研究生“物理化学研究方法在纳米材料领域中的应用”课程群建设探索

严勇，安丽，李钒

（1.北京工业大学环境与生命学部化学生物系；2.北京工业大学环境与生命学部环境化工系，北京 100022）

一、背景

物理化学及其相关研究方法和实验技术是化学学科的理论基础和实践基础，也是环境、材料、生物、能源等学科的重要支撑[1-4]。北京工业大学依托国家一流学科“现代城市建设与环境工程”学科群的建设，直接推动核心学科、带动支撑学科和辐射学校其他学科，促进学科建设水平的跨越式提高。本文探索的课程群由环境化工和化学生物系共建，针对化学、化学工程与技术专业学术型硕士以及部分材料与化工类专业型硕士课程培养环节，并辐射环境、材料等其他相关专业。

本课程群建设涉及物理化学研究方法、纳米材料制备方法、固体结构分析三门课程。通过课程群建设，笔者充分利用并优化教学资源、提高学生的学习效率。笔者通过案例教学、问题导向、翻转课堂的教学模式提高学生的参与度。笔者采用集中备课和教学实例分享，提高青年教师的教学能力，促进课程思政建设。笔者根据教学的递进关系安排双语课堂和全外语课堂，以期达到拓宽师生的国际化视野的目的。

二、课程现状与问题分析

课程群中的三门课程（物理化学研究方法、纳米材料制备方法、固体结构分析）是化学学科和化学工程与技术学科研究生的主要选修课程，也有材料与化工的专业型硕士选修这三门课程。物理化学研究方法是双语课程，是基础理论与实践相结合的课程，主要衔接本科阶段的物理化学课程。笔者在理论基础上进行实验方法分析，从课程、文献到实验设计，最后在考核调研基础上形成检测报告。固体结构分析课程是理论与实践相结合的案例分析课程，是材料微观结构和性能改进不可缺少的工具。教师主要采用以问题为导向的研究性教学方法，培养研究生具有正确选择材料分析方法、测试方法的能力。纳米材料制备方法是案例分析导向课程，该课程系统地介绍了纳米功能材料的制备方法，包括设计操控和表征有段，其强调了纳米材料在医药、催化、能源环境等领域的应用。

从三门课程的设置来看，三门课程互为基础和补充。就教学内容而言，物理化学研究方法课程是学生学好其他两门课程的基础。就合成方法和知识背景而言，物理化学研究方法课程与纳米材料制备方法课程互为补充关系。物理化学研究方法课程和固体结构分析课程的部分内容既存在知识互补的关系，又存在实践深化的关系。其中，物理化学研究方法课程注重分析相关的理论和原理。固体结构分析可形成注重问题导向的解决方法，如晶体结构解析软件应用、显微学晶体结构判断等。固体结构分析课程是物理化学研究方法课程的应用深化。固体结构分析课程中的“色谱”“光谱”和“显微探针技术”是对物理化学研究方法课程的重要补充。

目前，三门专业课程在教学中存在的主要问题集中于：1.学时资源紧，理论基础部分有重叠，教学资源有浪费。2.学生基础不同，受课时限制，教师的讲解不深入，课程目标达成度不够。3.双语课程教学由于受学生基础的限制，效果被弱化。4.顶层设计不够，课程的内在关联性、承接性不强，知识有效结合不突出。5.考核重复，学生课业任务重，综合训练效果未达到预期。

三、课程群建设内容与改革

针对课程的特点和实践中的“痛点”，在课程群建设中，学校要发挥课程和主讲教师的优势，打通各个课程进行全面设计。学校要把三门课程设计成整体的大课，进行资源整合，打通各门课程之间存在的“壁垒”。

（一）课程的协调与顶层设计

针对学科培养特色和人才培养目标，教师要对三门课程的大纲和主干教学案例进行剖析。教师要利用解释结构模型法（ISM）法[5-6]对三门课程的知识点进行整合，使三门课程的知识点得到融会贯通。

首先，教师要将课程中的知识点根据培养环节进行集群模块划分。教师要根据ISM法确定的知识点集群，按照逻辑体系对知识点进行统合重构（图1）。基础单元包括基本实验技术（高温、高压、真空及气氛控制单元）和基础理论（基本粒子、固体分类和晶体学概述单元）。教师要把两个基础单元组合发展为独立并行的知识版块。这些知识版块包括纳米合成技术，热分析、衍射分析和电子显微分析技术，光谱、色谱、质谱、光学显微探针分析技术，电、磁、电化学分析技术，生物相容性及其他性能分析技术。对于课程的考核方式，教师要引导学生在综合训练的基础上，撰写系统的合成与性能表征的总结报告。

图1 课程教学模块设计流程图

（二）课程群优化教学

在按照教学模块划分后，教师要根据课程交叠内容的知识点和课程要求进一步进行协调统合。交叠的模块是热分析、X射线与电子显微分析，涉及三门课程。从教学要求和教学环节设置可以看出，物理化学研究方法课程注重的是仪器的原理，是前模块高温、高压、真空与气氛控制在这几个实验技术和相关仪器分析试验中的应用；固体结构分析课程重视样品分析原理和固体结构分析中的应用本身；纳米材料制备方法课程重视对纳米材料的检测表征以及具体案例分析。同理，在光谱、色谱、质谱、光学显微及探针分析技术中，固体结构分析课程承担结构分析应用，纳米材料制备课程承担纳米材料检测方面的应用举例。概括整个教学过程，物理化学研究方法课程是教学群中的基础课程，承担了基本原理和基本实验的功能；固体结构分析课程是中间的应用基础课程，其作用是巩固分析原理并与实际分析建立联系；纳米材料制备是具体应用这些实验技术与应用仪器分析的专业课程。学生根据要求完成一份综合报告，三门课程的教师根据课程教学要求，评价此综合报告并给出成绩。这样既节约了考核环节的教学时间，又减轻了学生的考核负担。

在前述模块化设计和知识点综合分析的基础上，教师要考虑教学资源配置和课程的协调进度安排。从课程内容在模块化流程中的分布情况来看，纳米材料制备方法课程的教学模块在最后两层，拟安排在最后。物理化学研究方法课程和固体结构分析课程需要先开设，且需要协调进度。在实际中，教师把所有的课程安排在一个学期完成，有利于协调统一考核。在一个学期中，学校将纳米材料制备方法课程安排在后八周开设，将物理化学研究方法课程和固体结构分析课程安排在前八周开设。学校将物理化学研究方法课程安排在周前段开设，将固体结构分析课程安排在周后段开设。教师要利用调休等机制，使物理化学研究方法课程整体比固体结构分析课程的进度快一周，以确保文献检索与总结分析模块提前完成。这样，图1中第二层面的实验技术和理论概述两个模块就可以并行进行。在进入第三个层面的知识模块教学时，物理化学研究方法课程的教师先讲授热分析、衍射分析和电子显微分析技术，固体结构分析课程的教师先讲授光谱、色谱、质谱、光学显微及探针分析技术，再讲授热分析、衍射分析和电子显微分析技术。这样，在相同的讲授内容部分，教师就能保证基础课程物理化学研究方法先讲。固体结构分析课程的教师要在已讲授知识的基础上，组织学生进行实例分析。如此一来，教师就可以遵循知识的先后顺序对三门课程进行讲解，使学生的学习不会出现知识点倒置的问题。

为了凸显以学生为中心的教学理念，教师要将三门课程中共有的理论知识制作成网络学习资源，并进行共享。为了增强演示学习的效果，教师要采用萨蒙帕孜教学媒体选择流程[6]，利用多媒体对已有的基础物理化学概要、基本物理原理、操作单元结构、分析设备工作原理等内容进行展示。教师可以将部分内容作为学生的网络学习资源，节省宝贵的课堂资源，也为没有全部选修三门课程的学生提供更多的学习机会。疫情期间，教师可以尝试运用远程直播开展实验教学，利用好科学技术，实现最佳的教学效果。

（三）课程双语教学与国际化升级

不同专业的学生都可以选修物理化学研究方法课程，学生基础不一，导致双语课程的教学效果会受到影响。教师对物理化学研究方法课程的基础部分进行了中文讲解，并制作了视频课件，在校内教学系统中分享。如果学生提前预习了课程内容，教师就可以在某些环节采用全英文授课。对于学生难以理解的热分析、衍射分析和电子显微分析技术，光谱、色谱、质谱、光学显微及探针分析技术，学校可以邀请国外知名教授进行全英文授课。教师可以采用网络交互课程和录像课程的方式开展教学。在教学过程中，教师可以引入外文文献阅读环节，使学生在学习相关领域的基础知识的同时，能充分了解该领域的热点信息。

（四）提升课程思政水平

案例分析教学是三门课程的共性，教师要发挥科研导向，不断提升案例分析教学的品质。教师开展案例分析教学可以提升学生解决问题的能力。教师要在突出物理化学学科、固体结构分析学科和纳米材料学科的学科知识体系的基础上，将国内外著名学者的科研事例及事例蕴含的辩证思维融入课堂教学中，促进课程思政建设的升级。

每门课程的教师都建立了交流群，教师能在群内发布自学通知，并布置相关的预习任务，学生也可以在交流群中提问。教学不止步于课堂。

（五）教学梯队的稳定与对中青年教师教学能力的提升

教学团队和梯队建设是近年来的薄弱点，重科研、轻教学的现象比较普遍。学校要以科研促教学，实现教科共进，达到提高教师的教学能力的目的。

在课程群建设中，学校优化教育资源配置可以提高教学对人才培养的契合度，提升教师和学生的国际化参与能力，提高教师的教学科研水平，达到以课育人、以课程带动科研、以课程培养教师和教学团队的目的。目前，青年教师的教学科研能力都有所提高，职称得到晋升。

四、课程群建设的意义

课程群建设提高了本学科领域的学生的综合能力，提升了中青年教师推动学科教学改革的能力。

（一）学生综合素质的培养

课程群具有综合性、前沿性、交叉性等优点。学生通过学习三门课程，知识得到了融会贯通，物理化学逻辑思维能力得到了提升，综合能力也得到了大幅提高。国家的快速发展迫切需要更多的高水平交叉学科型人才，课程群的建设将为学校培养更多高水平交叉学科型人才奠定坚实的基础。改革后，学生的学习主动性显著增强，学生的外语交流能力得到了提高。导师认为研究生课题易上手、出成果早。学生获得了各种各样的奖励，选择继续深造的学生不断增多。

（二）年轻教师课堂操控能力的训练

学校将三门课程按教师的教学设计思想进行组织和包装，逐步建立了课程群知识库。教师要通过教学实践（即课堂）来进一步推理出学习者所需的课程群知识，这对青年教师的课堂操控能力提出了巨大的挑战。课程群的建设使学校组建了一支愿景共融、相互协作、优势互补的教师团队。

五、总结与思考

课程群的建设达到了课程体系层层深入、教育资源得以优化、学校的教学质量得到提高的效果。课程群的建设取得了一定的效果，帮助学校组建了一支稳定的课程教师队伍，提升了中青年教师的教学能力。在网络课程的建设上，教师要提供更丰富的课内学习资源和高质量的网络公开课。课程案例的进一步研究是教师需要去解决的问题，还需要教师继续努力探索。