基于認知能力培養的研究生“儀器分析”課程改革

張毅 孫秀蘭 王文龍

[摘 要] 高校研究生“儀器分析”課程具有理論性強、實踐性強、綜合性強、創新性強且涉及面廣等特點，由此帶來了教學安排困難和課程內容滯后等問題。并且，隨著相關領域科學技術的高速發展，這些問題日益凸顯。在教學實踐中的改革探索主要體現在：創新性嘗試碩博士同堂授課及學分互認，在教學內容和考核方式上以培養認知能力重于傳播知識的理念進行設計，破除學生的記憶依賴，以及在教學過程中融入中國傳統文化中的哲學思想，培養學生的分析和創新能力。

[關鍵詞] 認知能力培養;研究生教育;“儀器分析”課程

[基金項目] 2020年度江南大學研究生教育教學改革研究與實踐課題“《高級儀器分析》碩博共享課程體系的構建與優化研究”

[作者簡介] 張 毅（1982—），女，黑龍江綏化人，博士，江南大學食品學院分析食品安全學研究所副教授，主要從事食品質量與安全、分析化學研究;孫秀蘭（1976—），女，山東聊城人，博士，江南大學食品學院副院長，教授，博士生導師（通信作者），主要從事食品科學和食品質量與安全研究;王文龍（1982—），男，遼寧撫順人，碩士，江南大學食品學院分析食品安全學研究所工程師，主要從事食品質量與安全、有機化學研究。

[中圖分類號] G423 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）49-0064-05 ? ?[收稿日期] 2021-01-19

一、研究生“儀器分析”課程現狀分析

（一）研究生教育與“儀器分析”課程

隨著我國國民經濟的高速發展，科學和教育取得了長足的進步，國家對研究生教育日益重視，投入也不斷加大。習近平總書記強調，研究生教育在培養創新人才、提高創新能力、服務經濟社會發展、推進國家治理體系和治理能力現代化方面具有重要作用;李克強總理也批示，研究生教育肩負著高層次人才培養和創新創造的重要使命，是國家發展、社會進步的重要基石[1]。研究生是科研工作的一線工作者，是研究生教育的核心，對其創新能力的培養已成為高等教育的一項重要目標[2]。研究生教學應著重培養學生的科學素質、解決問題的能力、對前沿技術的洞察力等。“儀器分析”作為分析化學學科的重要分支，對基礎化學、食品科學、環境科學、生物化學、生命科學、醫學、藥學和材料科學等學科發展具有非常重要的促進作用[3]，各種大型高價值的精密儀器也已經大量應用于科研工作[4]，因此，多所高校已開設了“儀器分析”課程，甚至列為研究生教育的學位課程[3-5]。

（二）研究生“儀器分析”課程特點

與其他專業課程相比，“儀器分析”課程具有鮮明的特點[2，3]：一是具有很強的理論性與實踐性，儀器原理抽象且各不相同，且儀器操作復雜，不同種類甚至相同種類不同品牌型號的儀器，其操作方法也可能差別巨大;二是綜合性、交叉滲透性強，儀器種類繁多且需要物理學、數學、生物學、計算機等學科知識作支撐，并涉及電學、光學、磁學、數據處理、自動化等學科的技術;三是創新性強，新技術、新方法不斷涌現，儀器更新換代迅速。而研究生階段的“儀器分析”課程與本科階段相比，具有如下特點[2-6]：首先，學生經過本科階段相關課程的學習，掌握了一定的知識基礎;其次，經歷過本科畢業論文的歷練，甚至在一些學生已經開始參與科研的情況下，學生對新知識的理解、領悟，以及將所學應用于實踐的能力均強于本科課程學習階段;再次，研究生來自不同的高校，知識結構和基本實驗技能差別較大，而研究生階段的研究領域和方向等學術背景也各有不同，故而學生本身的學習需求也不盡相同。

（三）研究生“儀器分析”課程存在的問題

研究生“儀器分析”課程的特點致使其與傳統的教學理念和課程組織方式產生矛盾，進而導致課程教學存在一些問題，引起了一線教師的關注與研究。

1.課程綜合性強、知識面寬、儀器各類繁多的特點與課時有限之間的矛盾，給授課內容篩選帶來挑戰[7-9]。若求全則勢必無法深入，而如果要深入講解則內容范圍會大大受限，難以滿足學生多維度、個性化的學習需求。

2.儀器更新快速的特點和課程內容滯后之間的矛盾，給課程的實用性帶來挑戰[7，8]。一些學校的課程，尤其是實驗課，在內容上仍與本科生課程相差無幾，而即使一些教師能夠在課上引入最新的、前沿的內容，待學生進行畢業課題研究及畢業工作時，仍會面臨跟不上儀器及技術的更新問題。

3.儀器復雜龐大且數量有限的特點與學生規模不斷擴大及實驗課少之間的矛盾，給學生動手能力的培養帶來挑戰。學生上機機會不足，操作生疏，甚至所學與所用相脫節。

4.研究生“儀器分析”課程的教學側重于知識講授而輕視認知能力培養[8]。學生應對課程考核仍以死記硬背為主，遺忘率高。這與上述三點矛盾相互作用、相互影響。

5.缺少適用于研究生“儀器分析”課程的教材。市場上的相關教材多適用于本科生課程或為綜合性大學所著，內容滯后、以解題為目標，且對研究領域的針對性不強。

二、研究生“儀器分析”課程教改成果

研究生“儀器分析”課程所存在的問題在近年研究生教育快速發展的背景下日益突顯。隨著研究生教育改革的不斷深入及教學資源的日益豐富，很多從事研究生“儀器分析”教學工作的教師對課程改革進行了大量的探索。

（一）更加強調技術的發展歷程與應用

傳統的“儀器分析”課程重在講解儀器原理與數據解析，而對于儀器和技術的發展歷史、相應的儀器分析技術在社會生活中的應用等方面只是簡單提及。而對于儀器和技術的發展歷程和實際應用的講解不應只局限于科普性的介紹，更應該使學生認識到所學知識對與生產生活密切相關的諸多領域的迫切性和重要性，進而引發學生的好奇心，增強學生的責任感，從而激發其學習熱情。在課程內容的調整過程中，通過個性化教學大綱設計處理授課內容繁多與課時有限的矛盾是研究的重點[9]。

（二）多媒體教學技術的應用更加靈活多樣

信息和電子技術日新月異的發展對教育行業的變革產生了深遠影響。多媒體教學已經廣泛應用于從小學到大學、從學歷教育到課外輔導培訓、從線下教育到線上教育的各個方面。由于多媒體的介入，很多儀器原理抽象、實物不便于課堂展示、操作方法動態性強、圖譜不便于板書等制約傳統課堂教學效果的問題得到了很好的解決，圖像、視頻錄像、動畫、專業軟件、虛擬技術等在“儀器分析”課程中早有介入[5，9，10 ]。

（三）組合授課模式日益受到青睞

教師有各自的研究領域，面對知識面寬泛的課程內容難以精通所有方面，并且對于具體的儀器操作技巧和注意事項等內容可能認識略有欠缺。一些學校嘗試多位教師合作授課的方式，將教師只分班不分課時的授課方案改為分別講授自己最精通的領域，并啟用管理儀器的實驗專業技術人員參與教學活動中，在學生中均獲得了很好的反響[ 11 ]。

三、課程組對課程改革的創新性探索實踐

（一）碩博同堂授課，學分互認

本課程組所在的江南大學食品學院面向研究生開設“高級儀器分析”課程，作為碩士生和博士生的學位課程。由于課程大綱相同、內容相近，難免使在本校攻讀碩士學位的博士研究生重復聽課，出現上課積極性差、考勤困難的現象。于2019年起，在學院和學校研究生院的支持下，本課程組試點嘗試將碩士生和博士生課堂合并，并推進研究生院對二者的學分互認工作，即碩士階段獲得本課程學分后，若在本校繼續攻讀博士學位，仍然認可本門課程的學分，以此提高學生的學習時間利用效率。

（二）培養認知能力重于傳播知識

進行碩博同堂授課所面臨的最大挑戰是：我們到底要教學生什么？通過對目前國內研究生“儀器分析”課程所存在問題的分析：課程綜合性強、知識面寬、儀器種類繁多的特點與課時有限之間的矛盾，儀器更新快速的特點和課程內容滯后之間的矛盾，儀器復雜龐大且數量有限的特點與學生規模不斷擴大及實驗課少之間的矛盾。這些問題共同導致教學仍側重知識講授而輕視認知能力培養，試圖在有限的課程條件下向學生傳授盡量多的知識點，然而學生在應試思維的慣性下，雖然能通過課程考試，但在未來的科研實踐中仍難免不知所措。因此，本課程組認為，相比于傳授知識點，授課重點應更側重于對學生認識能力的培養和視野的拓展，而所謂的知識點只是載體而不應成為學習的主體。認知能力是創造力的基礎，而創造力是對研究生能力培養的重點。達沃斯世界經濟論壇在2018年發布了未來5年的人才趨勢報告《未來的工作》，匯總了全球各行業的領軍人物對未來人才核心能力的投票預測。在2018年被選為第一大能力的“分析和創新能力”在2020年依然位居首位[ 12 ] （P177）。另外，課堂上的知識點可能無法應用于學生日后的科研工作中，即使用到也很可能是“過時”的;而在學生進行科研工作時，如果具備較強的認識能力，即使遇到課上沒講到的知識也能夠進行自主學習，即使用到更新型的儀器或技術也能夠迅速掌握，即使面對從零開始的實驗操作也能夠很快熟練。

（三）破除記憶依賴

為使學生轉換多年以來養成的應試學習思維，在教學時本課程組明確不要求學生死記硬背。

1.學生學習知識是為了應用。而基于儀器的特點，將來在應用這些知識時不會處于閉卷考試的狀態，而是具備充分查閱信息的條件。現如今，依托高度發達的互聯網和學生獲取信息的能力，課堂上死記硬背并非必要。

2.隨著科學技術和相關知識體系的發展，所講授的內容會不斷進行動態調整。未得到充分理解的記憶，反而可能會給學生在知識運用方面帶來不利的影響。

3.對于學生個體而言，課程特點決定了一些儀器知識在以后的工作中并不會用到，僅為課程考核而強行記憶并無必要。

4.對于學生確有必要記住的底層知識點，要求任課教師做到多次提及、前后呼應、多維解讀，使學生在不斷加深理解的過程中自然而然地記住知識。

5.在評閱試卷過程中，對于涉及基礎知識、基本概念的題目，如果學生作答與教師課上所講完全一致，并不會給予學生高分，而對于加入個人理解的作答，則會給予較高的分數。這一評分原則在開課之初即明確告知學生。

（四）教學內容設計

基于上述教學目的和教育思路，我們對教學大綱的內容安排進行了大膽改進。

首先，對相關課程進行整合并大量縮減儀器種類。將原學術型碩士研究生學位課“圖譜解析”和“色譜分析”合并為“高級儀器分析”，并選取最具代表性的色譜、質譜、光譜儀器及相關技術為依托，通過所講儀器和分析技術，使學生掌握儀器分析的一般思路，并培養舉一反三的能力。

其次，涉及儀器及技術原理的內容大多枯燥抽象，不利于培養學生的學習積極性[ 13 ]，因此，在講授相關內容時，引入大量歷史小故事以吸引學生的興趣，并引發學生對科學家如何將科學思想和創新意識應用于新工具、新方法的思考。雖然技術會“過時”，但這種科學思維和解決問題的思路卻不會過時，幾十年甚至幾百年前的故事依然能帶給學生很大的觸動。正如王立群教授所言，歷史，不論是用現在解釋過去，還是用過去解釋現在，與現在都脫不了干系，歷史從來就沒有離開當下[ 14 ]。自然科學的歷史亦是如此。

再次，在課上分享往屆學生的科研實例。作為一門應用性課程，“高級儀器分析”在學生日后的科研生涯中發揮著巨大的作用。學生在科研實踐中遇到問題也非常愿意和任課教師探討解決之道。這種剝繭抽絲般揭開謎團的過程對科學思維的培養遠遠超越了刷題的效果，是非常寶貴的教學素材。將近幾屆學生解決科研實際問題的案例在課上與學生進行分享，既使學生感到親切，又能使學生體會到課程的價值并不僅僅是為了考試，培養了學生“不唯書、不唯上”的辯證思維和方法論，對研究生將來更好地參與科研工作具有非常積極的意義。

最后，培養學生自主學習的能力。為解決課上講授知識有限的問題，要求學生準備一個多媒體課件作為平時作業，并抽取一定比例的學生在課上對自己的課件進行展示。課件內容僅要求與課程相關而并不局限于教師所講的內容，因此，學生可以通過查閱資料、請教師長等途徑，對課上教師沒有講授但自己可能會用到的儀器及技術進行自主學習。而這種通過講給別人而學習的效果，要大大好于被動接受式的學習[ 12 ] （P13）。

（五）中國傳統文化的科學哲學思想

近現代自然科學知識結構系統建立于西方，中國傳統文化體系雖與之大相徑庭，但傳統文化中有很多哲學思想對于科學研究工作仍具有指導意義。教育部在高校招生改革措施中所推出的“強基計劃”[ 15 ]大力提升人文科學的分量、加速建設文化強國。近年來，國內很多學者在科學研究中不忘中國傳統文化，在世界一流期刊發表的科研論文用中國古代傳說作為封面文章[ 16-20 ]，努力向世界講好中國故事。

本門課程雖是工科研究生學位專業課程，但對學生人文素養的培養非常重視。對于課程中涉及的一些費解的現代物理學知識，嘗試引入中國傳統文化中的部分哲學思想。比如，將現代物理學概念與程朱理學思想進行對比;在講授量子力學時，引用《老子》第四十一章的“上士聞道，勤而行之;中士聞道，若存若亡;下士聞道，大笑之。不笑，不足以為道”以幫助學生正確面對不理解的內容;在講解測不準原理時，介紹諸子百家“飛鳥之景未嘗動也”的辯題引發學生思考;通過《莊子·齊物論》“其分也，成也;其成也，毀也。凡物無成與毀，復通為一”的思想，幫助學生正確面對實驗失敗及數據異常等問題，既能調節課堂氣氛，又能幫助學生多維度地理解科學精神與科學思想。

（六）課程考核

本課程的考核以平時成績和期末考試相結合的方式進行，平時成績重在培養學生的學習能力和提升自我價值，對這三種學生給予加分：一是在平時作業中能夠認真思考并有獨到見解的學生;二是能夠對教師講授內容提出質疑并能進行論證的學生;三是積極參加公益活動對社會有所貢獻的學生。

期末考試采取閉卷筆試的形式。我們認為學生對開卷考試往往不夠重視，不利于認知型培養理念的落實。但如前文所述，為破除學生的記憶依賴，我們應在命題和閱卷過程中遵循以下兩點：一是命題以開放性題目為主，不設標準答案，給予學生發揮的空間;二是對于涉及的基本定義、概念解釋等內容，對能自己組織語言作答者的給分將高于完美背誦者的分數。以上兩點需在考前輔導課上均充分、明確地告知學生，這樣才能在整個教學過程的最后一環依然貫徹“認知能力重于知識點”的教學理念。

四、結語

本課程組對本單位研究生學位課“高級儀器分析”基于認知能力培養的教學理念進行了大膽的改革，使授課過程能夠幫助學生理解、引發學生思考，改變學生依賴于記憶的應試學習習慣。在此基礎上精心設計授課內容和考核方式，突出科學歷史、研究實踐和傳統文化哲學在授課中的作用，并創新性地嘗試碩士生和博士生同堂授課及學分互認。這些改革措施較好地解決了研究生“儀器分析”課程中一直存在并日益凸顯的問題。比如，內容寬泛與課時有限、更新快速與內容滯后、實踐性強與實驗課不足、能力培養與應試慣性等矛盾問題，為未來科研人才的科學素養培養，做出了積極的貢獻。

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Course Reform of Instrumental Analysis for Postgraduates Based on the Cultivation of Cognitive Ability

ZHANG Yi， SUN Xiu-lan， WANG Wen-long

（School of Food Science and Technology， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214122， China）

Abstract： The Instrument Analysis course for graduate students in colleges and universities has the characteristics of strong theory， practicality， comprehensiveness， innovativeness and covering a wide range， which causes difficulties in teaching arrangement and leads to outdated course content. With the rapid development of science and technology in related fields， similar problems have been increasingly emerging. The reform and exploration in teaching practice are mainly embodied in the following aspects： the innovative attempt to teach master and doctoral students in the same class and the mutual recognition of their credits; the design of the teaching content and evaluation methods following the concept that cultivating cognitive ability should be more emphasized than spreading knowledge so as to help students get rid of their dependence on memory; integrating the philosophy of Chinese traditional culture into the teaching process and cultivating students’ analysis and innovation ability.

Key words： cognitive ability cultivation; graduate student education; Instrumental Analysis course

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