探索科教融合促進研究生課程建設：以生物質碳材料為例

＊邱云峰 劉播 馬卓 應余欣 李晶 劉紹琴*

（1.哈爾濱工業大學醫學與健康學院 黑龍江 150080 2.江蘇科技大學環境與化工學院 江蘇 212100 3.哈爾濱工業大學生命科學與技術學院 黑龍江 150001）

研究生教育是國民教育的最高層次，在高等教育中占有舉足輕重的地位。課程是研究生教育的重要“抓手”，然而機械化的灌輸理論基礎知識和技能并不能充分發揮“抓手”在人才培養中的作用。以醫學與健康學院開設的《納米材料概論》研究生課程為例，其理論難度高、專業性強、學習時間集中，要求研究生在第一學年完成課程學習，掌握納米材料的量子尺寸效應、小尺寸效應、宏觀量子隧道效應、化學效應等，及其在納米醫學、可穿戴器件、催化、能源等領域的功能應用。研究生課程建設需要兼顧理論知識的傳授和科研創新能力的培養，有必要將科研成果引入教學，從“微觀”上進行教學內容的重構，有利于從“宏觀”上更好地提高研究生的科研創新能力。

1.科教融合教學模式的探索和設計

研究生教育和本科生教育比較，其突出特點在于“研究”，而且整個研究生培養過程是一個復雜的體系。為了避免將本科課程和教學內容翻版為研究生課程，必須在教學內容中以理論知識為基礎，以總書記提出的“四個面向”為導向，以科研成果為支撐，引導學生以敏銳、批判性的眼光審視科研成果，完善創新思維。調研國內研究生課程，發現多數側重理論知識深入化，缺乏與最新科研成果的融合，導致國際熱點研究方向與課程內容之間缺乏關聯度。如果生硬的講授最新科研成果將導致研究生沒有參與感，學習成果差異大，不利于培養研究興趣，對研究生的課題執行也缺乏有效的幫助[1]。反之，如果能夠在課程內容中有機融合科研成果，在基礎研究和應用成果之間構建學術橋梁，可以更好地促進研究生理解基礎理論，有助于推動未來科學研究的社會價值實現。因此，為了實現1+1＞2的目標，如何有機整合基礎理論和科研成果是教師在研究生課程教學中需要思考的重要問題之一。

我們教學團隊采用“學”與“習”混合教學模式，引導學生通過“習”將課堂“學”的內容應用到碩士科研工作中，驗證“學”到的基礎理論知識，擬在教學內容中融合本團隊及本領域的最新科研成果作為基礎理論知識的有效補充，并且圍繞“四個面向”的重大需求闡述科研成果在各領域的社會價值[2-4]。課程教學設計包括課程內容重構、線上資源制作、線下課堂講授和互動討論、課后在線討論“習”的效果。具體教學環節如下：（1）課程內容準備環節計劃把納米材料物化性質中涉及的久保原理、量子霍爾效應等冗繁的公式推導過程制作成視頻，以6～10分鐘左右的微課視頻形式作為在線學習內容，建立課程微信交流群，利用微信公眾號、雨課堂等提供給學生課前學習，更好的利用實體課堂時間學習系統的基礎理論知識。另外，提前兩周在微信群里為同學們推送國內外高質量論文，拓展學生科研視野，提高英語科技文獻閱讀能力。最后根據課程內容篩選代表性科研成果，補充到相關知識體系部分，成果要與知識體系存在內在聯系，實現科研反哺教學。（2）開展“學”與“習”混合式教學。除了線上學習與線下互動教學，還開展課后在線討論“習”的效果，學生將在碩士課題中通過“習”驗證理論知識，教師通過雨課堂、微信群互動討論。（3）根據學生的反饋，采用縱向和個體反思潤色教學內容，篩選更合適的科研成果，優化線上互動方法。（4）課程結束后進行深度教學反思。哈工大教務系統包含教學評價模塊，認真反思督導和學生教學評價，進一步優化教學內容。

2.以生物質碳材料為例，探索科研成果促進研究生課程建設的作用

生物質碳材料在傷口收斂、殺菌、新能源、納米催化等領域具有重要的應用前景，是《納米材料概論》課程中重點講授的內容，以生物質碳材料部分教學內容為例，引入科研成果與教學融合[5-6]。

(1)線上線下混合模式講授生物質碳化原理

教師通過微信群和雨課堂講授碳原子雜化原理、雜原子摻雜原理、碳化分解路徑等內容，同時設計碳原子電子和自旋調控的思考題，引導學生提前思考和討論。在研究生課程《納米材料概論》實體課堂上進一步凝練上述原理，加深學生的理解。

(2)根據思考題和線上生物質碳性能調控文獻引導學生制作討論報告

在學生了解雜原子摻雜方法和原理后，引導學生思考為什么N、S等多個雜原子摻雜的生物質碳材料比單雜原子摻雜的碳材料表現出更好的催化性能[7]。以生物質碳電催化還原氧氣為案例，引導學生分組討論雜原子摻雜的物種類型、表征方法，以及雜原子調控表面電子結構的物理化學原理，及其對電催化性能的影響規律等，并要求每組制作PPT。

(3)教師結合科研經歷點評學生報告

采用實體課堂線下匯報和小組討論，教師點評學生報告的科學性、原創新和知識框架的完整性，結合教師的科研經歷給予指導意見，學生進一步完善PPT，上傳到雨課堂或微信群，教師根據大家潤色修改的報告給出最終的評價。

(4)線下討論科研成果案例

學生在積累足夠的碳原子摻雜和制備及電催化功能應用的基本知識后，以如何獲得目標電催化活性為案例，進一步引導學生深入理解多雜原子摻雜和多孔結構在電催化性能調控方面的具體作用。

圖1 N,P,Cl共摻雜生物質碳材料的XPS譜圖

在該科研成果案例中，教師利用生物質為原料，采用熔融鹽輔助焙燒的方法，微調多雜原子摻雜狀態和介孔/微孔結構，可以調控電催化氧氣還原4電子和2電子的路徑，所制備的材料既可以作為微生物燃料電池的陰極，又可以作為雙氧水電化學合成的陰極。如圖1所示，XPS結果證實生物質原料經過焙燒以后可以同時摻雜N，P，Cl元素，根據文獻調研發現，雜原子與碳原子具有不同的電負性，可以改變臨近碳原子的局域電子結構。另外與單雜原子摻雜比較，多雜原子摻雜具有協同電子調控作用，可以更加有效的穩定電催化反應中間體，減低反應活化能壘，促進電子轉移[8]。

如圖2所示，通過改變熔融鹽和前驅體的配比，可以調控焙燒后生物質碳材料的比表面積，分析數據發現介孔和微孔孔體積與焙燒條件直接相關。孔結構對電解液離子擴散及氣體吸附和脫附方面具有重要的影響，在電催化氧氣還原反應中的反應物是氧氣，其擴散和吸附與孔結構具有很強的依賴關系。在獲得多雜原子摻雜和不同孔結構的生物質碳材料后，如圖3所示，根據旋轉環盤電極數據計算了氧氣還原的電子轉移數。通過提高焙燒溫度、引入熔融鹽使生物碳從4電子向2電子的還原路徑轉變，對于定向合成電極材料具有重要的指導意義。

圖2 （a）焙燒碳材料實驗組和對照組的氮氣等溫吸附脫附曲線；（b）不同工況條件焙燒生物質碳材料的比表面積

圖3 （a）雜原子摻雜碳電催化氧氣還原反應示意圖；（b）生物質碳電化學氧氣還原反應4電子和2電子轉移數

引導學生拓展生物碳教學內容，是否可以利用生活中常見的生物質原料制備高性能生物碳催化劑。例如，黑龍江地區大量的秸稈等廢棄生物質，不但可以緩解因秸稈焚燒造成的空氣污染問題，還可以得到高附加值的催化劑，有利于提高學生的科研探索精神。

3.結束語

課程團隊在《納米材料概論》的研究生課程建設中，開展了科教融合模式促進教學效果的探索。遵循培養創新型人才的宗旨，在教學內容中引入科研成果，緊密結合納米材料物理化學性質，以科研促教學。本課程采用“學”與“習”混合教學模式，使學生由過去枯燥的吸收理論知識方式，轉變為“主動參與、自主設計、批判評估”方式，充分調動其主觀能動性，深刻理解教師科研成果的設計理念、實施方式及成果應用思路，與研究生進行的碩士課題建立緊密的聯系，將所“學”的方法和知識理念，通過“習”的方式應用到實際的科學研究中，并檢驗其有效性。綜上所述，本課程的建設方案有利于培養學生的批判精神，激發學生的探究意識，幫助學生在科研領域取得更突出的原創成果，有利于培養國家需要的創新型人才。