科技文献案例在材料类课程建设中的应用研究

白成英　张晓红　张丽丽　郑婷　王晓东　乔英杰

摘  要：针对科研与教学长期失衡问题，文章探究以科技文献案例为核心的课程改革思路，选择材料合成与制备课程为例。为使学生高效理解掌握课程的大量知识点（合成制备方法、机理、流程和应用等），科技文献案例教学法被引入课程教学中。文章以“水热合成”这一知识点的教学为例，详细介绍以科技文献案例的设计与实施过程。实践表明，案例教学加深学生对水热法合成的理解和掌握，并提供一种科研与教学有机融合的研究生课程建设思路。

关键词：案例教学;教学与科研;材料合成与制备;科技文献;教学改革;新工科

中圖分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：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

建设世界一流大学和一流学科，是中共中央、国务院在新时期对中国高等教育作出的重大战略决策，同时也是继“211工程”和“985工程”后的又一国家战略，“双一流”学科的建设有利于进一步提升我国高等教育综合实力和国际竞争力，为实现社会主义现代化和中华民族伟大复兴提供有力支撑。2017年提出的新工科（Emerging Engineering Education，3E）建设，对新时期高等教育工科专业提出了更高的要求[1-2]。工科高校如何优化高水平科研支撑优秀人才培养，成为工科高校发展和建设面临的重要问题。而在材料类专业，科研与教学长期失衡，存在“重科研，轻教学”现象，材料化工环境生物等专业相对更容易产出科研成果，材料学科高校重心更偏向科研，工科为主的高校“重科研，轻教学”现象更加普遍。因此，在新工科背景下，材料科学与工程专业如何利用科研反哺教学，完善高水平科研支撑拔尖创新人才的机制及实现高校人才培养目标，是急需探讨的教学改革问题。2020年7月，习近平总书记对研究生教育工作作出重要指示，要“完善教育评价体系……引导研究生教育高质量发展”。如何设计研究生课程的评价机制也是课程建设的重点，此外，工程类专业在新工科建设背景下如何发展和建设，是工科专业面临的新课题。教学始终是大学基本职能，也是现代高等教育的中心工作。

工科类课程教学过程中须紧密结合新工科特征，与时俱进，积极吸收新的教学理念，探索新的教学方法，从而促进本专业人才培养体系的转型与提高[3]。传统教学方式强调理论的阐释，对研究生分析和解决实际问题的实践能力培养不够。与传统教学法相比，案例教学法具有具象性、针对性、完整性、真实性、典型性、问题性、时效性、时代性、理论与实际结合等特征[4]。同时，案例教学的效果也优于传统教学方式，能够更好地发挥学生潜能，因而也更受学生欢迎，取得了很好的效果[3-8]。改革开放后，我国许多高等院校引入了案例教学模式，取得了一定的实践经验和研究成果[9-13]。目前，案例教学法已经普遍应用于管理学、社会学、法学和医学等课程教学中。

现代大学长久以来在洪堡理念的影响下，强化科学研究，对科学研究的过分重视，导致研究型大学存在“重科研、轻教学”的不良倾向，这种现象在工科为主的高校尤其严重[1，14]。案例教学在新工科建设背景下得到广泛关注，在研究生培养阶段，案例教学被认为是一种有效的教学改革途径，一直是现代高等教育专业学位研究生教育领域研究的热点重点之一[3-13]。案例教学广泛应用于医学类专业、工商管理、公共管理、会计和图书情报等专业。与此同时，针对环境工程、农业工程、机械工程、化学工程、能源与环保工程、电气工程、材料工程、控制工程、电子与通信工程和计算机工程等工科专业[3-13，15-17]，开展了很多针对案例教学的设计与实践、案例教学方法分析探究、案例教学解构与应用、课程建设与实践、研究生实践基地建设和研究生创新思维培养等的研究。目前开展以科技期刊论文为案例的教学改革处于起步阶段，相关的文献报道较少[4，18-19]。

如何平衡科研与教学，实现科研反哺教学是研究生教育面临的难点之一，与此同时，依托科技文献作为案例亦得到广泛关注，本研究以哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院研究生专业必修课材料合成与制备为例，选择近五年英文科技文献为案例素材，提供一种科研与教学有机融合的研究生课程建设思路。

一、科技文献案例教学主要思路

针对材料合成与制备方法，精选科技文献为案例，在此基础上进行课程设计，实现科研与教学有机融合，有效调动学生主动学习探索思考积极性，培养学生综合能力。以最新中英文科技文献案例教学为核心的教学模式，可讓学生更直观快速地形成感性认识，结合文献资料，更有利于快速获取掌握知识点、重点，提高学生文献阅读、理解、归纳、分析、总结与创新能力，结合文献的创新性，培育创新性思维及分析解决问题能力。结合科技文献，能进一步加深学生对理论知识的理解，“理论-实践-理论”的模式有助于学生能够灵活应用所学知识[19]。

教学与科研互相促进新格局的实现路径探索。本文以最新科技文献案例为核心的教学模式能有效弥合教学与科研之间的失衡，实现科研反哺教学新格局。将科技文献案例成功应用于课堂教学，学生还能通过文献的题目摘要及关键词提高其专业英语能力。依托雨课堂、腾讯会议、微信群线上平台，实现资料的共享，使学生自主学习（课前预习，课后讨论、课后复习和课后扩展）。以科技文献为课上素材案例，学生能掌握相关知识点最新动态，同时教师可以更深入解析知识点。以案例为核心的教学模式涉及多种教学模式（理论教学、双语教学、研讨式教学、翻转课堂、实践教学和线上教学），教学设计包括课前准备（线上资源库建设）、课堂实施、案例设计、分组讨论、实验实践、过程考核以及课后评价与反馈等多个环节（如图1所示）。图1给出了以科技文献案例为核心的教学模式图，主要思路包括：

（一）知识点高度切合的最新科技文献案例的构筑

针对材料合成与制备课程知识点（制备技术定义、原理/机理、特点、工艺流程/步骤、应用）找到密切相关的最新（近五年）科技文献案例，初步建立案例库，进一步优选后，确定为本课程的课题案例，将理论教学（知识点讲授）、案例教学（科技文献案例）、线上教学（雨课堂、腾讯会议）与科技文献案例教学有机融合（图1）。在中国知网、Web of Science等数据库检索，具体案例讲述过程中使用中文核心期刊和SCI（Science Citation Index，科学引文索引）英文期刊，选择相应的文献下载，对文献进行比较粗筛，每个知识点下载的文献大于30篇。最终优先选出知识点切合的文献3至5篇。通过科技文献案例转换成相应多媒体素材并在此基础上，进一步丰富案例库，如利用JoVE视频实验期刊数据库和相关制备技术视频实现部分实验视频资源案例建设。

（二）依托科技文献案例教学模式、教学设计的建设

课程设计以学生为中心，课程内容以案例为中心，构建体现科研与教育教学融合的课程结构。通过雨课堂、微信群、课堂讲述、小组讨论和翻转课堂多维度开展教学。建立课件、文献、视频、线上线下等多维课程资源，教师和学生同步学习案例，建立多方位的师/生和生/生互动渠道。针对材料的不同制备技术，优选文献案例，构建多以文献案例为核心的新型教学模式，引导学习者自主学习、深入思考，以碎片化的学习方式实现个性化学习，促进教学相长，科研与教学互相促进。

（三）教学评价兼顾“结果”和“过程”，注重综合能力培养

利用科技文献案例，有助于实现多元化课程评价，本门课程满分100分，其中30%平时成绩主要包括课堂表现、课后小测等，利用科技文献案例更有助于实施连贯性评价，引导学生注重学习过程的收获。科技文献里涉及的工艺图、创新点和图片摘要等提供了很好的过程考核及期末考试论述题素材。文献案例提前上传到雨课堂或者微信群，强化自主学习及预习能动性，同时有助于课后复习理解。注重理解及创新，在测试或考试中，可以实现考察学生英文关键词阅读掌握、分析问题、归纳总结等综合能力培养。以知识传授为媒介，借助科技文献案例，既能丰富课程思政元素，又能为未来课题研究、分析解决实际问题提供先导性指引，更注重学生综合能力培养。

二、科技文献案例教学实践

本文选择沉淀法为例，使学生深刻理解并牢固掌握沉淀法章节知识点。

（一）案例精选

在30多篇文献中最终优选出2021年发表在中文核心及EI（Engineering Village）收录期刊《材料工程》题为：纳米花/棒SnO2的水热法制备及其气敏性[20]为案例1;2021年发表在国产SCI期刊《Rare metals》题为：Preparation of {200} crystal faced SnO2 nanorods with extremely high gas sensitivity at lower temperature[21]为案例2。案例与课程内容（水热合成）高度切合，同时代表了最新科技文献前沿方向。该案例能进一步理解水热的定义、水热反应类型（水热沉淀）、水热反应机理（利用晶体形成及生长机制）、工艺流程、影响因素（温度、时间、前驱物）、性能评价（XRD、SEM、比表面积）、水热法特点、应用（粉体、薄膜、传感器），此外本案例还涉及沉淀法，能与本课程前期开展的沉淀法制备纳米材料形成对照，进一步加深对课程内容的理解。

教师团队优选好相关的制备技术英文科技文献案例信息（图1）和阅读资料，整理学生课前需要阅读的文献与精选的案例资料上传到雨课堂或者微信群中;进一步收集案例信息，设计案例资源优选确定课程过程中使用的案例，并制作PPT课件，根据文献绘制出（图2）或者利用文献本身提供的工艺流程图（图3）。

（二）案例素材课堂设计

将上述案例引入课堂教学，通过对案例的讲述（题目、摘要、创新点、图表分析和结论），最后对案例的过程中与理论知识有机结合。在案例教学过程中选择合适的创新点、英文部分（题目、摘要和关键词），课题讨论提问的形式进一步优化课堂教学效果。图2为教师团队结合案例1文献重新绘制的流程图。案例1的创新主要为引入氧化锡晶种实现在导电玻璃上构筑花/棒氧化锡构筑，此外文献还对利用直接沉淀法制备氧化锡进行对照研究，知识点包括（制备流程、影响因素（水热时间、水热温度、氢氧化钠用量）、沉淀法与水热法对照、表征（X射线衍射仪、热重分析、比表面积、扫描电子显微镜）、应用（丙酮气体检测））[20]。案例2选择的是英文文献，利用水热法制备出二氧化锡纳米棒知识点包括（制备流程、与商品购买的氧化锡对照、不同浓度盐酸、表征（X射线衍射仪、热重分析-差热分析法、红外光谱、比表面积、扫描电子显微镜、透射电镜-能谱仪）、应用（三乙胺、乙醇、丙酮、异丙醇、甲醛和氨））[21]。

（三）課程思政内容的丰富

科技文献案例的加入可以将以知识点为主的课程思政内容进行丰富。包括科技文献案例创新点、科技文献研究思路、科技文献案例的背景及应用等。

（四）过程考核设计

考核形式1：查找一篇近三年涉及水热合成SCI文献，结合英文文献绘制PPT。

要求1：给出期刊名字，题目及翻译。可以提供图片摘要（graphical abstract）。

要求2：给出首页摘要及关键词截图，翻译关键词。

要求3：画出制备合成流程图（给出不认识的词汇相应翻译）。

要求4：论文技术路线图及不认识词汇翻译。

要求5：提供创新点（highlight）并翻译。

要求6：在雨课堂教学平台，针对选取的文献进行讨论区留言（对文献的看法、自己的收获、文献可以改进的地方、本门课程建议、评论其他人留言等）。

考核形式2：基于科技文献案例，在雨课堂教学平台设计课上测试，如图4所示，设计结合文献[22]工艺简图的课上测试题目。

图4 结合英文期刊案例进行课上测试题目设计[22]

（五）期末考试设计

依托案例素材如图3所示，进行期末考试题目设计。

论述题1：如图5所示涉及什么制备技术，该制备技术的定义及工艺流程是什么，结合图5论述该合成/制备方法的优缺点。

论述题2：从以下试剂中SnCl4·5H2O、SnCl2·2H2O、甲醇、去离子水、碳酸钠、尿素、无水乙醇、NaOH、草酸、氨水、盐酸、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）选取合适的材料，设计出一种制备纳米氧化锡（SnO2）的技术（工艺），给出该制备技术的定义及工艺，并论述该制备技术的优点或缺点（二选一）。

论述题3：选择一种制备纳米材料的制备方法，给出该方法的定义，描述其合成或制备路线（包括工艺流程图、具体步骤等），结合原材料、制备/合成工艺和制品特性等论述该方法的特点。

（六）结合课程反馈持续改进

本门课程平时成绩30%，期末考试70%，采用过程考核和期末考试（闭卷）结合的形式，采用多渠道（问卷调查、讨论区、微信群和课下交流）实施反馈，评价教学效果，提出改进措施。文献案例库，定期优化更新，针对学生反馈及实际授课及课程评价效果，对以科技文献案例为核心的知识结构进行查缺补漏，优化文献案例教学设计。

三、结束语

弥合教学与科研失衡问题为切入点，设计以科技文献案例为核心的教学模式，有助于学生有效掌握材料合成与制备课程理论知识。从“水热合成”的案例教学设计与实施过程可以看出，一方面学生更容易理解相关知识点，另一方面有利于学生综合能力培养，同时还可以结合文献案例优化评价过程，使其对所学知识能够融会贯通、学以致用，并能激发学生的学习兴趣和热情，充分调动学生自主学习与科研创造的主观能动性。学生能够利用水热合成知识分析和处理实际材料制备合成问题，设计新材料，有助于学生综合能力培养。以科技文献案例为核心的教学模式为平衡教学科研提供一种有效途径。

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基金项目：哈尔滨工程大学研究生高水平核心课程建设项目“《材料合成与制备》”（无编号）;哈尔滨工程大学教改项目“以科技文献案例为核心多维混合教学模式在工程类选修课中的探索与研究”（JG2021Y083）、“基于先进高分子材料课程的三元协同教学模式探索与实践”（JG2021Y086）、“基于教学与科研融合的复合材料设计课程建设”（JG2020B74）

作者简介：白成英（1986-），男，汉族，河北邢台人，博士，预聘副教授，硕士研究生导师，研究方向为多孔陶瓷，多孔地质聚合物及其复合材料，固废资源化等。