孫 越, 郝 強, 周禹希

(遼寧師范大學 化學化工學院,遼寧 大連 116029)

“雙一流”建設(shè)即“建設(shè)世界一流大學”和“建設(shè)世界一流學科”,是習近平總書記在2014年提出的偉大構(gòu)想,是黨中央、國務院在新的歷史時期,為整體提升國家的教育教學水平、增強我國在世界舞臺上的核心競爭力做出的重大戰(zhàn)略決策[1-2].2015年11月，國務院發(fā)布《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設(shè)總體方案》,2017年1月，教育部、財政部、國家發(fā)改委聯(lián)合公布《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設(shè)實施辦法(暫行)》.這兩份文件指出具有戰(zhàn)略高度的“雙一流”建設(shè)不僅是國之教育發(fā)展道路上的必然選擇,也是我國政治、經(jīng)濟發(fā)展以及提升國際競爭力的迫切需要[3-5].

“雙一流”建設(shè)的總體目標是推進一批具有高水平的學校及學科進入世界教育領(lǐng)域的一流行列或者前列,其中，“雙一流”建設(shè)的重要使命是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才[6].化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學,物理化學實驗是大學本科生畢業(yè)前的最后一門實驗課程,它在教學過程中有著十分重要的地位,對學生理解、掌握物理化學理論知識，學習相應的操作技能,將理論知識應用到實踐中,培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力等方面具有重要作用[7-8].本文以遼寧師范大學為例,介紹化學化工學院(以下簡稱學院)在“雙一流”建設(shè)背景下,以實驗促教學,在物理化學實驗教學中提升學生科研創(chuàng)新能力的方法、舉措,以及在提升大學化學實驗教學效果中的作用.

1 多層次全開放的實驗教學體系

遼寧師范大學化學化工學院目前有3個本科專業(yè),分別是化學(師范)、應用化學、藥物化學.學院基于“以學生為本,重基礎(chǔ)、求創(chuàng)新,培養(yǎng)具有社會責任感、實踐能力突出的高素質(zhì)人才”的實驗教學理念,利用多個省級重點實驗室和省級科普基地的優(yōu)勢資源,已形成多層次的實驗教學體系,以提高學生科研創(chuàng)新能力,滿足化學學科發(fā)展對基礎(chǔ)教育領(lǐng)域化學教師及化學相關(guān)人才的要求.具體做法是以“基本技能—綜合能力—創(chuàng)新能力—從業(yè)能力”為主線,開設(shè)基礎(chǔ)實驗—綜合實驗—研究設(shè)計型實驗—校外實訓等課程.其中,物理化學學科分支中開設(shè)《基礎(chǔ)物理化學實驗》《理化測試》(綜合實驗)《中級物理化學實驗》《計算機輔助藥物設(shè)計》3個層次、4門獨立實驗課程.如圖1所示,基礎(chǔ)實驗主要訓練學生的物理化學基本實驗技能，綜合實驗側(cè)重于實驗內(nèi)容的整體性設(shè)計,培養(yǎng)學生對物理化學知識、技術(shù)、實驗方法和手段的綜合應用.研究設(shè)計型實驗則圍繞擬解決的科學或技術(shù)問題進行系統(tǒng)的課題研究和方法訓練,為學生創(chuàng)造自主學習及探索的科學實驗平臺,使學生的實踐和創(chuàng)新能力得到系統(tǒng)的培養(yǎng)與訓練,為拔尖學生科研創(chuàng)新能力的提升提供成才條件.校外實訓則根據(jù)不同專業(yè)的特點,開展具有專業(yè)特色的實習、實訓,培養(yǎng)學生綜合解決問題的能力、團隊精神及創(chuàng)新能力.

圖1 多層次全開放的實驗教學體系Fig.1 Student’s scientific research training during the experments

需要指明的是各個層次的物理化學實驗都對大學本科生開放,允許學有余力的學生進入實驗室進行相關(guān)科學研究,培養(yǎng)學生科研創(chuàng)新能力.例如,“凝固點降低法測定摩爾質(zhì)量”是一個經(jīng)典的基礎(chǔ)物理化學實驗,傳統(tǒng)教材中一般使用“苯-萘”體系進行測試.苯是一種致癌物質(zhì),人暴露在大量的苯中會引起白血病,部分文獻使用環(huán)己烷代替苯.但環(huán)己烷容易吸收水蒸氣,實驗中常需精餾,且不能在高溫、高濕季節(jié)開設(shè)實驗.針對上述問題,物理化學實驗教學團隊將中級實驗室開放,組織學生對實驗中的溶質(zhì)、溶劑進行重新選擇,經(jīng)過系列探索,成功選擇水為溶劑測定葡萄糖的摩爾質(zhì)量,并在實驗方法上進行了改進,相關(guān)成果已發(fā)表論文《介紹一個綠色物理化學實驗——凝固點降低法測定葡萄糖的摩爾質(zhì)量》[9].

物理化學實驗數(shù)據(jù)的處理方法有加權(quán)平均法、作圖法、列表法等.實驗中為了避免誤差,通常會采集大量實驗數(shù)據(jù),學生手動處理實驗數(shù)據(jù)常常需要花費很多時間、精力.另外,手動處理數(shù)據(jù)常會帶來較大誤差.為了解決這些問題,物理化學實驗教學團隊開放各基礎(chǔ)實驗,組織對計算機感興趣的化學專業(yè)本科生,以Visual Basic為工具,采用非線性擬合、數(shù)值積分等方法開發(fā)出“物化實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”,對實驗數(shù)據(jù)進行自動處理,并可打印出計算結(jié)果和圖形.通過數(shù)據(jù)錄入和數(shù)據(jù)處理過程分開,從根本上杜絕了學生抄襲實驗報告的現(xiàn)象,也解決了手動處理數(shù)據(jù)費時、費力、誤差較大等問題.該研究成果已制作成軟件(ISBN978-7-89423-261-8),經(jīng)高等教育電子音像出版社面向全國刊印發(fā)行.

2 科研課題式的小組實驗模式

科研課題式的小組實驗模式,就是將學生分成4～6個人的小組,教師給出多個實驗課題,每組任選一個完成.圍繞課題目標使學生在互動、探究、研討過程中,培養(yǎng)思維能力、歸納總結(jié)能力、交流表達能力以及集體合作能力,有效促進學生多樣化成才.例如,在“理化測試”綜合實驗中教師設(shè)置課內(nèi)特殊訓練環(huán)節(jié),以“生物酶催化反應動力學常數(shù)的測定”為研究目標,如圖2所示.讓學生不僅要參考實驗教材,更要像從事科研工作一樣,從課外參考書、中文文獻、英文文獻等方面獲得相關(guān)資料,進而設(shè)計實驗方案、進行實驗探究、跟蹤與記錄實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)處理和圖譜解析、論文寫作等,對學生進行全方位訓練.值得一提的是論文格式要符合一般科研論文的標準,要有數(shù)據(jù)分析、有結(jié)果和討論、參考文獻等等.學生科研課題式的小組實驗模式,不僅使學生感受了科學研究的一般流程,突出了學生的主體作用,使學生的獨立思考和操作能力得到了普遍提高.同時學生在課題小組內(nèi),也有了挑戰(zhàn)自己的機會,在順利完成自己設(shè)計的實驗后收獲了極大的成就感以及對科學研究的興趣,這對以后開展真正的科研工作具有非常積極的影響.最后,學生科研課題式的小組實驗模式有助于培養(yǎng)學生的團隊精神,有創(chuàng)意的學生的靈感和建議會對組內(nèi)實驗產(chǎn)生正向的推動作用,學生們在實驗中瞬間產(chǎn)生的思維火花,有助于進一步引發(fā)學生“主動學習”的熱情,為學生創(chuàng)新能力和科研思維能力的提升提供了基礎(chǔ).

圖2 學生實驗中的科研訓練環(huán)節(jié)Fig.2 Scientific research and train link in students’ experiment

3 科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容

學院很多教授、副教授主持國家自然科學基金項目,他們在授課過程中,結(jié)合自己的最新科研成果和研究體會,把相關(guān)課程的前沿進展和研究方法不斷地引入教學.例如,物理化學實驗教學團隊把已經(jīng)成熟的科研成果直接轉(zhuǎn)換為教育教學項目,先后開設(shè)了有關(guān)“質(zhì)子交換膜燃料電池”“催化劑的活性評價”等研究設(shè)計性實驗題目.這些具有創(chuàng)新性的實驗內(nèi)容已編入化學工業(yè)出版社出版的《物理化學實驗》教材[10]中.對于研究設(shè)計性實驗,還有的實驗項目來源于本地的中小企業(yè),這些企業(yè)本身沒有科研團隊,但有較大科研需求,于是企業(yè)與學院教師協(xié)同創(chuàng)新,聯(lián)合擬定研究設(shè)計性實驗題目,如“油脂的脫色技術(shù)研究”“用于低碳鏈甘油三酯制備的催化劑研究”等.這些實驗所需經(jīng)費由企業(yè)提供,得到實驗結(jié)果用于企業(yè)提升產(chǎn)品價值.而這些實驗項目可使學生更好地接受科研訓練,提升職業(yè)素質(zhì),提高學習的目的性和主動性,培養(yǎng)學生真正“有用”的知識和技能.

計算化學在生產(chǎn)、科研等實踐中的應用越來越廣泛,尤其是計算機、虛擬仿真等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展,使化學學科已不再是純實驗的自然科學,它正經(jīng)歷悄無聲息的變革[11].學院物理化學實驗教學團隊結(jié)合目前化學學科發(fā)展的趨勢及教師自己的科研實際,為藥物化學專業(yè)的學生開設(shè)了獨立的實驗課程《計算機輔助藥物設(shè)計》(64學時),同時，《基礎(chǔ)物理化學實驗》課程中也開設(shè)了計算化學實驗項目——《甲醛分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的計算化學研究》(8學時).這意味著學院所有專業(yè)的學生都能掌握一些計算化學相關(guān)知識,學生將更能適應大學化學學科體系經(jīng)歷的變革,學生的知識結(jié)構(gòu)和技能結(jié)構(gòu)也更能適應現(xiàn)代化建設(shè)的需求.

4 定期、不定期地開展前沿科研講座

學科前沿講座是學生了解科研發(fā)展方向、進度的一個不可或缺的資源.學生可以通過講座,第一時間了解自然科學領(lǐng)域最新的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明,人文社會科學領(lǐng)域的研究成果,甚至是人類精神文明的發(fā)生、發(fā)展[12].學術(shù)講座作為第二課堂內(nèi)容,可以開闊學生思維,為第一課堂進行有效的補充；而第一課堂上學到的理論又是講座的重要基礎(chǔ),將兩者緊密聯(lián)系起來,對學生專業(yè)素養(yǎng)、知識技能、創(chuàng)新意識的提高都有很重要的作用[13].物理化學是一門比較抽象的二級學科,為本科生開展前沿知識講座需要有更高的要求.比如，低年級的學生沒有完整的知識體系,對于專業(yè)性強的講座很容易因為難以理解講座內(nèi)容而浪費了時間精力,甚至失去對科研的信心，這就要求在講座內(nèi)容和方式上做出改變.例如，舉辦相關(guān)講座時,面對本科生,講座內(nèi)容不需要“專、博、深”,要以學生知識結(jié)構(gòu)背景為基礎(chǔ),聯(lián)系人們生活所面臨的問題,介紹學科中的新理念、新技術(shù).同時,舉辦講座的教師要研究能力強、知識面廣,不僅熟悉相關(guān)領(lǐng)域科研發(fā)展方向和趨勢,還要能與課本知識相結(jié)合,把抽象的科研成果具體化,將講座內(nèi)容最后回歸學生實驗課堂上,讓學生充分體驗理論來源于實際,科研就在身邊.

為了讓講座更好地發(fā)揮作用,有以下兩方面舉措.首先對于低年級、沒有科研基礎(chǔ)的學生,請院內(nèi)資深教授進行宣講.學院內(nèi)的教師,對本學院學生的培養(yǎng)方向以及知識基礎(chǔ)有一定了解,講座時,結(jié)合本學院的資源和各個教師的研究成果,會有一個很好的導向作用,在內(nèi)容上也能做到有的放矢;第二,邀請校外對本學科有獨到見解的專家舉辦講座.使學生不局限于本學校,還為他們在未來就業(yè)或創(chuàng)業(yè)中提供更多方向的選擇,給學生創(chuàng)造更大的發(fā)展平臺.通過定期、不定期開展學術(shù)前沿講座,本科生不僅了解到科研的最新發(fā)展動態(tài),更學習了老師以及科研工作者們對學術(shù)研究的態(tài)度.在一定程度上促進了教師教學和學生發(fā)展,對學生化學專業(yè)素養(yǎng)、科研技能、創(chuàng)新意識的提高都具有重要的意義.

5 結(jié) 語

物理化學實驗在大學化學教育、教學中的地位非常重要,在創(chuàng)建世界一流大學、一流學科、培養(yǎng)一流人才等方面發(fā)揮著特殊的作用.幾十年來,學院物理化學實驗教學團隊多次調(diào)整、修改學生的培養(yǎng)方案、教師的教學計劃,形成了多層次、全開放的實驗教學體系.科研課題式的小組實驗模式,將縱向、橫向科研成果轉(zhuǎn)換為實驗教學內(nèi)容,并定期、不定期地開展前沿科研講座,積極把前沿發(fā)展融合進課堂,從而期望學生跟上時代的腳步,走在發(fā)展的前端,不斷提高科研創(chuàng)新能力,為早日實現(xiàn)中華民族的科技復興貢獻力量.