基于教研思融合的纳米光电材料新工科课程创新探索

摘 要：以服务国家重大战略需求为导向，近年北京工业大学开设纳米光电材料本科专业课程，为培养国家战略急需的纳米科技和半导体相关领域的高素质专业人才提供必要的知识储备。该文基于作者2021—2023年承担纳米光电材料课程积累的一些教学实践经验，通过教学、科研与思政三者相互渗透与融合的新型教学模式，围绕课程目标定位、课程内容设置和教学方法探讨进行阐述，旨在为新工科课程教学创新模式建设及复合型高素质新工科高级人才培养提供一定借鉴。

关键词：纳米光电材料；教研思融合；新工科课程；教学创新；复合型人才

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）32-0078-04

Abstract： In order to serve the major strategic needs of the country， Beijing University of Technology has opened the undergraduate course of "Nano-Optoelectronic Materials" in 2021—2023 to provide necessary knowledge reserve for training high-quality professionals in nanotechnology and semiconductor related fields， whichisurgently needed by the national strategy. Based on the author's teaching experience accumulated in the course "Nano-Optoelectronic Materials" in the past three years， this paper expounds on the course target positioning， course content setting and teaching methods through the new teaching mode of mutual penetration and integration of teaching， scientific research， ideology and politics. The purpose is to provide some reference for the construction of teaching innovation model of new engineering curriculum and the training of composite high-quality senior talents of new engineering.

Keywords： Nano-Optoelectronic Materials; integration of teaching， scientific research， ideology and politics; new engineering disciplines; teaching innovation; interdisciplinary talents

基金项目：国家自然科学基金面上项目“基于电压门控离子导体膜的双稳态无机电致变色器件研究”（62075002）；北京工业大学课程思政示范课程培育项目“纳米光电材料”（KC2021SZ005）

第一作者简介：张倩倩（1988-），女，汉族，黑龙江鹤岗人，博士，教授。研究方向为离子膜材料与技术。

我国的高等教育以培养“科学基础扎实、实践技能过硬、创新能力突出、家国情怀浓厚”的高素质人才为目标。当今世界格局深刻变革、世界科技迅猛发展，要求我国高等教育特别是本科教育应紧密对接国家战略需求、对标国际局势发展、优化学科专业布局、创新人才培养模式，致力培养学生具有历史使命感和社会责任心的必备品格，以及适应社会发展和国际竞争需要的关键技能。2017年2月，《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》指出，“以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，对工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新”[1]。2020年1月，《教育部关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见》提出，“强基计划主要选拔培养有志于服务国家重大战略需求且综合素质优秀或基础学科拔尖的学生。聚焦高端芯片与软件、智能科技、新材料、先进制造和国家安全等关键领域”[2]。为此，围绕国家重大战略需求进行新工科建设，既是高素质专业人才培养目标的要求，也是教育教学改革的重要方向之一。目前，许多高校根据自身学科特色开设了一些新工科专业课程，旨在为我国战略产业发展和国际竞争提供智力支撑和人才保障[3-5]。

光电材料是一类重要的功能材料，在电子信息、新能源及现代国防等领域皆具有重要应用，是当前各国高技术新材料研发和竞争的热点之一，也是光电信息等新型工科专业和新能源等新兴工科专业建设的基石。纳米科学与技术的迅速兴起和发展为新材料的创制和传统材料的新功能开发带来了诸多可能，其中，光电材料因纳米化展现出的新奇特性引起了学术界和企业界的广泛关注和高度重视。因此，纳米光电材料是光电材料与纳米科技的重要结合，是推动现代信息技术、绿色能源和新兴材料等领域蓬勃发展的关键元素。开设纳米光电材料类本科专业课程，对于普及光电半导体和纳米技术相关理论知识和专业技能，培养服务国家重大战略需求的创新型人才具有重要意义。基于此，笔者所在的北京工业大学材料与制造学部自2021年春季学期开始为纳米材料与技术专业本科生开设了专业限选课纳米光电材料课程。希望通过该课程的学习，学生能够系统地掌握纳米光电材料的相关理论知识，了解其应用领域及发展趋势，为将来进入半导体、新能源、电子信息等行业奠定基础。

笔者基于2021—2023年承担纳米光电材料课程积累的一些教学实践经验，对该门课程的建设和教学方法的探索进行了分析和总结。通过课程中合理设置光电信息、新能源、智能制造等新工科专业相关内容，采用教学、科研与思政三者相互渗透与融合的新型教学模式，使学生在有效摄取专业理论知识的过程中培养创新、开放、共融的新工科思维。期望本文能为纳米光电材料类新工科专业课程的设置及相关领域高素质复合型人才的培养提供一定借鉴。

一 课程目标与新工科定位

纳米光电材料课程不仅涉及到数理和化学等基础学科的理论知识，同时也包含了纳米材料和光电半导体等新兴学科的前沿技术应用，是光电信息、新能源、智能制造等新工科专业的基础。通过本课程的学习，可使学生在掌握纳米光电材料相关专业知识基础之上，了解纳米科技与光电材料的前沿发展动态，明确国家发展对纳米光电材料的重要需求，提升创新精神和实践能力，进一步拓宽国际视野，为进行更高层次的学习和工作奠定坚实基础。

（一） 与时俱进的新工科知识

纳米光电材料是光电材料与纳米材料的有机结合，涵盖了光电信息、新型能源、智能制造等丰富的新工科专业知识，日新月异的科技发展使得相关领域新知识层出不穷，因此，需要不断更新知识体系实现与时俱进的新工科知识获取。课程介绍光电材料和纳米材料的基本光电性质，使学生建立基本知识体系；重点讲述纳米光电材料的新生光电特性及产生原理，使学生及时获取纳米光电材料新知识并整合于原有知识体系，达成常学常新的学习目标。课程讲述纳米光电材料的经典制备方法和常规表征手段，也介绍新型制备方法和先进表征技术，为学生进行纳米材料相关理论和实践课程的学习奠定良好的专业基础。在学习纳米光电材料的基本概念、重要特性和制备表征技术的基础上，课程将进一步介绍纳米光电材料在光电信息和新能源等领域的应用前沿，其中涉及到的新型纳米光电子器件相关知识摄取，为学生从事未来新技术和新产业相关工作提供必要的知识储备。

（二） 坚实广阔的科研素养培养

通过丰富的课程内容设置和创新的教学方法开展，强化学生的科学思维能力、创新创造能力和理性认知能力，在获取专业知识的同时培养坚实广阔的科研素养。课程学习半导体物理相关理论知识，比如P-N结、纳米光电量子点等，都需要严谨的逻辑推演方式讲授，在汲取相关知识的过程中可以培养学生理性思考、严密逻辑性等科学思维能力，对于今后进行更加深入的专业知识学习和从事更高层次的科研工作大有裨益。课程重点要素纳米科技是近几十年发展起来的一门高新技术，其发展历程伴随着无数的技术革新和突破，从纳米材料的制备到表征再到应用，重点讲述颠覆性革新技术和做出开创性贡献的科学家相关知识，鼓励学生不囿于现有科学技术，勇于创新创造，培养锐意进取的科研精神和坚实广阔的科研素养。

（三） 潜移默化地厚植家国情怀

本课程的开设宗旨是面向新一轮科技革命和产业变革，培养服务国家重大战略需求的高素质专业技术人才。在专业知识学习和综合能力提升基础之上，课程内容中自然地融入“思政”元素，潜移默化地培养学生的家国情怀[6]。纳米光电材料课程内容与新能源、半导体、信息技术等国家战略发展领域息息相关。例如，引入太阳能光伏电池是助力国家实现“双碳”目标的重要途径之一，纳米光电材料则是发展最新一代光伏电池技术不可或缺的要素，使学生进一步明确课程地位和重要性。同时，也要让学生对我国受制于国外的一些“卡脖子”技术具有清醒的认识，比如通过引入“华为”事件、“中兴”事件等案例，倾情讲述当前我国光电半导体纳米芯片技术发展的艰难局面，引导学生将家国情怀根植于心。

（四） 教研思融合的大格局视野

当前，国家全面推进“双一流”建设和高等教育国际化建设，将国际化元素有效融入课程建设，树立全球视野和大国格局，是培养国际型专业人才的必然要求[7]。课程主要从教学内容和教学模式创新两方面构建本土和国际文化相融合的课程体系。教学资料以经典纳米材料和光电材料类教材为主，结合相关领域的英文书籍和前沿文献，使学生在知识获取过程中提升国际文化素养。比如在讲授纳米光电催化材料的消毒杀菌应用中，通过全球新冠感染疫情防治案例，引导学生建立“人类命运共同体”意识，以国际视角和大国格局审视科技、文化、政治和意识形态的多元化发展。采用课堂讲授为主、多媒体教学和研讨相结合的多维教学模式，将国际化元素有效融入课程内容。

二 教研思融合与新工科思维的课程内容

纳米光电材料是一个多学科交叉的研究领域，涵盖了材料、数理、化学、光电子等庞大的知识体系[8]。因此，如何利用有限的课时合理设置课程内容，使学生能够系统地学习基础理论和前沿理念是本课程建设的关键。本着凝练重点、提升深度、拓展前沿、强化应用的课程内容设置原则，教学内容主要包括以下四个部分。

（一） 整体架构与思路

从纳米尺度和光电性能的内涵出发，介绍纳米技术和半导体光电技术的发展历程和重要概念，重点引出二者结合衍生出的新型纳米光电材料的定义、分类及应用前景。通过本章节内容学习，学生掌握纳米光电材料基本概念和常见材料种类，了解纳米光电材料的应用领域和发展前沿，建立兼具深度和广度的课程内容学习框架。在介绍纳米光电材料发展中引入重要历史性大事件相关话题讨论，引导学生积极思考，激发学生对本课程的学习兴趣。通过介绍纳米光电材料对国家战略发展领域的重要作用，使学生认识到课程学习的重要性，并培养深厚的家国情怀。

（二） 从纳米光电材料的特性引入新工科思维

纳米光电材料兼具纳米效应和光电效应，二者协同促使材料的光电性能增益并可衍生出一些新奇的光电特性，在光电信息、新能源、智能制造等领域具有重要应用前景，因此，这部分内容是本课程学习的重点，涉及到的光电特性原理也是本课程的难点。介绍纳米材料的基本效应和光电材料的基本性能，引入系统性思维和创新性思维方法，强化对量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等抽象概念的理解。使学生掌握纳米光电材料的基本特性，重点理解纳米化对材料光电性能提升的原理机制，并能够独立分析一些新奇光电特性产生的原因，培养学生构建多维度的新工科思维方法。

（三） 从纳米光电材料的制备引入科研之艰难性

纳米光电材料的制备技术决定着其形貌结构及光电性能。本部分内容按照材料生成介质的物相差异分类，分别介绍经典的气相法、液相法和固相法制备典型纳米光电材料的流程，另介绍光刻、激光3D打印等先进制备技术。结合科研实例，详细讲解材料的生长过程及各生长阶段的结构特点，重点讲解影响材料生长及显微结构的关键因素，以及制备过程重要注意事项。通过基础理论讲解，学生掌握典型纳米光电材料的制备技术，理解不同结构纳米光电材料的生长机制，做到能够根据材料结构和性能需求完成制备工艺流程的设计，为今后从事相关工作提供必要的知识储备。科研实例引入使学生明确高性能纳米光电材料研发的复杂性和艰难性，鼓励学生建立知难而上的坚韧信念，为今后开展科研技术攻关奠定坚实的思想理论基础。

（四） 从纳米光电材料的应用引入思政之重要意义

“学以致用、用以促学”是课程学习的目标和宗旨，通过该部分学习进一步强化纳米光电材料基本概念和重要特性的认知，并明确纳米光电材料对国家发展战略的重要意义[9]。重点介绍纳米光电材料在能源、催化、传感三大领域的应用，并拓展其在人工智能和量子信息等前沿领域的应用探索。通过学习，使学生了解纳米光电材料在实际应用中发挥的关键作用，掌握纳米光电子器件集成的关键技术及工作原理。在介绍其应用领域的国内外研发历程和进展前沿时，重点介绍阻碍国家发展的“卡脖子”技术难题，使学生明确纳米光电材料未来发展面临的机遇和挑战，建立努力实现科技自立自强、加速突破关键核心技术的决心和目标。

三 教研思融合新工科创新教学方法探索

在合理的教学内容设置基础之上，不断探索先进的教学理念和有效的教学方法，是开展教学改革和完善课程建设的关键所在。以下内容是笔者历经三轮教学工作探索出的一些教学方法心得，旨在为该类课程建设提供一些经验借鉴。

（一） 新工科思维、实例融合

纳米光电材料的基本概念涵盖了纳米材料和光电半导体相关的基础理论知识，涉及到许多固体物理和量子力学方面的抽象概念，采用传统教学思维讲解常规定义不免晦涩难懂。因此，需要采取新工科思维对重点抽象概念的讲授方式进行设计构思，选取恰当的、贴近实际生活的事物现象或具体实例作为切入点，理论联系实际，创建画面感观印象，帮助学生更形象地理解抽象基础理论知识[10]。例如，分析光电半导体直接带隙和间接带隙概念差异时，引入纵向电梯直达目标点和横向步行辅助到达目标点的形象实例作为参照，使学生能够更加直观形象地理解有/无声子参与的两种电子跃迁方式。此外，引入实例辅助抽象概念认知理解的同时，也能增强学生的学习兴趣，提升课堂教学效果。

（二） 问题导向、教研思融合

将纳米光电材料专业理论知识与基础科研和实际应用相结合，能够利用所学基础理论指导相关领域重大科学问题和产业技术难题的解决，达到学以致用的目标，是开设本门课程服务国家战略发展的宗旨。相反地，产学研融合的教学模式也能够帮助学生加深基础理论知识理解，达到用以促学的目的。相比于专业理论知识的讲授，融合基础科研与实际应用相关内容的授课方式更加灵活多样。通过问题导向，建立基础理论与实际应用之间的联系，使学生明晰我国纳米光电材料相关领域在基础科研方面存在的重大科学问题和产业化应用方面存在的关键技术难题，从而清楚地认知未来的奋斗方向，为培养相关领域科学研究和技术攻关的专业人才奠定基础。

（三） 多维教学、强化融通

教师和学生都是参与课程建设的主体，重视学生从教学活动中获得的学习体验，使其由被动接收知识转变为主动获取知识，是强化课程内容学习的重要途径。为了充分挖掘学生的主观能动性和创造性，本课程采用多维教学模式，通过课堂讲授为主，线上线下、理论实践、全时课堂和反转课堂等多种教学模式相结合的方式，加强学生对基础理论和专业知识的融会贯通。为了打破授课时空限制，开展全时教学模式，课堂教学之外布置前沿探索课题，如最新一代钙钛矿太阳能电池进展探索等，鼓励学生通过自主查阅文献资料和分组调研等方式主动摄取知识，紧跟科学前沿和产业发展动态，促进教研思融合。通过课程建设主体意识的逐步建立，提升学生的教学活动参与度，强化对课程重点内容的掌握与难点内容的理解，促进对最新前沿理论和应用的探索，培养学生建立创造性思维和全局性视野。

四 教研思融合的新工科创新教学成效

笔者通过教研思融合的新工科创新教学模式，开展纳米光电材料课程建设探索，近年取得了较为良好的教学成效。通过课程学习，学生在专业理论知识摄取、新工科思维建立和综合能力培养方面皆得到了提升。

（一） 专业理论知识扎实

通过新工科课程内容设置和多维度教学模式开展，学生能够较好地掌握和理解课程的重点和难点内容。2021—2023年课程考核全部合格，其中优秀人数（≥90分）占比47.5%，闭卷考试平均成绩达到86.3分，反映了学生通过课程学习能够较为扎实地掌握纳米光电材料相关专业理论知识。

（二） 科学研究能力提升

教学和科研融合互促的授课模式使学生对科学研究产生了浓厚的兴趣，超过90%学生进入校内或校外科研团队积极参与研究课题。2021—2023年，笔者指导多名本科生开展新能源相关科研工作，其中8名学生参与撰写和发表一区SCI研究论文5篇，申请发明专利3项，通过锻炼，学生的科学素养和科研能力得到了显著提升。

（三） 创新创业意识增强

基于新工科思维的培养和思政教学的开展，学生积极参加大学生创新创业大赛和社会实践活动。2021—2023年，笔者指导学生参加第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛，荣获北京赛区银奖和铜奖各1项；指导学生获批“国家级大学生创新训练项目”4项和校级科技竞赛项目6项，荣获2022年度校级“鼎新杯”一等奖（全校唯一）。通过教学实践训练，学生的创新创业能力得到显著增强，达成了“学以致用、用以促学”的教学目标。

五 结束语

纳米光电材料是发展先进纳米技术和光电半导体技术的基础，与光电信息、智能制造、新能源等国家人才紧缺的新兴产业息息相关。因此，做好纳米光电材料本科课程建设，既是新工科专业人才培养的必然要求，也是国家教育教学改革的重要方向。本文基于纳米光电材料课程的特点，对课程的教学目标定位、教学内容设置以及教学理念方法创新进行了探讨。采用教研思相融合的新型教学模式，设置光电信息、新能源、智能制造等新工科专业相关课程内容，结合科研实例强化专业理论知识理解，融入思政元素促进家国情怀培养，使学生在掌握专业理论知识基础上建立创新、开放、共融的新工科思维体系，为国家战略产业发展输送高素质复合型科技人才。

参考文献：

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[2] 教育部.关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见[Z].2020.

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[8] 牛淑云，彭鲲，寇瑾.纳米光电材料研究简介[J].辽宁师范大学学报（自然科学版），2003，26（1）：63-67.

[9] 梁淑轩，赵春霞，张金超，等.产教融合下案例教学构建实施中关键问题研究[J].高教学刊，2023，9（1）：135-138.

[10] 刘秀清，葛文庆，李波.基于能力本位培养的新工科人才培养模式改革与实践[J].中国大学教学，2023（11）：30-37.