研究生“物理化學研究方法在納米材料領域中的應用”課程群建設探索

嚴勇，安麗，李釩

（1.北京工業大學環境與生命學部化學生物系；2.北京工業大學環境與生命學部環境化工系，北京 100022）

一、背景

物理化學及其相關研究方法和實驗技術是化學學科的理論基礎和實踐基礎，也是環境、材料、生物、能源等學科的重要支撐[1-4]。北京工業大學依托國家一流學科“現代城市建設與環境工程”學科群的建設，直接推動核心學科、帶動支撐學科和輻射學校其他學科，促進學科建設水平的跨越式提高。本文探索的課程群由環境化工和化學生物系共建，針對化學、化學工程與技術專業學術型碩士以及部分材料與化工類專業型碩士課程培養環節，并輻射環境、材料等其他相關專業。

本課程群建設涉及物理化學研究方法、納米材料制備方法、固體結構分析三門課程。通過課程群建設，筆者充分利用并優化教學資源、提高學生的學習效率。筆者通過案例教學、問題導向、翻轉課堂的教學模式提高學生的參與度。筆者采用集中備課和教學實例分享，提高青年教師的教學能力，促進課程思政建設。筆者根據教學的遞進關系安排雙語課堂和全外語課堂，以期達到拓寬師生的國際化視野的目的。

二、課程現狀與問題分析

課程群中的三門課程（物理化學研究方法、納米材料制備方法、固體結構分析）是化學學科和化學工程與技術學科研究生的主要選修課程，也有材料與化工的專業型碩士選修這三門課程。物理化學研究方法是雙語課程，是基礎理論與實踐相結合的課程，主要銜接本科階段的物理化學課程。筆者在理論基礎上進行實驗方法分析，從課程、文獻到實驗設計，最后在考核調研基礎上形成檢測報告。固體結構分析課程是理論與實踐相結合的案例分析課程，是材料微觀結構和性能改進不可缺少的工具。教師主要采用以問題為導向的研究性教學方法，培養研究生具有正確選擇材料分析方法、測試方法的能力。納米材料制備方法是案例分析導向課程，該課程系統地介紹了納米功能材料的制備方法，包括設計操控和表征有段，其強調了納米材料在醫藥、催化、能源環境等領域的應用。

從三門課程的設置來看，三門課程互為基礎和補充。就教學內容而言，物理化學研究方法課程是學生學好其他兩門課程的基礎。就合成方法和知識背景而言，物理化學研究方法課程與納米材料制備方法課程互為補充關系。物理化學研究方法課程和固體結構分析課程的部分內容既存在知識互補的關系，又存在實踐深化的關系。其中，物理化學研究方法課程注重分析相關的理論和原理。固體結構分析可形成注重問題導向的解決方法，如晶體結構解析軟件應用、顯微學晶體結構判斷等。固體結構分析課程是物理化學研究方法課程的應用深化。固體結構分析課程中的“色譜”“光譜”和“顯微探針技術”是對物理化學研究方法課程的重要補充。

目前，三門專業課程在教學中存在的主要問題集中于：1.學時資源緊，理論基礎部分有重疊，教學資源有浪費。2.學生基礎不同，受課時限制，教師的講解不深入，課程目標達成度不夠。3.雙語課程教學由于受學生基礎的限制，效果被弱化。4.頂層設計不夠，課程的內在關聯性、承接性不強，知識有效結合不突出。5.考核重復，學生課業任務重，綜合訓練效果未達到預期。

三、課程群建設內容與改革

針對課程的特點和實踐中的“痛點”，在課程群建設中，學校要發揮課程和主講教師的優勢，打通各個課程進行全面設計。學校要把三門課程設計成整體的大課，進行資源整合，打通各門課程之間存在的“壁壘”。

（一）課程的協調與頂層設計

針對學科培養特色和人才培養目標，教師要對三門課程的大綱和主干教學案例進行剖析。教師要利用解釋結構模型法（ISM）法[5-6]對三門課程的知識點進行整合，使三門課程的知識點得到融會貫通。

首先，教師要將課程中的知識點根據培養環節進行集群模塊劃分。教師要根據ISM法確定的知識點集群，按照邏輯體系對知識點進行統合重構（圖1）。基礎單元包括基本實驗技術（高溫、高壓、真空及氣氛控制單元）和基礎理論（基本粒子、固體分類和晶體學概述單元）。教師要把兩個基礎單元組合發展為獨立并行的知識版塊。這些知識版塊包括納米合成技術，熱分析、衍射分析和電子顯微分析技術，光譜、色譜、質譜、光學顯微探針分析技術，電、磁、電化學分析技術，生物相容性及其他性能分析技術。對于課程的考核方式，教師要引導學生在綜合訓練的基礎上，撰寫系統的合成與性能表征的總結報告。

圖1 課程教學模塊設計流程圖

（二）課程群優化教學

在按照教學模塊劃分后，教師要根據課程交疊內容的知識點和課程要求進一步進行協調統合。交疊的模塊是熱分析、X射線與電子顯微分析，涉及三門課程。從教學要求和教學環節設置可以看出，物理化學研究方法課程注重的是儀器的原理，是前模塊高溫、高壓、真空與氣氛控制在這幾個實驗技術和相關儀器分析試驗中的應用；固體結構分析課程重視樣品分析原理和固體結構分析中的應用本身；納米材料制備方法課程重視對納米材料的檢測表征以及具體案例分析。同理，在光譜、色譜、質譜、光學顯微及探針分析技術中，固體結構分析課程承擔結構分析應用，納米材料制備課程承擔納米材料檢測方面的應用舉例。概括整個教學過程，物理化學研究方法課程是教學群中的基礎課程，承擔了基本原理和基本實驗的功能；固體結構分析課程是中間的應用基礎課程，其作用是鞏固分析原理并與實際分析建立聯系；納米材料制備是具體應用這些實驗技術與應用儀器分析的專業課程。學生根據要求完成一份綜合報告，三門課程的教師根據課程教學要求，評價此綜合報告并給出成績。這樣既節約了考核環節的教學時間，又減輕了學生的考核負擔。

在前述模塊化設計和知識點綜合分析的基礎上，教師要考慮教學資源配置和課程的協調進度安排。從課程內容在模塊化流程中的分布情況來看，納米材料制備方法課程的教學模塊在最后兩層，擬安排在最后。物理化學研究方法課程和固體結構分析課程需要先開設，且需要協調進度。在實際中，教師把所有的課程安排在一個學期完成，有利于協調統一考核。在一個學期中，學校將納米材料制備方法課程安排在后八周開設，將物理化學研究方法課程和固體結構分析課程安排在前八周開設。學校將物理化學研究方法課程安排在周前段開設，將固體結構分析課程安排在周后段開設。教師要利用調休等機制，使物理化學研究方法課程整體比固體結構分析課程的進度快一周，以確保文獻檢索與總結分析模塊提前完成。這樣，圖1中第二層面的實驗技術和理論概述兩個模塊就可以并行進行。在進入第三個層面的知識模塊教學時，物理化學研究方法課程的教師先講授熱分析、衍射分析和電子顯微分析技術，固體結構分析課程的教師先講授光譜、色譜、質譜、光學顯微及探針分析技術，再講授熱分析、衍射分析和電子顯微分析技術。這樣，在相同的講授內容部分，教師就能保證基礎課程物理化學研究方法先講。固體結構分析課程的教師要在已講授知識的基礎上，組織學生進行實例分析。如此一來，教師就可以遵循知識的先后順序對三門課程進行講解，使學生的學習不會出現知識點倒置的問題。

為了凸顯以學生為中心的教學理念，教師要將三門課程中共有的理論知識制作成網絡學習資源，并進行共享。為了增強演示學習的效果，教師要采用薩蒙帕孜教學媒體選擇流程[6]，利用多媒體對已有的基礎物理化學概要、基本物理原理、操作單元結構、分析設備工作原理等內容進行展示。教師可以將部分內容作為學生的網絡學習資源，節省寶貴的課堂資源，也為沒有全部選修三門課程的學生提供更多的學習機會。疫情期間，教師可以嘗試運用遠程直播開展實驗教學，利用好科學技術，實現最佳的教學效果。

（三）課程雙語教學與國際化升級

不同專業的學生都可以選修物理化學研究方法課程，學生基礎不一，導致雙語課程的教學效果會受到影響。教師對物理化學研究方法課程的基礎部分進行了中文講解，并制作了視頻課件，在校內教學系統中分享。如果學生提前預習了課程內容，教師就可以在某些環節采用全英文授課。對于學生難以理解的熱分析、衍射分析和電子顯微分析技術，光譜、色譜、質譜、光學顯微及探針分析技術，學校可以邀請國外知名教授進行全英文授課。教師可以采用網絡交互課程和錄像課程的方式開展教學。在教學過程中，教師可以引入外文文獻閱讀環節，使學生在學習相關領域的基礎知識的同時，能充分了解該領域的熱點信息。

（四）提升課程思政水平

案例分析教學是三門課程的共性，教師要發揮科研導向，不斷提升案例分析教學的品質。教師開展案例分析教學可以提升學生解決問題的能力。教師要在突出物理化學學科、固體結構分析學科和納米材料學科的學科知識體系的基礎上，將國內外著名學者的科研事例及事例蘊含的辯證思維融入課堂教學中，促進課程思政建設的升級。

每門課程的教師都建立了交流群，教師能在群內發布自學通知，并布置相關的預習任務，學生也可以在交流群中提問。教學不止步于課堂。

（五）教學梯隊的穩定與對中青年教師教學能力的提升

教學團隊和梯隊建設是近年來的薄弱點，重科研、輕教學的現象比較普遍。學校要以科研促教學，實現教科共進，達到提高教師的教學能力的目的。

在課程群建設中，學校優化教育資源配置可以提高教學對人才培養的契合度，提升教師和學生的國際化參與能力，提高教師的教學科研水平，達到以課育人、以課程帶動科研、以課程培養教師和教學團隊的目的。目前，青年教師的教學科研能力都有所提高，職稱得到晉升。

四、課程群建設的意義

課程群建設提高了本學科領域的學生的綜合能力，提升了中青年教師推動學科教學改革的能力。

（一）學生綜合素質的培養

課程群具有綜合性、前沿性、交叉性等優點。學生通過學習三門課程，知識得到了融會貫通，物理化學邏輯思維能力得到了提升，綜合能力也得到了大幅提高。國家的快速發展迫切需要更多的高水平交叉學科型人才，課程群的建設將為學校培養更多高水平交叉學科型人才奠定堅實的基礎。改革后，學生的學習主動性顯著增強，學生的外語交流能力得到了提高。導師認為研究生課題易上手、出成果早。學生獲得了各種各樣的獎勵，選擇繼續深造的學生不斷增多。

（二）年輕教師課堂操控能力的訓練

學校將三門課程按教師的教學設計思想進行組織和包裝，逐步建立了課程群知識庫。教師要通過教學實踐（即課堂）來進一步推理出學習者所需的課程群知識，這對青年教師的課堂操控能力提出了巨大的挑戰。課程群的建設使學校組建了一支愿景共融、相互協作、優勢互補的教師團隊。

五、總結與思考

課程群的建設達到了課程體系層層深入、教育資源得以優化、學校的教學質量得到提高的效果。課程群的建設取得了一定的效果，幫助學校組建了一支穩定的課程教師隊伍，提升了中青年教師的教學能力。在網絡課程的建設上，教師要提供更豐富的課內學習資源和高質量的網絡公開課。課程案例的進一步研究是教師需要去解決的問題，還需要教師繼續努力探索。