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，為高?；瘜W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容的有機結合，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學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，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)，結合相關實驗教學、科研實踐訓練，拓寬學生的學術視野，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、學術交流4個模塊構成（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）教學內容和方法

1.研討課

科研團隊為學生開設研討課，內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。課堂內討論匯報、小組互動，課堂外輔助實驗教學、科研訓練、學術交流，將理論講解與實踐體驗相結合，將內部探索與外部探索相結合，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構圖片剖析，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，鼓勵學生主動調研納米藥物示蹤技術，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

面向學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、儀器操作、數(shù)據(jù)處理與分析等內容，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及科研成果，構建可重復性強、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、尺寸和結構，進一步優(yōu)化實驗技術，進行結果討論。

【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，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、形貌和組成來調節(jié)光學性質。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。

（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，將教學內容和思政內容有機結合[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，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，形成科技報告、發(fā)明專利或學術論文等成果。科研訓練環(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、科研訓練和學術交流等方面，踐行“三全育人”教育理念，構建了一套“師生構成多學科化，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］