研究生現(xiàn)代儀器分析創(chuàng)新能力的培養(yǎng)模式探索

柳玉英， 王 平， 劉 青， 藺紅桃

(山東理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 山東 淄博 255049)

0 引 言

研究生是我國(guó)科技創(chuàng)新的重要主體，而創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力是推動(dòng)民族進(jìn)步和國(guó)家發(fā)展的動(dòng)力源泉。因此，研究生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作為研究生教育的核心，已經(jīng)成為高等教育的一項(xiàng)重要目標(biāo)，也是研究生培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)和發(fā)展研究生創(chuàng)新能力的重要基礎(chǔ)[1-6]。另外，高層次人才的使命則在于對(duì)理論和實(shí)踐中未知領(lǐng)域的探索與研究，創(chuàng)新能力對(duì)其起著關(guān)鍵性作用。因此，探索研究生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)模式具有極其重要的意義。

創(chuàng)新能力是指人們?cè)趯W(xué)習(xí)和繼承前人知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出新概念、新思想、新見解并完成創(chuàng)造發(fā)明的能力。創(chuàng)新意識(shí)建立在合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，需要經(jīng)過系統(tǒng)的課程學(xué)習(xí)，培養(yǎng)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。知識(shí)為創(chuàng)新提供原材料，創(chuàng)新是知識(shí)的轉(zhuǎn)化與整合。合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)為創(chuàng)新能力的形成和培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。課程作為知識(shí)結(jié)構(gòu)的載體，其整體上是否完善決定著研究生知識(shí)結(jié)構(gòu)的合理形成和創(chuàng)新意識(shí)的發(fā)展。因此，要培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，應(yīng)從研究生課程教學(xué)入手[7-11]，根據(jù)課程的特點(diǎn)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等進(jìn)行具體設(shè)計(jì)和安排。

隨著科學(xué)的發(fā)展，分析化學(xué)已不僅僅是物質(zhì)的化學(xué)組成及含量的分析方法及有關(guān)理論的科學(xué)，而是一門有關(guān)物質(zhì)化學(xué)信息的科學(xué)。作為分析化學(xué)重要組成部分的現(xiàn)代儀器分析，其內(nèi)容除了成分分析外，在很大程度上還應(yīng)包括結(jié)構(gòu)分析、狀態(tài)分析、表面分析、微區(qū)分析、化學(xué)反應(yīng)有關(guān)參數(shù)的測(cè)定及其為其他學(xué)科提供各種有用的化學(xué)信息[12]。現(xiàn)代儀器分析不僅是重要的分析測(cè)試方法，而且是強(qiáng)有力的科學(xué)研究手段。它對(duì)基礎(chǔ)化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、生物化學(xué)、生命科學(xué)及材料化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展起著巨大的促進(jìn)作用，已成為高科技領(lǐng)域不可缺少的重要手?jǐn)唷Ｊ煜ず驼莆崭鞣N現(xiàn)代儀器分析方法的原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)已成為相關(guān)專業(yè)的研究生應(yīng)該具有的基本素質(zhì)。以我校為例，近幾年來，每年選修該門課程的研究生均超過20人。因此，在近3年的現(xiàn)代儀器分析課程教學(xué)實(shí)踐中，配合山東省研究生教育優(yōu)質(zhì)課程的建設(shè)項(xiàng)目，課程組的教師根據(jù)課程自身的特點(diǎn)和學(xué)生的研究領(lǐng)域等特點(diǎn)，通過靈活應(yīng)用多種教學(xué)方法、分層次漸進(jìn)式開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等系列措施，有效培養(yǎng)與提高研究生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1 現(xiàn)代儀器分析課程特點(diǎn)

現(xiàn)代儀器分析課程的特點(diǎn)主要有：① 課程的理論性較強(qiáng)，原理較為抽象，所涉及的知識(shí)面較廣；② 該課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，每種方法所用的儀器各不相同，因此，儀器的種類繁多，操作復(fù)雜；③ 學(xué)科交叉、滲透性較強(qiáng)，其內(nèi)容涉及到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域，如物理學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)等；④ 創(chuàng)新性強(qiáng)，知識(shí)更新速度快。隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展,新材料、新器件不斷涌現(xiàn)，極大推動(dòng)了分析儀器的快速更新,同時(shí)為儀器分析中方法不斷更新、新方法不斷建立提供了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。另外，相關(guān)學(xué)科的發(fā)展對(duì)現(xiàn)代儀器分析提出了更高的要求。因此，現(xiàn)代分析儀器是在綜合采用各種技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上,不斷創(chuàng)新與自身發(fā)展，同時(shí),又為各個(gè)科技領(lǐng)域的研究和發(fā)展提供有力的手段和重要的信息[13-15]。

2 學(xué)生特點(diǎn)及教學(xué)特點(diǎn)

研究生在選課時(shí)基本上遵循3個(gè)原則：① 導(dǎo)師認(rèn)為與其研究領(lǐng)域有關(guān)的、其理論和方法對(duì)研究生以后的學(xué)習(xí)和工作有幫助的課程；② 認(rèn)為自己應(yīng)該學(xué)習(xí)的課程；③ 自己感興趣的課程。相對(duì)于本科生的教學(xué)，研究生的教學(xué)存在以下特點(diǎn)：① 學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和學(xué)術(shù)背景不同，其研究的領(lǐng)域和方向不同，因而研究生本身的需求以及教師的要求也不相同。比如，研究燃料電池、無(wú)機(jī)膜的學(xué)生經(jīng)常要用到色譜分析和表面分析方法，而研究有機(jī)合成的學(xué)生則常用色譜、紅外、核磁等分析方法；② 學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)不同，研究生學(xué)習(xí)的目標(biāo)在于在某個(gè)專門的領(lǐng)域?qū)で笾R(shí)的突破與創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)尋求真理、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、探索人類尚未發(fā)現(xiàn)的知識(shí)；③ 教學(xué)方法不同。因而，在課程內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少、學(xué)生的要求不同的研究生課程教學(xué)中，教師不可能也不需要對(duì)課程的全部?jī)?nèi)容進(jìn)行詳細(xì)透徹地講解，而是結(jié)合學(xué)生的研究領(lǐng)域、知識(shí)結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)需求，靈活運(yùn)用不同的教學(xué)方法，做到因材施教、因需施教，注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

3 靈活多樣的教學(xué)方法

筆者將近幾年選修現(xiàn)代儀器分析課程學(xué)生的研究領(lǐng)域和方向進(jìn)行了大概的歸類，在征求研究生及其指導(dǎo)教師意見的基礎(chǔ)上，將課程中各種分析方法的應(yīng)用范圍歸納整理(見圖1)，根據(jù)應(yīng)用范圍的大小不同，分別采用了不同的教學(xué)方法。

圖1 不同分析方法的應(yīng)用范圍

3.1 教師講授

對(duì)于絕大部分學(xué)生需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)和掌握的分析方法，如氣相色譜、紫外、紅外、循環(huán)伏安等內(nèi)容，采用的是教師統(tǒng)一講授和討論的教學(xué)方法。教師需將分析方法的基本原理、所用的儀器結(jié)構(gòu)、使用方法等講解透徹，然后可以提出相關(guān)問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論，或?qū)W生提出科研工作中遇到的問題(部分學(xué)生已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參與了科研工作)進(jìn)行討論。這部分內(nèi)容必須對(duì)學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)格、統(tǒng)一的要求。

3.2 翻轉(zhuǎn)課堂

對(duì)于部分學(xué)生需要掌握但教師不統(tǒng)一講授的分析方法，如掃描電鏡、核磁共振分析等，主要是以翻轉(zhuǎn)課堂的形式進(jìn)行教學(xué)。教師事先將研究領(lǐng)域相近的學(xué)生進(jìn)行分組，然后給不同組別的學(xué)生布置相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容(以學(xué)習(xí)任務(wù)單的形式)，提供主要的參考資料，讓學(xué)生通過自學(xué)、提問、討論等學(xué)習(xí)過程后，制作PPT課件，給其他同學(xué)講解。

3.3 自主學(xué)習(xí)

對(duì)于學(xué)生需要了解或?qū)W生自己有學(xué)習(xí)興趣和需要的內(nèi)容，可以采用學(xué)生自主學(xué)習(xí)、教師輔導(dǎo)答疑的方式教學(xué)。教師要從研究方向、知識(shí)結(jié)構(gòu)、興趣、能力等方面了解學(xué)生，實(shí)現(xiàn)因材施教、因需施教。自主學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生會(huì)遇到各種困惑，也會(huì)提出某些在科研工作中對(duì)合成的化合物或者是組裝的電極在表征中遇到的問題，教師可給予有效的指導(dǎo)，或組織學(xué)生進(jìn)行討論。

在翻轉(zhuǎn)課堂和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過程中，要通過自學(xué)任務(wù)單的形式對(duì)學(xué)生提出具體的學(xué)習(xí)要求，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，同時(shí)，要向?qū)W生提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源。本課程組依托本校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，為學(xué)生提供了信息化的學(xué)習(xí)資源(如主要參考教材、課件等)、自我檢測(cè)學(xué)習(xí)效果的自測(cè)題和習(xí)題庫(kù)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法等，并設(shè)置了討論區(qū)，加強(qiáng)師生間、同學(xué)間的交流，及時(shí)掌握和監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，了解他們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中的需求以及遇到的問題，并能夠及時(shí)解決。

4 分層次開設(shè)實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)代儀器分析是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，教學(xué)的目的是為了讓研究生掌握分析方法的原理知識(shí)和儀器操作技能，同時(shí)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力以及創(chuàng)新實(shí)踐能力。在課程教學(xué)過程中，課程組教師所做的重點(diǎn)工作即是根據(jù)學(xué)生需求以及學(xué)校的實(shí)際情況，漸進(jìn)式、分層次地開設(shè)了3種類型的實(shí)驗(yàn)(見圖2)。

圖2 漸進(jìn)式、分層次的實(shí)驗(yàn)及要求

4.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和反映化學(xué)理論應(yīng)用的實(shí)際樣品分析實(shí)驗(yàn)。該類型的實(shí)驗(yàn)主要介紹方法的基本原理、儀器結(jié)構(gòu)、操作流程和注意事項(xiàng)。主要目的是培養(yǎng)研究生所應(yīng)具備的學(xué)科高級(jí)實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。可以將該部分實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)同時(shí)進(jìn)行，比如各種儀器的相關(guān)知識(shí)可以在實(shí)驗(yàn)課上講解，這樣可以使知識(shí)層次分明，條理清楚，學(xué)生更容易理解掌握。該類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，要求學(xué)生每人都要親自動(dòng)手操作。如苯酚在正己烷、氯仿、甲醇、水中紫外吸收光譜、奎寧的熒光特性及含量測(cè)定、校正歸一化法測(cè)定苯系物中各組分的含量等實(shí)驗(yàn)，均屬于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。該部分實(shí)驗(yàn)約占總實(shí)驗(yàn)的50%。

4.2 綜合性實(shí)驗(yàn)

綜合性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生具有一定的基本知識(shí)和基本技能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用一門課程的多種理論和技術(shù)或多門課程的知識(shí)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合型實(shí)驗(yàn)。主要培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能，分析問題、解決問題的能力。本校的研究生教學(xué)過程中，綜合性實(shí)驗(yàn)分為兩種類型：① 用不同的方法對(duì)已知的化合物進(jìn)行表征或定量，如分別測(cè)定苯甲酸、乙酸乙酯等化合物的紫外圖譜、紅外圖譜、核磁圖譜，并利用所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行圖譜解析；② 結(jié)合研究生的科研工作，對(duì)其合成、研制的化合物進(jìn)行表征。如有的研究生合成了一種萘酰亞胺探針化合物，為了驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)是否符合預(yù)先的設(shè)計(jì)，可用核磁、紅外等方法進(jìn)行表征，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)圖譜進(jìn)行細(xì)致的解析。對(duì)于綜合性實(shí)驗(yàn)，不要求每個(gè)同學(xué)均動(dòng)手操作，而是讓學(xué)生自由組合，每組推選一位同學(xué)擔(dān)任組長(zhǎng)，對(duì)組內(nèi)成員進(jìn)行分工，有負(fù)責(zé)樣品合成的，有負(fù)責(zé)樣品制備的，有負(fù)責(zé)測(cè)定紅外圖譜的，有負(fù)責(zé)測(cè)定核磁圖譜的，有負(fù)責(zé)解析圖譜的等。小組內(nèi)和小組間的同學(xué)要分工合作。此類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目占總實(shí)驗(yàn)的30%左右，在課程的教學(xué)過程中收到了很好的教學(xué)效果。

4.3 自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則是由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生應(yīng)結(jié)合自己的學(xué)位論文的研究工作，也可以在課題組其他同學(xué)的工作基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁螅约哼x定實(shí)驗(yàn)方法并擬定實(shí)驗(yàn)步驟，自己完成實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。教師提出的要求是：如果是表征物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，則需用兩種或兩種以上的方法進(jìn)行比對(duì)；如對(duì)化合物進(jìn)行定量分析，同樣需要兩種或兩種以上的方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，或用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證測(cè)定的準(zhǔn)確度。如：某研究生采用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測(cè)定水體與沉積物中全氟化合物的含量，為了證明方法的準(zhǔn)確度，該同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案是采用內(nèi)標(biāo)法，對(duì)全氟目標(biāo)化合物進(jìn)行測(cè)定，做出的標(biāo)準(zhǔn)曲線具有很好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均大于0.990。該類實(shí)驗(yàn)可以鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力，有效培養(yǎng)與提高學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，為后續(xù)的科研、就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)代儀器分析課程性質(zhì)特點(diǎn)和研究生的特點(diǎn)，在該門課程的教學(xué)中探索并實(shí)踐了翻轉(zhuǎn)課堂、自主學(xué)習(xí)和開設(shè)不同層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)模式，有效激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，提高了學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力，這不僅有利于學(xué)生深刻理解和掌握所需分析方法的基本原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，也有利于學(xué)生了解現(xiàn)代分析方法的前沿動(dòng)態(tài)，更重要的是有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維與創(chuàng)新實(shí)踐能力。