基于教研思融合的納米光電材料新工科課程創新探索

摘 要：以服務國家重大戰略需求為導向，近年北京工業大學開設納米光電材料本科專業課程，為培養國家戰略急需的納米科技和半導體相關領域的高素質專業人才提供必要的知識儲備。該文基于作者2021—2023年承擔納米光電材料課程積累的一些教學實踐經驗，通過教學、科研與思政三者相互滲透與融合的新型教學模式，圍繞課程目標定位、課程內容設置和教學方法探討進行闡述，旨在為新工科課程教學創新模式建設及復合型高素質新工科高級人才培養提供一定借鑒。

關鍵詞：納米光電材料；教研思融合；新工科課程；教學創新；復合型人才

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：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

基金項目：國家自然科學基金面上項目“基于電壓門控離子導體膜的雙穩態無機電致變色器件研究”（62075002）；北京工業大學課程思政示范課程培育項目“納米光電材料”（KC2021SZ005）

第一作者簡介：張倩倩（1988-），女，漢族，黑龍江鶴崗人，博士，教授。研究方向為離子膜材料與技術。

我國的高等教育以培養“科學基礎扎實、實踐技能過硬、創新能力突出、家國情懷濃厚”的高素質人才為目標。當今世界格局深刻變革、世界科技迅猛發展，要求我國高等教育特別是本科教育應緊密對接國家戰略需求、對標國際局勢發展、優化學科專業布局、創新人才培養模式，致力培養學生具有歷史使命感和社會責任心的必備品格，以及適應社會發展和國際競爭需要的關鍵技能。2017年2月，《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》指出，“以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對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創新”[1]。2020年1月，《教育部關于在部分高校開展基礎學科招生改革試點工作的意見》提出，“強基計劃主要選拔培養有志于服務國家重大戰略需求且綜合素質優秀或基礎學科拔尖的學生。聚焦高端芯片與軟件、智能科技、新材料、先進制造和國家安全等關鍵領域”[2]。為此，圍繞國家重大戰略需求進行新工科建設，既是高素質專業人才培養目標的要求，也是教育教學改革的重要方向之一。目前，許多高校根據自身學科特色開設了一些新工科專業課程，旨在為我國戰略產業發展和國際競爭提供智力支撐和人才保障[3-5]。

光電材料是一類重要的功能材料，在電子信息、新能源及現代國防等領域皆具有重要應用，是當前各國高技術新材料研發和競爭的熱點之一，也是光電信息等新型工科專業和新能源等新興工科專業建設的基石。納米科學與技術的迅速興起和發展為新材料的創制和傳統材料的新功能開發帶來了諸多可能，其中，光電材料因納米化展現出的新奇特性引起了學術界和企業界的廣泛關注和高度重視。因此，納米光電材料是光電材料與納米科技的重要結合，是推動現代信息技術、綠色能源和新興材料等領域蓬勃發展的關鍵元素。開設納米光電材料類本科專業課程，對于普及光電半導體和納米技術相關理論知識和專業技能，培養服務國家重大戰略需求的創新型人才具有重要意義。基于此，筆者所在的北京工業大學材料與制造學部自2021年春季學期開始為納米材料與技術專業本科生開設了專業限選課納米光電材料課程。希望通過該課程的學習，學生能夠系統地掌握納米光電材料的相關理論知識，了解其應用領域及發展趨勢，為將來進入半導體、新能源、電子信息等行業奠定基礎。

筆者基于2021—2023年承擔納米光電材料課程積累的一些教學實踐經驗，對該門課程的建設和教學方法的探索進行了分析和總結。通過課程中合理設置光電信息、新能源、智能制造等新工科專業相關內容，采用教學、科研與思政三者相互滲透與融合的新型教學模式，使學生在有效攝取專業理論知識的過程中培養創新、開放、共融的新工科思維。期望本文能為納米光電材料類新工科專業課程的設置及相關領域高素質復合型人才的培養提供一定借鑒。

一 課程目標與新工科定位

納米光電材料課程不僅涉及到數理和化學等基礎學科的理論知識，同時也包含了納米材料和光電半導體等新興學科的前沿技術應用，是光電信息、新能源、智能制造等新工科專業的基礎。通過本課程的學習，可使學生在掌握納米光電材料相關專業知識基礎之上，了解納米科技與光電材料的前沿發展動態，明確國家發展對納米光電材料的重要需求，提升創新精神和實踐能力，進一步拓寬國際視野，為進行更高層次的學習和工作奠定堅實基礎。

（一） 與時俱進的新工科知識

納米光電材料是光電材料與納米材料的有機結合，涵蓋了光電信息、新型能源、智能制造等豐富的新工科專業知識，日新月異的科技發展使得相關領域新知識層出不窮，因此，需要不斷更新知識體系實現與時俱進的新工科知識獲取。課程介紹光電材料和納米材料的基本光電性質，使學生建立基本知識體系；重點講述納米光電材料的新生光電特性及產生原理，使學生及時獲取納米光電材料新知識并整合于原有知識體系，達成常學常新的學習目標。課程講述納米光電材料的經典制備方法和常規表征手段，也介紹新型制備方法和先進表征技術，為學生進行納米材料相關理論和實踐課程的學習奠定良好的專業基礎。在學習納米光電材料的基本概念、重要特性和制備表征技術的基礎上，課程將進一步介紹納米光電材料在光電信息和新能源等領域的應用前沿，其中涉及到的新型納米光電子器件相關知識攝取，為學生從事未來新技術和新產業相關工作提供必要的知識儲備。

（二） 堅實廣闊的科研素養培養

通過豐富的課程內容設置和創新的教學方法開展，強化學生的科學思維能力、創新創造能力和理性認知能力，在獲取專業知識的同時培養堅實廣闊的科研素養。課程學習半導體物理相關理論知識，比如P-N結、納米光電量子點等，都需要嚴謹的邏輯推演方式講授，在汲取相關知識的過程中可以培養學生理性思考、嚴密邏輯性等科學思維能力，對于今后進行更加深入的專業知識學習和從事更高層次的科研工作大有裨益。課程重點要素納米科技是近幾十年發展起來的一門高新技術，其發展歷程伴隨著無數的技術革新和突破，從納米材料的制備到表征再到應用，重點講述顛覆性革新技術和做出開創性貢獻的科學家相關知識，鼓勵學生不囿于現有科學技術，勇于創新創造，培養銳意進取的科研精神和堅實廣闊的科研素養。

（三） 潛移默化地厚植家國情懷

本課程的開設宗旨是面向新一輪科技革命和產業變革，培養服務國家重大戰略需求的高素質專業技術人才。在專業知識學習和綜合能力提升基礎之上，課程內容中自然地融入“思政”元素，潛移默化地培養學生的家國情懷[6]。納米光電材料課程內容與新能源、半導體、信息技術等國家戰略發展領域息息相關。例如，引入太陽能光伏電池是助力國家實現“雙碳”目標的重要途徑之一，納米光電材料則是發展最新一代光伏電池技術不可或缺的要素，使學生進一步明確課程地位和重要性。同時，也要讓學生對我國受制于國外的一些“卡脖子”技術具有清醒的認識，比如通過引入“華為”事件、“中興”事件等案例，傾情講述當前我國光電半導體納米芯片技術發展的艱難局面，引導學生將家國情懷根植于心。

（四） 教研思融合的大格局視野

當前，國家全面推進“雙一流”建設和高等教育國際化建設，將國際化元素有效融入課程建設，樹立全球視野和大國格局，是培養國際型專業人才的必然要求[7]。課程主要從教學內容和教學模式創新兩方面構建本土和國際文化相融合的課程體系。教學資料以經典納米材料和光電材料類教材為主，結合相關領域的英文書籍和前沿文獻，使學生在知識獲取過程中提升國際文化素養。比如在講授納米光電催化材料的消毒殺菌應用中，通過全球新冠感染疫情防治案例，引導學生建立“人類命運共同體”意識，以國際視角和大國格局審視科技、文化、政治和意識形態的多元化發展。采用課堂講授為主、多媒體教學和研討相結合的多維教學模式，將國際化元素有效融入課程內容。

二 教研思融合與新工科思維的課程內容

納米光電材料是一個多學科交叉的研究領域，涵蓋了材料、數理、化學、光電子等龐大的知識體系[8]。因此，如何利用有限的課時合理設置課程內容，使學生能夠系統地學習基礎理論和前沿理念是本課程建設的關鍵。本著凝練重點、提升深度、拓展前沿、強化應用的課程內容設置原則，教學內容主要包括以下四個部分。

（一） 整體架構與思路

從納米尺度和光電性能的內涵出發，介紹納米技術和半導體光電技術的發展歷程和重要概念，重點引出二者結合衍生出的新型納米光電材料的定義、分類及應用前景。通過本章節內容學習，學生掌握納米光電材料基本概念和常見材料種類，了解納米光電材料的應用領域和發展前沿，建立兼具深度和廣度的課程內容學習框架。在介紹納米光電材料發展中引入重要歷史性大事件相關話題討論，引導學生積極思考，激發學生對本課程的學習興趣。通過介紹納米光電材料對國家戰略發展領域的重要作用，使學生認識到課程學習的重要性，并培養深厚的家國情懷。

（二） 從納米光電材料的特性引入新工科思維

納米光電材料兼具納米效應和光電效應，二者協同促使材料的光電性能增益并可衍生出一些新奇的光電特性，在光電信息、新能源、智能制造等領域具有重要應用前景，因此，這部分內容是本課程學習的重點，涉及到的光電特性原理也是本課程的難點。介紹納米材料的基本效應和光電材料的基本性能，引入系統性思維和創新性思維方法，強化對量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等抽象概念的理解。使學生掌握納米光電材料的基本特性，重點理解納米化對材料光電性能提升的原理機制，并能夠獨立分析一些新奇光電特性產生的原因，培養學生構建多維度的新工科思維方法。

（三） 從納米光電材料的制備引入科研之艱難性

納米光電材料的制備技術決定著其形貌結構及光電性能。本部分內容按照材料生成介質的物相差異分類，分別介紹經典的氣相法、液相法和固相法制備典型納米光電材料的流程，另介紹光刻、激光3D打印等先進制備技術。結合科研實例，詳細講解材料的生長過程及各生長階段的結構特點，重點講解影響材料生長及顯微結構的關鍵因素，以及制備過程重要注意事項。通過基礎理論講解，學生掌握典型納米光電材料的制備技術，理解不同結構納米光電材料的生長機制，做到能夠根據材料結構和性能需求完成制備工藝流程的設計，為今后從事相關工作提供必要的知識儲備。科研實例引入使學生明確高性能納米光電材料研發的復雜性和艱難性，鼓勵學生建立知難而上的堅韌信念，為今后開展科研技術攻關奠定堅實的思想理論基礎。

（四） 從納米光電材料的應用引入思政之重要意義

“學以致用、用以促學”是課程學習的目標和宗旨，通過該部分學習進一步強化納米光電材料基本概念和重要特性的認知，并明確納米光電材料對國家發展戰略的重要意義[9]。重點介紹納米光電材料在能源、催化、傳感三大領域的應用，并拓展其在人工智能和量子信息等前沿領域的應用探索。通過學習，使學生了解納米光電材料在實際應用中發揮的關鍵作用，掌握納米光電子器件集成的關鍵技術及工作原理。在介紹其應用領域的國內外研發歷程和進展前沿時，重點介紹阻礙國家發展的“卡脖子”技術難題，使學生明確納米光電材料未來發展面臨的機遇和挑戰，建立努力實現科技自立自強、加速突破關鍵核心技術的決心和目標。

三 教研思融合新工科創新教學方法探索

在合理的教學內容設置基礎之上，不斷探索先進的教學理念和有效的教學方法，是開展教學改革和完善課程建設的關鍵所在。以下內容是筆者歷經三輪教學工作探索出的一些教學方法心得，旨在為該類課程建設提供一些經驗借鑒。

（一） 新工科思維、實例融合

納米光電材料的基本概念涵蓋了納米材料和光電半導體相關的基礎理論知識，涉及到許多固體物理和量子力學方面的抽象概念，采用傳統教學思維講解常規定義不免晦澀難懂。因此，需要采取新工科思維對重點抽象概念的講授方式進行設計構思，選取恰當的、貼近實際生活的事物現象或具體實例作為切入點，理論聯系實際，創建畫面感觀印象，幫助學生更形象地理解抽象基礎理論知識[10]。例如，分析光電半導體直接帶隙和間接帶隙概念差異時，引入縱向電梯直達目標點和橫向步行輔助到達目標點的形象實例作為參照，使學生能夠更加直觀形象地理解有/無聲子參與的兩種電子躍遷方式。此外，引入實例輔助抽象概念認知理解的同時，也能增強學生的學習興趣，提升課堂教學效果。

（二） 問題導向、教研思融合

將納米光電材料專業理論知識與基礎科研和實際應用相結合，能夠利用所學基礎理論指導相關領域重大科學問題和產業技術難題的解決，達到學以致用的目標，是開設本門課程服務國家戰略發展的宗旨。相反地，產學研融合的教學模式也能夠幫助學生加深基礎理論知識理解，達到用以促學的目的。相比于專業理論知識的講授，融合基礎科研與實際應用相關內容的授課方式更加靈活多樣。通過問題導向，建立基礎理論與實際應用之間的聯系，使學生明晰我國納米光電材料相關領域在基礎科研方面存在的重大科學問題和產業化應用方面存在的關鍵技術難題，從而清楚地認知未來的奮斗方向，為培養相關領域科學研究和技術攻關的專業人才奠定基礎。

（三） 多維教學、強化融通

教師和學生都是參與課程建設的主體，重視學生從教學活動中獲得的學習體驗，使其由被動接收知識轉變為主動獲取知識，是強化課程內容學習的重要途徑。為了充分挖掘學生的主觀能動性和創造性，本課程采用多維教學模式，通過課堂講授為主，線上線下、理論實踐、全時課堂和反轉課堂等多種教學模式相結合的方式，加強學生對基礎理論和專業知識的融會貫通。為了打破授課時空限制，開展全時教學模式，課堂教學之外布置前沿探索課題，如最新一代鈣鈦礦太陽能電池進展探索等，鼓勵學生通過自主查閱文獻資料和分組調研等方式主動攝取知識，緊跟科學前沿和產業發展動態，促進教研思融合。通過課程建設主體意識的逐步建立，提升學生的教學活動參與度，強化對課程重點內容的掌握與難點內容的理解，促進對最新前沿理論和應用的探索，培養學生建立創造性思維和全局性視野。

四 教研思融合的新工科創新教學成效

筆者通過教研思融合的新工科創新教學模式，開展納米光電材料課程建設探索，近年取得了較為良好的教學成效。通過課程學習，學生在專業理論知識攝取、新工科思維建立和綜合能力培養方面皆得到了提升。

（一） 專業理論知識扎實

通過新工科課程內容設置和多維度教學模式開展，學生能夠較好地掌握和理解課程的重點和難點內容。2021—2023年課程考核全部合格，其中優秀人數（≥90分）占比47.5%，閉卷考試平均成績達到86.3分，反映了學生通過課程學習能夠較為扎實地掌握納米光電材料相關專業理論知識。

（二） 科學研究能力提升

教學和科研融合互促的授課模式使學生對科學研究產生了濃厚的興趣，超過90%學生進入校內或校外科研團隊積極參與研究課題。2021—2023年，筆者指導多名本科生開展新能源相關科研工作，其中8名學生參與撰寫和發表一區SCI研究論文5篇，申請發明專利3項，通過鍛煉，學生的科學素養和科研能力得到了顯著提升。

（三） 創新創業意識增強

基于新工科思維的培養和思政教學的開展，學生積極參加大學生創新創業大賽和社會實踐活動。2021—2023年，筆者指導學生參加第八屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽，榮獲北京賽區銀獎和銅獎各1項；指導學生獲批“國家級大學生創新訓練項目”4項和校級科技競賽項目6項，榮獲2022年度校級“鼎新杯”一等獎（全校唯一）。通過教學實踐訓練，學生的創新創業能力得到顯著增強，達成了“學以致用、用以促學”的教學目標。

五 結束語

納米光電材料是發展先進納米技術和光電半導體技術的基礎，與光電信息、智能制造、新能源等國家人才緊缺的新興產業息息相關。因此，做好納米光電材料本科課程建設，既是新工科專業人才培養的必然要求，也是國家教育教學改革的重要方向。本文基于納米光電材料課程的特點，對課程的教學目標定位、教學內容設置以及教學理念方法創新進行了探討。采用教研思相融合的新型教學模式，設置光電信息、新能源、智能制造等新工科專業相關課程內容，結合科研實例強化專業理論知識理解，融入思政元素促進家國情懷培養，使學生在掌握專業理論知識基礎上建立創新、開放、共融的新工科思維體系，為國家戰略產業發展輸送高素質復合型科技人才。

參考文獻：

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[2] 教育部.關于在部分高校開展基礎學科招生改革試點工作的意見[Z].2020.

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[10] 劉秀清，葛文慶，李波.基于能力本位培養的新工科人才培養模式改革與實踐[J].中國大學教學，2023（11）：30-37.