科技文獻案例在材料類課程建設中的應用研究

白成英　張曉紅　張麗麗　鄭婷　王曉東　喬英杰

摘? 要：針對科研與教學長期失衡問題，文章探究以科技文獻案例為核心的課程改革思路，選擇材料合成與制備課程為例。為使學生高效理解掌握課程的大量知識點（合成制備方法、機理、流程和應用等），科技文獻案例教學法被引入課程教學中。文章以“水熱合成”這一知識點的教學為例，詳細介紹以科技文獻案例的設計與實施過程。實踐表明，案例教學加深學生對水熱法合成的理解和掌握，并提供一種科研與教學有機融合的研究生課程建設思路。

關鍵詞：案例教學;教學與科研;材料合成與制備;科技文獻;教學改革;新工科

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）10-0074-05

Abstract： In view of the long-term imbalance between scientific research and teaching， this paper explores the curriculum reform routes with scientific literature cases as the core， and takes the course of Material Synthesis and Preparation as an example. In order to enable students to effectively understand and master a large number of knowledge points （synthesis preparation method， mechanism， process， application， etc.）， the case teaching method of scientific and technological literature is introduced into the course teaching. Taking the teaching of "hydrothermal synthesis" as an example， this paper introduces the design and implementation process of scientific and technological literature cases in detail. The practice shows that the case teaching deepens students' understanding and mastery of hydrothermal synthesis， and provides a kind of thinking of postgraduate course construction that integrates scientific research and teaching organically.

Keywords： case teaching; teaching and research; Material Synthesis and Preparation; scientific and technological literature; teaching reform; emerging engineering education

建設世界一流大學和一流學科，是中共中央、國務院在新時期對中國高等教育作出的重大戰略決策，同時也是繼“211工程”和“985工程”后的又一國家戰略，“雙一流”學科的建設有利于進一步提升我國高等教育綜合實力和國際競爭力，為實現社會主義現代化和中華民族偉大復興提供有力支撐。2017年提出的新工科（Emerging Engineering Education，3E）建設，對新時期高等教育工科專業提出了更高的要求[1-2]。工科高校如何優化高水平科研支撐優秀人才培養，成為工科高校發展和建設面臨的重要問題。而在材料類專業，科研與教學長期失衡，存在“重科研，輕教學”現象，材料化工環境生物等專業相對更容易產出科研成果，材料學科高校重心更偏向科研，工科為主的高校“重科研，輕教學”現象更加普遍。因此，在新工科背景下，材料科學與工程專業如何利用科研反哺教學，完善高水平科研支撐拔尖創新人才的機制及實現高校人才培養目標，是急需探討的教學改革問題。2020年7月，習近平總書記對研究生教育工作作出重要指示，要“完善教育評價體系……引導研究生教育高質量發展”。如何設計研究生課程的評價機制也是課程建設的重點，此外，工程類專業在新工科建設背景下如何發展和建設，是工科專業面臨的新課題。教學始終是大學基本職能，也是現代高等教育的中心工作。

工科類課程教學過程中須緊密結合新工科特征，與時俱進，積極吸收新的教學理念，探索新的教學方法，從而促進本專業人才培養體系的轉型與提高[3]。傳統教學方式強調理論的闡釋，對研究生分析和解決實際問題的實踐能力培養不夠。與傳統教學法相比，案例教學法具有具象性、針對性、完整性、真實性、典型性、問題性、時效性、時代性、理論與實際結合等特征[4]。同時，案例教學的效果也優于傳統教學方式，能夠更好地發揮學生潛能，因而也更受學生歡迎，取得了很好的效果[3-8]。改革開放后，我國許多高等院校引入了案例教學模式，取得了一定的實踐經驗和研究成果[9-13]。目前，案例教學法已經普遍應用于管理學、社會學、法學和醫學等課程教學中。

現代大學長久以來在洪堡理念的影響下，強化科學研究，對科學研究的過分重視，導致研究型大學存在“重科研、輕教學”的不良傾向，這種現象在工科為主的高校尤其嚴重[1，14]。案例教學在新工科建設背景下得到廣泛關注，在研究生培養階段，案例教學被認為是一種有效的教學改革途徑，一直是現代高等教育專業學位研究生教育領域研究的熱點重點之一[3-13]。案例教學廣泛應用于醫學類專業、工商管理、公共管理、會計和圖書情報等專業。與此同時，針對環境工程、農業工程、機械工程、化學工程、能源與環保工程、電氣工程、材料工程、控制工程、電子與通信工程和計算機工程等工科專業[3-13，15-17]，開展了很多針對案例教學的設計與實踐、案例教學方法分析探究、案例教學解構與應用、課程建設與實踐、研究生實踐基地建設和研究生創新思維培養等的研究。目前開展以科技期刊論文為案例的教學改革處于起步階段，相關的文獻報道較少[4，18-19]。

如何平衡科研與教學，實現科研反哺教學是研究生教育面臨的難點之一，與此同時，依托科技文獻作為案例亦得到廣泛關注，本研究以哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院研究生專業必修課材料合成與制備為例，選擇近五年英文科技文獻為案例素材，提供一種科研與教學有機融合的研究生課程建設思路。

一、科技文獻案例教學主要思路

針對材料合成與制備方法，精選科技文獻為案例，在此基礎上進行課程設計，實現科研與教學有機融合，有效調動學生主動學習探索思考積極性，培養學生綜合能力。以最新中英文科技文獻案例教學為核心的教學模式，可讓學生更直觀快速地形成感性認識，結合文獻資料，更有利于快速獲取掌握知識點、重點，提高學生文獻閱讀、理解、歸納、分析、總結與創新能力，結合文獻的創新性，培育創新性思維及分析解決問題能力。結合科技文獻，能進一步加深學生對理論知識的理解，“理論-實踐-理論”的模式有助于學生能夠靈活應用所學知識[19]。

教學與科研互相促進新格局的實現路徑探索。本文以最新科技文獻案例為核心的教學模式能有效彌合教學與科研之間的失衡，實現科研反哺教學新格局。將科技文獻案例成功應用于課堂教學，學生還能通過文獻的題目摘要及關鍵詞提高其專業英語能力。依托雨課堂、騰訊會議、微信群線上平臺，實現資料的共享，使學生自主學習（課前預習，課后討論、課后復習和課后擴展）。以科技文獻為課上素材案例，學生能掌握相關知識點最新動態，同時教師可以更深入解析知識點。以案例為核心的教學模式涉及多種教學模式（理論教學、雙語教學、研討式教學、翻轉課堂、實踐教學和線上教學），教學設計包括課前準備（線上資源庫建設）、課堂實施、案例設計、分組討論、實驗實踐、過程考核以及課后評價與反饋等多個環節（如圖1所示）。圖1給出了以科技文獻案例為核心的教學模式圖，主要思路包括：

（一）知識點高度切合的最新科技文獻案例的構筑

針對材料合成與制備課程知識點（制備技術定義、原理/機理、特點、工藝流程/步驟、應用）找到密切相關的最新（近五年）科技文獻案例，初步建立案例庫，進一步優選后，確定為本課程的課題案例，將理論教學（知識點講授）、案例教學（科技文獻案例）、線上教學（雨課堂、騰訊會議）與科技文獻案例教學有機融合（圖1）。在中國知網、Web of Science等數據庫檢索，具體案例講述過程中使用中文核心期刊和SCI（Science Citation Index，科學引文索引）英文期刊，選擇相應的文獻下載，對文獻進行比較粗篩，每個知識點下載的文獻大于30篇。最終優先選出知識點切合的文獻3至5篇。通過科技文獻案例轉換成相應多媒體素材并在此基礎上，進一步豐富案例庫，如利用JoVE視頻實驗期刊數據庫和相關制備技術視頻實現部分實驗視頻資源案例建設。

（二）依托科技文獻案例教學模式、教學設計的建設

課程設計以學生為中心，課程內容以案例為中心，構建體現科研與教育教學融合的課程結構。通過雨課堂、微信群、課堂講述、小組討論和翻轉課堂多維度開展教學。建立課件、文獻、視頻、線上線下等多維課程資源，教師和學生同步學習案例，建立多方位的師/生和生/生互動渠道。針對材料的不同制備技術，優選文獻案例，構建多以文獻案例為核心的新型教學模式，引導學習者自主學習、深入思考，以碎片化的學習方式實現個性化學習，促進教學相長，科研與教學互相促進。

（三）教學評價兼顧“結果”和“過程”，注重綜合能力培養

利用科技文獻案例，有助于實現多元化課程評價，本門課程滿分100分，其中30%平時成績主要包括課堂表現、課后小測等，利用科技文獻案例更有助于實施連貫性評價，引導學生注重學習過程的收獲。科技文獻里涉及的工藝圖、創新點和圖片摘要等提供了很好的過程考核及期末考試論述題素材。文獻案例提前上傳到雨課堂或者微信群，強化自主學習及預習能動性，同時有助于課后復習理解。注重理解及創新，在測試或考試中，可以實現考察學生英文關鍵詞閱讀掌握、分析問題、歸納總結等綜合能力培養。以知識傳授為媒介，借助科技文獻案例，既能豐富課程思政元素，又能為未來課題研究、分析解決實際問題提供先導性指引，更注重學生綜合能力培養。

二、科技文獻案例教學實踐

本文選擇沉淀法為例，使學生深刻理解并牢固掌握沉淀法章節知識點。

（一）案例精選

在30多篇文獻中最終優選出2021年發表在中文核心及EI（Engineering Village）收錄期刊《材料工程》題為：納米花/棒SnO2的水熱法制備及其氣敏性[20]為案例1;2021年發表在國產SCI期刊《Rare metals》題為：Preparation of {200} crystal faced SnO2 nanorods with extremely high gas sensitivity at lower temperature[21]為案例2。案例與課程內容（水熱合成）高度切合，同時代表了最新科技文獻前沿方向。該案例能進一步理解水熱的定義、水熱反應類型（水熱沉淀）、水熱反應機理（利用晶體形成及生長機制）、工藝流程、影響因素（溫度、時間、前驅物）、性能評價（XRD、SEM、比表面積）、水熱法特點、應用（粉體、薄膜、傳感器），此外本案例還涉及沉淀法，能與本課程前期開展的沉淀法制備納米材料形成對照，進一步加深對課程內容的理解。

教師團隊優選好相關的制備技術英文科技文獻案例信息（圖1）和閱讀資料，整理學生課前需要閱讀的文獻與精選的案例資料上傳到雨課堂或者微信群中;進一步收集案例信息，設計案例資源優選確定課程過程中使用的案例，并制作PPT課件，根據文獻繪制出（圖2）或者利用文獻本身提供的工藝流程圖（圖3）。

（二）案例素材課堂設計

將上述案例引入課堂教學，通過對案例的講述（題目、摘要、創新點、圖表分析和結論），最后對案例的過程中與理論知識有機結合。在案例教學過程中選擇合適的創新點、英文部分（題目、摘要和關鍵詞），課題討論提問的形式進一步優化課堂教學效果。圖2為教師團隊結合案例1文獻重新繪制的流程圖。案例1的創新主要為引入氧化錫晶種實現在導電玻璃上構筑花/棒氧化錫構筑，此外文獻還對利用直接沉淀法制備氧化錫進行對照研究，知識點包括（制備流程、影響因素（水熱時間、水熱溫度、氫氧化鈉用量）、沉淀法與水熱法對照、表征（X射線衍射儀、熱重分析、比表面積、掃描電子顯微鏡）、應用（丙酮氣體檢測））[20]。案例2選擇的是英文文獻，利用水熱法制備出二氧化錫納米棒知識點包括（制備流程、與商品購買的氧化錫對照、不同濃度鹽酸、表征（X射線衍射儀、熱重分析-差熱分析法、紅外光譜、比表面積、掃描電子顯微鏡、透射電鏡-能譜儀）、應用（三乙胺、乙醇、丙酮、異丙醇、甲醛和氨））[21]。

（三）課程思政內容的豐富

科技文獻案例的加入可以將以知識點為主的課程思政內容進行豐富。包括科技文獻案例創新點、科技文獻研究思路、科技文獻案例的背景及應用等。

（四）過程考核設計

考核形式1：查找一篇近三年涉及水熱合成SCI文獻，結合英文文獻繪制PPT。

要求1：給出期刊名字，題目及翻譯。可以提供圖片摘要（graphical abstract）。

要求2：給出首頁摘要及關鍵詞截圖，翻譯關鍵詞。

要求3：畫出制備合成流程圖（給出不認識的詞匯相應翻譯）。

要求4：論文技術路線圖及不認識詞匯翻譯。

要求5：提供創新點（highlight）并翻譯。

要求6：在雨課堂教學平臺，針對選取的文獻進行討論區留言（對文獻的看法、自己的收獲、文獻可以改進的地方、本門課程建議、評論其他人留言等）。

考核形式2：基于科技文獻案例，在雨課堂教學平臺設計課上測試，如圖4所示，設計結合文獻[22]工藝簡圖的課上測試題目。

圖4 結合英文期刊案例進行課上測試題目設計[22]

（五）期末考試設計

依托案例素材如圖3所示，進行期末考試題目設計。

論述題1：如圖5所示涉及什么制備技術，該制備技術的定義及工藝流程是什么，結合圖5論述該合成/制備方法的優缺點。

論述題2：從以下試劑中SnCl4·5H2O、SnCl2·2H2O、甲醇、去離子水、碳酸鈉、尿素、無水乙醇、NaOH、草酸、氨水、鹽酸、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）選取合適的材料，設計出一種制備納米氧化錫（SnO2）的技術（工藝），給出該制備技術的定義及工藝，并論述該制備技術的優點或缺點（二選一）。

論述題3：選擇一種制備納米材料的制備方法，給出該方法的定義，描述其合成或制備路線（包括工藝流程圖、具體步驟等），結合原材料、制備/合成工藝和制品特性等論述該方法的特點。

（六）結合課程反饋持續改進

本門課程平時成績30%，期末考試70%，采用過程考核和期末考試（閉卷）結合的形式，采用多渠道（問卷調查、討論區、微信群和課下交流）實施反饋，評價教學效果，提出改進措施。文獻案例庫，定期優化更新，針對學生反饋及實際授課及課程評價效果，對以科技文獻案例為核心的知識結構進行查缺補漏，優化文獻案例教學設計。

三、結束語

彌合教學與科研失衡問題為切入點，設計以科技文獻案例為核心的教學模式，有助于學生有效掌握材料合成與制備課程理論知識。從“水熱合成”的案例教學設計與實施過程可以看出，一方面學生更容易理解相關知識點，另一方面有利于學生綜合能力培養，同時還可以結合文獻案例優化評價過程，使其對所學知識能夠融會貫通、學以致用，并能激發學生的學習興趣和熱情，充分調動學生自主學習與科研創造的主觀能動性。學生能夠利用水熱合成知識分析和處理實際材料制備合成問題，設計新材料，有助于學生綜合能力培養。以科技文獻案例為核心的教學模式為平衡教學科研提供一種有效途徑。

參考文獻：

[1]陳光宋，張弘鈞.“雙一流”背景下科研反哺教學的困境、對策與實踐[J].南京理工大學學報（社會科學版），2019，32（5）：67-71.

[2]萬明攀，向嵩，張曉燕，等.新工科背景下材料科學與工程專業建設路徑思考[J].教育教學論壇，2019（33）：197-198.

[3]黃軍，武文斐，張智羽，等.“新工科”背景下能源與動力工程專業《傳熱學》案例教學改革與實踐[J].科技創新導報，2020，17（2）：226-227.

[4]龍景超，徐華，常舒婕.科技文獻研究案例在“統計天氣預報”課程設計中的應用——以廣東海洋大學為例[J].教育教學論壇，2020（44）：254-256.

[5]Popil Inna. Promotion of critical thinking by using case studies as teaching method[J]. Nurse education today，2011，31（2）：204-207.

[6]L.F.S. Minniti，J.S.M.Melo，R.D. Oliveira，et al. Salles. The Use of Case Studies as a Teaching Method in Brazil[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences，2017，237：373-377.

[7]SungwonShin， Thomas A. Brush， John W. Saye. Using technology-enhanced cases in teacher education： An exploratory study in a social studies methods course[J]. Teaching and Teacher Education，2019，78：151-164.

[8]FERRER-VINENT Ignacio J.， Bruehl M， Pan D， et al. Introducing scientific literature to honors general chemistry students： Teaching information literacy and the nature of research to first-year chemistry students[J]. Journal of Chemical Education， 2015，92（4）：617-624.

[9]謝曉專.案例教學法的升華：案例教學與情景模擬的融合[J].學位與研究生教育，2017（1）：32-36.

[10]薛永基，回慧嫻，吳成亮.基于參與式教學的研究生課程組織與實踐——以農村公共管理課程為例[J].學位與研究生教育，2021（5）：21-26.

[11]陳慧榮.案例教學的方法論基礎——以公共管理教學為例[J].中國大學教學，2014（9）：72-75.

[12]吳健.基于案例的參與式研討教學法——結合“資源與環境經濟學”教學的思考[J].中國大學教學，2020（9）：38-42.

[13]張穎，賈小虎，宋宇，等.以案例教學為核心的“四位一體”混合模式在農業碩士教學中的應用——以農村發展領域為例[J].天津農業科學，2021，27（1）：63-67.

[14]郭志明.教學·科研——平衡與發展——20世紀末美國高校提高教學質量的對策[J].國家教育行政學院學報，2005（2）：90-93.

[15]凌意瀚，朱文武，牛繼南，等.新工科建設背景下“材料科學基礎”課程案例教學模式設計與創新[J].教育教學論壇，2020（20）：186-188.

[16]涂軍令，張剛，何運兵，等.新工科建設背景下化工安全與環保課程案例教學實踐[J].廣州化工，2020，48（10）：184-186.

[17]許丹丹，白少元，劉輝利，等.新工科背景下案例式教學法在環境工程類課程教學中的應用研究[J].科教文匯（上旬刊），2021（7）：101-103.

[18]黃嬌，樊立峰，白亮，等.文獻案例教學法在金屬材料熱處理工藝教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2021（11）：121-123.

[19]王艷力，楊飄萍，蓋世麗，等.案例教學法在催化原理教學中的應用探討[J].化工高等教育，2021，38（1）：128-132.

[20]諶建平，張旭，林東寶，等.納米花/棒SnO2的水熱法制備及其氣敏性[J].材料工程，2021，49（6）：164-169.

[21]Hong-Yan Xu， Zheng-Run Chen， Cai-Yun Liu， et al. Preparation of {200} crystal faced SnO2 nanorods with extremely high gas sensitivity at lower temperature[J]. Rare Metals，2021，40（8）：2004-2016.

[22]Yao， Ao， Lv， et al. MoS2 Coexisting in 1T and 2H Phases Synthesized by Common Hydrothermal Method for Hydrogen Evolution Reaction[J]. Nanomaterials， 2019，9（6）：844.

[23]Wang Y.， Cai， F. Guo， P. et al. Short-Time Hydrothermal Synthesis of CuBi2O4 Nanocolumn Arrays for Efficient Visible-Light Photocatalysis[J]. Nanomaterials， 2019，9：1257.

基金項目：哈爾濱工程大學研究生高水平核心課程建設項目“《材料合成與制備》”（無編號）;哈爾濱工程大學教改項目“以科技文獻案例為核心多維混合教學模式在工程類選修課中的探索與研究”（JG2021Y083）、“基于先進高分子材料課程的三元協同教學模式探索與實踐”（JG2021Y086）、“基于教學與科研融合的復合材料設計課程建設”（JG2020B74）

作者簡介：白成英（1986-），男，漢族，河北邢臺人，博士，預聘副教授，碩士研究生導師，研究方向為多孔陶瓷，多孔地質聚合物及其復合材料，固廢資源化等。