科研融入本科教學的研究

張海峰　程彩萍　王彬

摘? 要：通過計算機在化學中的應用課程學習，同學們能系統地掌握中國知網、Web of Science等數據庫文獻檢索， 論文撰寫，以及EndNote文獻管理、ChemSketch和ChemOffice有機結構繪制、Origin實驗數據處理等軟件的基本操作，具備基本的科研素養。為使同學們更好地掌握本門課程，主要在教學內容和教學模式上進行優化。教學內容上將科研融入本科教學，運用所學到的知識引導學生解決實際的科研問題。教學模式上充分運用網絡平臺采取線上和線下相結合的模式，適當縮短教師講授時間，增加學生上機練習時間，增加課堂翻轉環節。這樣可加深學生對相關內容的理解，拓展學生的視野，提高學生的科研創新能力。

關鍵詞：計算機在化學中的應用；本科教學；科研；教學內容；教學模式

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）26-0094-04

Abstract： Through the course content of Application of Computer in Chemistry， undergraduate can master the literature search of CNKI and Web of Science databases， thesis writing， as well as the operation of software such as literature management by Endnote， organic structure drawing by ChemSketch and ChemOffice， experimental data graphing by Origin， etc.， and have basic scientific research literacy. In order to enable undergraduate mastering the course better， teaching content and teaching mode are optimized. In teaching content， scientific research is integrated into undergraduate teaching， and undergraduate are guided to solve problems by learned knowledge. In teaching mode， network platform is fully used， online and offline combination mode is adopted， teaching time is shorted， practice time is increased， and classroom turnover is introduced. In this way， undergraduate can deepen their understanding of relevant contents， expand their knowledge and improve their ability of research and innovation.

Keywords： Application of Computer in Chemistry; undergraduate teaching; scientific research; teaching content; teaching mode

在我國科研蓬勃發展的趨勢下，提高本科生的科研水平和創新能力是高等教育面臨的重要機遇和挑戰。在本科教育中融入科研的相關知識，引導學生用科研的思維學習探究領悟新知識，激發學生的學習熱忱，改變被動教學模式，這對高校優秀人才的培養很重要。計算機在化學中的應用是一門專業性很強的課程，是課堂教學和科研之間的橋梁[1-2]。本課程通過對文獻檢索與管理、化學編輯與排版、實驗設計與數據處理、論文撰寫與演示等知識的講述，使學生們能系統地掌握中國知網、Web of Science等數據庫文獻檢索， 以及EndNote、ChemSketch、ChemOffice和Origin等軟件的基本操作，具備檢索中英文文獻、繪制有機分子結構、實現數據的圖形化處理、完成論文撰寫及匯報的能力[3-5]。在本科教學中引入該課程，有助于培養適應時代要求的高素質人才，為進一步的科研訓練打下良好基礎。筆者近些年一直承擔計算機在化學中的應用的教學工作，發現大多數同學很喜歡這門課程，但是將其熟練應用于科研稍顯不足。結合筆者的教學經驗，為了同學們能更好地掌握本門課程，需要在教學內容和教學模式上做進一步的優化。

一? 計算機在化學中的應用課程特點

計算機在化學中的應用是一門實踐性很強的課程，所有內容均需在電腦甚至聯網的情況下學習。針對上課環境的不同，目前該課程的教學方式主要有以下幾種：①如果課程安排在機房，一般是教師先講授一部分內容，隨后安排學生上機練習；②如果課程安排在教室，又分為兩種情況，一種是需要同學們帶電腦上課，邊講邊練習，一種是講授完所有課程后，集中安排機房練習。文獻數據庫檢索及軟件學習對實踐性要求很高，需要一邊學習一邊進行大量的練習。如果課程學習和軟件操作時間間隔太久，會導致學生在操作軟件時忘記之前所學內容。除此之外，EndNote、ChemSketch、ChemOffice和Origin軟件都是英文界面，這增加了軟件學習的困難度。針對上述問題，以計算機在化學中的應用課程大綱和培養方案為依據，以提高本科生的科研素養和解決問題的能力為目標，需對課程進行教學改革。本課程教學改革的核心內容分為兩個部分：教學內容優化和教學模式優化。教學內容上將科研所涉及到的一些知識融入到課堂教學，學會用本課程所學知識解決科研中遇到的一些問題[6-8]。教學模式上重點突出該課程理論和實踐緊密結合的特點，充分利用網絡教學平臺，優化考核方式[9-11]。

二? 教學內容優化

（一）? 文獻檢索

文獻檢索是科學決策的依據，是開始新課題的第一步，只有經過大量的文獻檢索和閱讀才能對課題有所理解并提出自己的觀點和實驗設計方案。本科生沒有經過系統的科研訓練，不理解文獻檢索對科研的重要性，因此在講授本章節時，可先講述一篇期刊論文發表所要經歷的過程，即查閱大量的文獻、制定實驗方案、開始實驗、獲取并處理實驗數據、論文撰寫、論文投遞修稿及接收。這樣有助于加深學生對文獻檢索的理解并激發他們的興趣。隨后全面介紹中英文數據庫。中文數據庫主要學習中國期刊全文數據庫（中國知網，CNKI），再簡單介紹萬方和維普資訊數據庫。英文數據庫主要介紹科學引文（Science Citation Index， SCI）、工程索引EI（The Engineering Index， EI）、美國化學會（American Chemical Society， ACS）、英國皇家化學會（Royal Society Of Chemistry，RSC）、Elsevier Science及Wiley InterScience等數據庫。本科生的英語水平和專業知識較為欠缺，因此在數據庫講解時應由簡入難，即先講中文數據庫，再講英文數據庫。為了能更精確地檢索目標文獻，須引導學生綜合設定限定條件，如篇名、摘要、關鍵詞、第一作者、作者單位、文獻來源和發表時間等。在講解時可結合他們所學過的知識進行檢索，如有機無機分子結構或同學們感興趣的關鍵詞等。此外還可以檢索代課教師的論文、學校主流研究方向及國內外的一些研究熱點。檢索出文獻后，為同學們展示如何分析這些文獻，如按主題、學科、發表年度、文獻類型、文獻來源、作者和機構等。經過此分析，同學們就可以了解課題研究的熱度是逐年上升還是下降，哪些科研機構或高校在做此類研究，哪些作者研究的較為系統全面，哪些期刊偏向于接受此類研究的論文等。講完文獻檢索及分析后，再為同學們講解文獻的收錄情況，如科學引文SCI收錄（根據中科院分區，又細分為一區、二區、三區和四區）、社會科學引文SSCI收錄、工程索引EI收錄、中國科學引文數據庫CSCD收錄、中國社會科學引文CSSCI收錄、北大核心收錄、南大核心收錄和科技核心收錄等。最后為同學們講解出版物檢索，在此可了解期刊的主辦單位、出版周期、影響因子和數據庫收錄等基本信息。每講解完一部分內容后，安排學生上機練習。文獻檢索拓展了學生的知識面、加深了同學們對知識點的理解，可將枯燥的理論學習和實際應用聯系在一起，有利于同學們自主學習能力的培養。

（二）? 文獻管理

文獻檢索和文獻管理緊密關聯，在開始一項新課題時會涉及到大量的文獻查閱，如何高效管理分析文獻對課題的展開非常重要。同學們在沒有接觸文獻管理軟件之前，大多是將文獻放在一個或多個文件夾中，這種方法的缺點是當文獻數量較多時，較難快速精確地找到目標文獻。除此之外，在撰寫論文時涉及到文獻的插入和文獻格式的編排，如果是手動錄入將會花費大量的時間且容易出錯，而文獻管理軟件可快速插入文獻和設定文獻格式。EndNote是Thomson Reuters公司開發的集文獻管理、分析和使用的軟件，是目前最常用的一款文獻管理軟件。為了同學們能更好地掌握和應用EndNote軟件，在安裝好軟件以后，需對軟件的界面做一定的調整，如在群組列表中創建同級目錄和子目錄，并重新命名，調整文獻列表的標簽欄顯示內容和位置，調整預覽面板置于界面底部等。EndNote數據庫文獻錄入主要有4種方式：手工錄入、聯網直接檢索、網絡數據庫下載導入和PDF文件導入。在建立本地數據時，可先讓同學們在中國知網和Web of Science上檢索自己感興趣或指定關鍵詞的文獻，隨后下載導入文獻建立本地數據庫。本地數據庫建立好后，接著為同學們展示如何分析文獻，如按出版年、按收錄期刊、按引用次數、按標題或按作者排序等。最后為同學們展示如何在本地數據庫中查找目標文獻，以及為目標文獻加入PDF附件。EndNote在安裝時會自動在word中添加插件，在撰寫論文時可隨時將EndNote中的文獻插入到word中，并根據期刊要求選擇完全相同或相近的參考文獻格式。為了同學們能更好地掌握EndNote軟件，在講解此處內容時，可復制一段本校本專業的畢業論文，再為同學講授如何在word中插入文獻和編輯文獻格式。

（三）? 有機化學結構的繪制

有機化學結構在化學化工專業同學們的日常學習中經常會涉及到，如有機化學和有機化學實驗專業基礎課的學習，有機化學文獻的閱讀以及畢業論文的撰寫等。因此有機結構繪制是這類同學們必須要掌握的知識點。目前常用的繪制軟件有ChemSketch和ChemOffice，其中ChemSketch更適合有機結構繪制的初學者，在繪制有機反應裝置圖方面有一定的特色，ChemOffice的功能非常強大，尤其是化學結構的3D視圖對同學們理解二維有機結構的三維構型非常重要。筆者所選的李謙編寫的《計算機在化學化工的應用》課本中只有ChemSketch軟件，沒有ChemOffice軟件，因為在講授該內容時，筆者先講述了ChemSketch軟件，隨后又補充了ChemOffice軟件。這兩款軟件界面都為純英文，且界面上的功能鍵很多，同學們在剛開始接觸時，會有一種本能的排斥感。為了調動學生的積極性和興趣，在具體的授課過程中，先引導同學們思考課本中的有機結構和化學反應裝置圖是如何得來的，以及文獻中的化學結構是如何編輯的，隨后再講授軟件的界面和功能鍵。對于ChemSketch軟件，主要學習結構模式和繪圖模式。結構模式用于繪制各種化學結構和反應式，并對結構進行命名和性質預測等。繪圖模式主要用于繪制反應裝置圖，以及為分子結構添加圖形和注釋等。對于ChemOffice軟件，主要有3個模塊，分別為ChemDraw（化學結構繪制和分析模塊）、Chem3D（分子模型及仿真模塊）和ChemFinder（化學信息搜索整合系統）。結合本科生所學知識及需求的特點，對于ChemOffice軟件，筆者主要講述了ChemDraw和Chem3D。在用ChemDraw繪制有機結構時，主要繪制了化學反應方程式、中間體結構、復雜環結構、Fischer葡萄糖結構、透視結構、Newman結構、立體結構、苯環軌道結構和二茂鐵結構等。在講解Chem3D時，將繪制好的二維結構復制到Chem3D軟件中顯示其三維構型，拖動鼠標為同學們充分展示結構的空間構型。隨后為同學們展示如何計算原子鍵長、鍵角、標記原子等，最后嘗試著讓同學們用ChemOffice軟件繪制學術海報。當兩款軟件都學會后，從同學們所學過的課本中選出部分具有代表性的結構進行練習，然后找一些本校教師發表的論文中的結構讓同學們進行練習。

（四）? 實驗數據圖形化

實驗數據的圖形化是顯示和分析實驗數據的重要工具。熟練掌握計算機圖表繪制和數據分析是每一個從事科學研究人員的必備技能。Origin軟件因其功能強大、操作簡單、兼容性好，成為化學從業者首選的數據分析軟件。化學化工專業的本科生在做實驗時會獲得大量的數據，如果涉及到數據繪圖，大多采用坐標紙手動繪制或Excel繪制。手動繪制適用于數據較少的圖形，且繪制出來的圖形精度較差。Excel適合簡單圖形的繪制，復雜圖形的繪制就需要用到更為專業的數據處理軟件，如Origin。Origin軟件的學習難度較大，為了吸引同學們的注意力，可將筆者自己繪制好的數據圖展示給同學們，如單層二維圖形、多層二維圖形、三維圖形等，再有就是為同學們展示常用到的線性擬合數據圖、柱狀圖和餅狀圖等。當同學們了解了Origin的作用后，再講授軟件的界面和常用的功能鍵。Origin界面上有兩個主要的窗口，工作簿窗口主要用于數據錄入，圖形窗口用于顯示和存儲繪制的圖形。Origin的數據錄入主要有手工輸入，剪貼板傳送和數據文件導入。在繪制二維圖形時，根據軟件自帶的數據，可繪制雙Y軸、垂直兩欄、水平兩欄、雙X雙Y軸、曲線堆積和質譜等圖形。初始圖形繪制好后，需對圖形做進一步的調整和修飾使其更加美觀，如設置線的連接方式、線型、線寬和顏色，設置符號的樣式、大小和顏色，調整橫縱坐標軸顯示范圍及是否顯示坐標軸等。每講完一部分內容后，安排上機練習。在軟件學習中，還可以讓同學們用Origin處理之前獲取的實驗數據，如繪制物理化學實驗中的步冷曲線，繪制儀器分析實驗中的紅外紫外圖，繪制分光光度計實驗中的工作曲線等，這樣Origin軟件學習就能和實際應用緊密聯系起來，提高了同學們的成就感和滿足感。為了進一步強化同學們對Origin軟件的應用，還可從期刊論文中摘取一部分數據進行練習。在講這部分內容時，要強調同學們須尊重原始數據，不得隨意更改數據。

（五）? 科技論文寫作

科技論文是作者對所從事的研究進行的集假說、數據和結論為一體的概括性論述。撰寫科技論文是對研究工作的整理、總結和精煉，是科技工作者的必備技能。本科生在畢業時都要完成畢業論文的撰寫，因此科技論文的相關知識和寫作方法是非常實用的。科技論文撰寫和本課程前面所學的文獻檢索、文獻管理、有機結構繪制及數據的圖形化處理是緊密關聯的，有了前面知識的鋪墊，才能開始論文的寫作。在講授本章內容時，可先下載幾篇中英文期刊論文和碩博本科學位論文，結合實例講解期刊論文和學位論文的主要構成部分和撰寫方法。筆者授課時結合自己寫論文時的一些感悟，可使學生對論文寫作有更全方位的理解，如論文題目的擬定、摘要的提煉、引言部分的背景介紹和問題的提出、實驗方法材料、討論部分的數據分析和挖掘、結論部分的總結、參考文獻的插入和編輯等。同時還要強調科技論文的科學性、創造性、邏輯性、有效性和學術性等特點，絕不可出現論文抄襲和數據造假等學術不端行為。

三? 教學模式優化

計算機在化學中的應用課程所涉及的內容和知識點很廣泛，最明顯的特點是需用電腦聯網檢索和軟件實踐操作。以往的教學模式是以教師講解和操作演示為主，隨后安排學生進行練習。這種教學方式的缺點是當例題講得較多時，同學們上機操作時間就相對較少，這會導致學生不能及時掌握和鞏固所學內容。筆者根據多年的教學經驗認為需適當減少課堂教學時間，增加學生上機操作時間，其他未在課堂中講解的例題可放在線上教學平臺供學生參考學習。為了課堂教學和上機練習更具有連貫性，該課程要安排在機房或者要求學生攜帶筆記本電腦。教師在課堂中講解一部分內容后，要求學生立馬進行實踐操作，這樣有問題就可實時溝通。為了充分調動學生的積極性，可適當增加課堂反轉環節，讓同學們分組選出各自的代表上臺操作軟件并講解給其他同學。身份互換有利于學生集中注意力，提高學生對課程的重視程度[12]。充分利用現行的網絡資源和實時通訊工具，如在教學中運用學習通上傳相關教學課件和視頻，學生可隨時在線或下載學習，建立QQ群或微信群，同學們可隨時提出問題，老師和同學均可答疑，方便老師與學生，學生與學生之間的互動交流。

四? 課程考核

以培養創新性人才和提升學生的科研素質為教學目標，需要對教學效果進行綜合評價。考核不單純是知識考核，更要全面考核學生對所學軟件的掌握情況及實際解決科研中遇到問題的能力。本門課程是理論和實踐結合非常緊密的一門課程，采用常規的閉卷考試方式不能很好地反映出學生對知識的掌握程度。為此改革考核方式為總成績=平時成績（40%）+課程論文（60%）。平時成績包含了考勤、作業和階段性測驗，可督促學生認真學習，課程論文可綜合反映學生對知識的掌握程度。

五? 結束語

計算機在化學中的應用課程是本科教學和科研素質培養之間的橋梁，通過課程內容的學習，能夠幫助同學們解決科研中遇到的諸多問題，如文獻檢索、文獻管理、有機結構繪制、實驗數據圖形化處理、論文撰寫以及科研成果的展示等。將科研融入本科教學，極大地激發了同學們的學習熱忱，拓展了知識面，豐富了學習的方式方法，有利于高校優秀人才的培養。

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基金項目：山西省教育科學“十四五”規劃2021年度課題“以《計算機在化學中的應用》為例將科研融入本科教學的研究”（GH-21330）

第一作者簡介：張海峰（1986-），女，漢族，山西朔州人，博士，副教授。研究方向為化學理論計算。