯金酸还原，这一过程具有所需设备简单、操作简便等优点。过量的柠檬酸钠通过配位作用吸附于金表面，使金纳米颗粒表面通过静电排斥作用而稳定分散。实验中，通过观察反应液的颜色变化，判断纳米溶胶的生成。后续借助离心机洗涤和分离，获得纳米晶分散液。学生通过透射电子显微镜观察金纳米晶颗粒的形貌、尺寸和结构，进一步优化实验技术，进行结果讨论。

【案例二】“钙钛矿发光纳米晶的制备及性能表征”实验。CsPbX3（X=Cl， Br， I）钙钛矿纳米晶作为一种新兴的光电材料，具有高荧光量子产率、窄半峰宽等性质，可应用于太阳能电池、发光二极管、光电检测器等领域。CsPbX3（X=Cl， Br， I）钙钛矿纳米晶具有量子限域效应，可通过控制尺寸、形貌和组成来调节光学性质。本实验通过优化已有的科研成果，选取油胺和油酸作为纳米颗粒的表面配体、十八烯作为反应体系，在氮气环境下，通过热注射法一步合成钙钛矿纳米晶。通过改变卤素离子的种类和比例，调控制备得到具有不同发射峰的荧光纳米材料。本实验可让学生观察到光学纳米材料的不同颜色和性状，观赏性、趣味性强。学生通过测定钙钛矿纳米晶的荧光发射光谱和紫外可见吸收光谱，初步了解无机钙钛矿量子点的光学性质。

（五）教学理念和课程思政

科技是第一生产力，人才是第一资源，而教育是培养人才的第一环节[3]。学科交叉人才培养始终将立德树人放在首位，将教学内容和思政内容有机结合[4]。纳米科技推动了清洁能源、疫苗药物、环境污染防治的发展，让人民群众享受到创新成果和生活便利，为新产业和新业态增添了活力。通过案例介绍、互动讨论等方式，让抽象的概念现实化，增强教学亲和力。通过讲授近年我国科研工作者在纳米科技领域的原创性、颠覆性突破[5]，培养学生团结协作的精神，有助于学生树立科技自信、正确的价值观以及锐意进取的意识。例如，讲解燃料电池、光刻胶等我国在战略能源和芯片制造方面的“卡脖子”关键技术，增强学生对纳米能源化学、材料化学的专业认同感，使学生树立科技报国的理念，让学生理解中国特色的原创性突破为科技创新提供源头活水，我国科技发展要自立自强，面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康[6]。通过精心设计思政元素，以“润物无声”的方式实现育人目标。

（六）科研训练

指导教师通过组会、项目研讨等为学生提供形式多样的科研训练活动，借助科研平台优势，促进多学科交叉融合。例如，教师引导学生组建多个研究小组，指导学生选择适宜的科研项目，承担学科竞赛、创新创业训练等综合性项目，或参与团队的国家自然科学基金项目研究；鼓励学生进行学习总结，形成科技报告、发明专利或学术论文等成果。科研训练环节以课题研究贯穿始终，全面提高学生的动手能力，重点培养学生的创新性思维和实践动手能力，逐步提高学生的团队合作精神和科学研究水平。

（七）学术交流

指导教师组织学生分批参与生化分析、能源催化、光电器件等领域各类线上讲座活动，根据主题每个活动5～8人次参与。此外，指导教师为学生提供参与学术交流和学习的机会。例如，指导团队在2021年组织学科交叉班学生参加第十九届北京分析测试学术报告会暨展览会（BCEIA），本届会议主题涵盖检测与诊断、组学研究、实验动物模型、疫苗研制等诸多方向，院士、杰青等知名学者出席并做相关主题报告，拓宽学生的视野，帮助学生了解学科前沿领域和发展趋势。

二、学科交叉人才培养模式的收效及建议

多位学科交叉班本科生陆续参与北京化工大学“萌芽杯”“互联网+”竞赛、大学生创新创业训练项目，大四学年以优异的成绩保送攻读研究生。指导教师可以把握大二、大三学生的成长规律，鼓励学生进行个人兴趣挖掘和能力探索，培养学生科学思维和探索精神，提高其问题解决能力和学科综合能力，使其取得更好的成绩；同时，帮助学生逐步明确未来发展目标和定位，做好职业准备，以便更好地适应职业发展中的挑战。学科交叉人才培养模式依然存在进步空间，包括课程系统整合、教学内容精细化、课程多元评价等方面，需要高校教育者、政策制定者、执行指导者的共同努力，进一步加强教师培训，细化课程体系建设，优化政策和评价体制，促进师生联动、协同培养，更好地推进学科交叉人才培养模式在高校教学和科研中的应用[7]。

三、结语

本文介绍了学科交叉人才培养模式下，纳米科技前沿与方法论课程培养拔尖人才的探索与实践。指导团队尝试从课程体系建设、教学方法、思政教育、科研训练和学术交流等方面，践行“三全育人”教育理念，构建了一套“师生构成多学科化，教学模式多元化，立足纳米化学，培养大类通才”的教育模式。多学科交叉课程建设，以丰富多彩的课堂理论和课外训练形式助推学生学习，实现了课程教育对基础知识、前瞻思维和职业素养的支撑，能够更好地满足现代社会对高校复合型、创新型人才培养的需求。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 刘仲林.现代交叉科学[M].杭州：浙江教育出版社， 1998：57.

[2] 孙亮， 张亚洁， 苏海佳.基于协同创新理论的本科学科交叉人才培养探索与实践[J].北京教育（高教）， 2021（11）： 82-83.

[3] 周洪宇.加快建设教育强国、科技强国、人才强国[J].红旗文稿， 2023（5）：24-28.

[4] 高德毅，宗爱东.从思政课程到课程思政：从战略高度构建高校思想政治教育课程体系[J].中国高等教育，2017（1）： 43-46.

[5] 赵永新. 解读2022年度中国科学十大进展[N]. 人民日报， 2023-03-20（10）.

[6] 龙腾.面向国家重大需求  加快提升高水平研究型大学科技创新能力[J].中国高等教育， 2022（23）： 13-15.

[7] 苏海佳，张婷，谭天伟. 未来化工行业领军人才培养改革的思考[J].中国大学教学， 2021（11）： 14-18.

［责任编辑：周侯辰］