創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)下儀器分析“教研賽”教學(xué)模式研究

劉雪巖，張蕾，姜曉慶，許旭，邢志強，張鵬

遼寧大學(xué)化學(xué)院，沈陽 110036

2020年以來，我國已進入創(chuàng)新型國家行列，經(jīng)濟社會進入到了“創(chuàng)新發(fā)展階段”，國家對高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需求比以往任何時候都更為迫切。國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略對高校人才培養(yǎng)提出了更高要求。然而，如何實現(xiàn)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，提升大學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，是高等教育者們需要認(rèn)真思考和探究的問題。

儀器分析是現(xiàn)代分析化學(xué)的重要分支，它是在化學(xué)分析基礎(chǔ)上，借助分析儀器研究物質(zhì)的化學(xué)組成、物質(zhì)含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)等信息的學(xué)科，是一門理論和技術(shù)含量都很高的應(yīng)用性學(xué)科，也是一門具有多學(xué)科交叉性、發(fā)展性和前沿性的學(xué)科[1–3]。目前，儀器分析已成為研究各種化學(xué)理論和實際問題的重要手段，因此，在化工、醫(yī)藥、生物、環(huán)境及材料等多學(xué)科專業(yè)教學(xué)中，儀器分析課程均被列為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[4–6]。我院開設(shè)的儀器分析課程是化學(xué)相關(guān)專業(yè)的核心課，完整的教學(xué)體系包含理論課教學(xué)和實驗課教學(xué)兩大部分,二者相輔相成,理論課主要側(cè)重原理和方法,實驗課則側(cè)重實踐和應(yīng)用。課程要求學(xué)生掌握現(xiàn)代化學(xué)分析儀器的原理和方法，能夠使用現(xiàn)代的分析儀器和手段解決化學(xué)問題，并且能夠針對具體問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)，通過各種信息綜合獲取合理有效的結(jié)論，并有一定的自主創(chuàng)新能力和科技研發(fā)能力。本課程的教學(xué)活動及教學(xué)改革探索圍繞課程目標(biāo)展開，通過完整課程體系的教學(xué)，力爭使學(xué)生高標(biāo)準(zhǔn)畢業(yè)，為社會輸送具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)儀器分析人才。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的發(fā)展和“移動終端”的普及，教育進入信息2.0時代，各種線上教學(xué)平臺、虛擬仿真平臺應(yīng)運而生，為儀器分析課程的教學(xué)注入了新的活力[7]。然而，如何充分利用線上優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源補充課上教學(xué)短板，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、創(chuàng)新意識，如何實現(xiàn)理論和實驗課程的相互配合，都是高素質(zhì)“創(chuàng)新人才”培養(yǎng)目標(biāo)下，本課程教學(xué)需要解決的問題。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端

儀器分析是一門實用性很強的課程，內(nèi)容涉及多個科學(xué)技術(shù)及交叉領(lǐng)域[8]，在長期教學(xué)過程及調(diào)查研究中，我們總結(jié)了目前儀器分析教學(xué)中普遍存在的一些問題。(1) 理論課內(nèi)容繁多且抽象，教學(xué)手段單一。(2) 理論教學(xué)與實驗教學(xué)脫節(jié)。由于大型精密儀器臺套數(shù)較少，一般采用分組循環(huán)進行，為保證每位學(xué)生的實驗操作都能在對應(yīng)理論課程后開展，往往需要將理論課與實驗課安排在兩個學(xué)期。(3) 重理論、輕實驗；重操作、輕設(shè)計。課程重點主要是理論講授，而實驗課走馬觀花，沒有起到將理論過渡到實際的橋梁作用。經(jīng)典驗證性實驗，以操作練習(xí)為主，欠缺對學(xué)生實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力提升。(4) 教材更新不及時，教學(xué)內(nèi)容不能與時俱進。

2 基于“教研賽”融合式教學(xué)模式改革設(shè)計

依照“創(chuàng)新人才培養(yǎng)”目標(biāo)，對儀器分析課程進行改革。針對傳統(tǒng)教學(xué)模式中普遍存在的問題，開展以問題為導(dǎo)向，以“教研賽”融合為手段，理論結(jié)合實踐的教學(xué)模式改革。改革設(shè)計方案如圖1所示，以創(chuàng)新實驗大賽為契機，依托各種現(xiàn)代儀器分析手段，將前沿科研成果改造、轉(zhuǎn)化為本科實驗教學(xué)內(nèi)容，形成“教研賽”融合的教學(xué)新模式，達到應(yīng)用所授儀器分析技術(shù)或彌補所缺儀器分析技術(shù)的目的。另外，通過線上資源和虛擬仿真平臺的聯(lián)合使用，將原本脫節(jié)的理論教學(xué)和實驗教學(xué)有機地銜接在一起，形成“虛實結(jié)合、理實一體化”的教學(xué)體系，實現(xiàn)教與練的緊密配合。該教學(xué)模式著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力，以及綜合分析問題、解決問題的能力。

圖1 儀器分析課程改革實施方案

3 以“熱重(TG)分析”為例“教研賽”融合式教學(xué)改革實踐

3.1 以競賽為依托，將科研前沿引入課堂

隨著科技的進步，在實際工作與科研探索中，人們對于現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的需求越來越迫切，這對教學(xué)工作也提出了更高的要求，教學(xué)改革勢在必行。因此，我們時刻關(guān)注前沿技術(shù)動態(tài)，了解學(xué)科前沿及最新成果，將科技前沿導(dǎo)讀引入雨課堂，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高課堂討論度，打開基礎(chǔ)理論與前沿應(yīng)用的通道，并以各類化學(xué)相關(guān)競賽為契機，不斷提升學(xué)生解決實際問題的能力。

本文以“TG分析”為例，呈現(xiàn)我們的“教研賽”融合式教學(xué)改革。我們目前使用的國家級規(guī)劃教材——華東理工大學(xué)《儀器分析(第五版)》沒有列入TG分析、掃描電鏡(SEM)分析及X射線衍射(XRD)等儀器的相關(guān)理論內(nèi)容，而這幾種分析手段在科研和實際生產(chǎn)中卻比較重要，因此，教研團隊設(shè)計將其豐富到課堂教學(xué)中，以彌補課程內(nèi)容的缺失。教學(xué)安排如下：

(1) 教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生利用中國大學(xué)MOOC資源——大連理工大學(xué)儀器分析實驗相關(guān)設(shè)備的理論及實驗教學(xué)，初步了解相關(guān)分析手段的理論知識體系及實踐應(yīng)用；

(2) 基于教研團隊在科研熱門領(lǐng)域“金屬有機框架(MOF)衍生的多孔碳材料”的研究成果，將適合本科教學(xué)的部分內(nèi)容設(shè)計為儀器分析實驗教學(xué)的選題(包括Cu-MOF衍生Cu/Cu2O@C的合成、成分判定、碳含量分析等)；

(3) 以“全國大學(xué)生化學(xué)實驗創(chuàng)新設(shè)計大賽”為契機，根據(jù)大賽要求組織學(xué)生進行參賽實驗方案的設(shè)計討論；

(4) 組建參賽隊伍，擬定參賽方案(題目：MOF衍生的過渡金屬(氧化物)基多孔碳材料制備及其碳含量TG分析)。如圖2所示，基于實驗方案，經(jīng)快速材料制備、設(shè)備Mlab移動虛擬仿真培訓(xùn)、儀器實際測試(SEM觀察材料形貌、XRD確定Cu元素的存在狀態(tài)、TG測試含碳量)、數(shù)據(jù)處理(Jade軟件應(yīng)用)、繪圖分析(Origin和ChemDraw軟件應(yīng)用)、實驗視頻制作、報告撰寫等一系列工作，形成完整的創(chuàng)新實驗參賽作品。

圖2 創(chuàng)新實驗流程

(5) 參賽作品完善后被列為本科實驗教學(xué)內(nèi)容，課程安排見圖3，創(chuàng)新設(shè)計實驗思維導(dǎo)圖見圖4，該教學(xué)改革的實施強化了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，增加了實驗課程的挑戰(zhàn)度，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖3 雨課堂儀器分析實驗內(nèi)容及創(chuàng)新設(shè)計實驗

圖4 創(chuàng)新設(shè)計實驗方案思維導(dǎo)圖

3.2 以線上教學(xué)為紐帶，促進理論與實驗教學(xué)銜接

基于中國大學(xué)MOOC在線學(xué)習(xí)平臺，在理論課教學(xué)階段引入實驗課優(yōu)質(zhì)線上學(xué)習(xí)資源，配合理論課程講解，使學(xué)生更加直觀地理解儀器分析及實驗原理，并可充分利用碎片時間，不擠占理論課學(xué)時，顯著提高課堂活躍度和學(xué)習(xí)效率。

實驗課教學(xué)時，學(xué)生可利用沉淀在雨課堂的理論課內(nèi)容回放，以及Mlabs虛擬仿真平臺的培訓(xùn)，提高實驗課學(xué)習(xí)體驗。此外，成熟的競賽成果將被引入雨課堂作為線上平臺的教學(xué)內(nèi)容，輔助實驗教學(xué)，本文中的“TG分析”創(chuàng)新實驗已經(jīng)在我們的雨課堂班級上線使用。

據(jù)此，通過線上線下混合式教學(xué)，達成理論與實驗的跨學(xué)期銜接，實現(xiàn)“虛實結(jié)合、理實一體化”的儀器分析教學(xué)體系。

4 優(yōu)化考核標(biāo)準(zhǔn)，完善評價體系

增大形成性評價占比是素質(zhì)教育改革的重要手段。理論課教學(xué)比以往更多關(guān)注過程考核，如圖5所示，相應(yīng)考核內(nèi)容均賦予一定分值，綜合計算給出成績。比如，理論課期末成績占比70%，形成性評價占比30% (其中，課堂表現(xiàn)，包括課堂互動問題等，占比10%；視頻學(xué)習(xí)，占比20%；作業(yè)，按章節(jié)有計劃發(fā)布，用以考核線上、線下學(xué)習(xí)成果，占比60%；課外討論，以“問題導(dǎo)向”引導(dǎo)課前預(yù)習(xí)及課后復(fù)習(xí)，占比10%)。另外，實驗課成績以形成性評價為主(占比70%)，主要包括虛擬仿真訓(xùn)練、實驗操作過程、數(shù)據(jù)處理、雨課堂實驗視頻/思考題的完成度等)。

圖5 理論課形成性評價方案

5 教學(xué)反思

儀器分析課程教學(xué)的重要性是不言而喻的，它為培養(yǎng)精通各種分析測試手段的技術(shù)人員提供理論和技術(shù)支撐。然而，陳舊枯燥的原理往往使教學(xué)效果不佳，高素質(zhì)人才培養(yǎng)目標(biāo)難以達成，亟需打破成規(guī)，改革創(chuàng)新。

(1) 科研熱點研究內(nèi)容引入教學(xué)(比如，MOF衍生碳材料中碳含量測定、光電修飾電極的制備及催化性能研究等等)，極大激發(fā)學(xué)生的好奇心、提高學(xué)習(xí)熱情；

(2) 開展競賽模式，引導(dǎo)學(xué)生團結(jié)協(xié)作，以同一目標(biāo)為出發(fā)點，綜合利用多種分析手段(比如SEM、XRD、TG等)及數(shù)據(jù)分析軟件(Jade、Origin等)，幫助學(xué)生更快掌握不同設(shè)備可提供的信息，加強解決實際問題的能力，不斷提升學(xué)生的科研素養(yǎng)；

(3) 線上內(nèi)容(雨課堂沉淀內(nèi)容+儀器分析實驗?zāi)秸n資源)及Mlab虛擬平臺的融入，充分銜接了理論與實驗，加強對課程內(nèi)容的理解；

(4) 評價方式更加多元化(引入課堂互動、視頻學(xué)習(xí)、線上作業(yè)、互動討論等形成性評價)，更加注重過程考核及能力提升。

以創(chuàng)新改革為目標(biāo)、以競賽為依托、以科學(xué)前沿為基石，開展“教研賽”融合的教學(xué)新模式，達到以研促教、以賽促學(xué)的效果，提升儀器分析課程的教學(xué)水平。

6 結(jié)語

針對傳統(tǒng)儀器分析教學(xué)存在的弊端，開展教學(xué)模式改革探索。在教學(xué)設(shè)計上對接學(xué)科前沿，科研反哺教學(xué)，用新穎有趣的科研設(shè)計性實驗替代陳舊且與實際應(yīng)用脫軌的經(jīng)典驗證性實驗。以化學(xué)競賽為依托，對學(xué)生進行全方位創(chuàng)新實驗訓(xùn)練，構(gòu)建“教研賽”融合的三位一體創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，提升課程目標(biāo)及畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的達成度。以“實驗視頻 + 雨課堂教學(xué)內(nèi)容回放 + Mlabs虛擬仿真平臺”作為“理論+實驗課”的銜接紐帶，“教研賽”模式貫穿整個課程體系，強化“厚基礎(chǔ)、重實踐、促創(chuàng)新”的育人特色，努力造就高素質(zhì)創(chuàng)新人才。本文的教學(xué)改革實踐探索，期待能為其他院校的儀器分析教學(xué)改革提供可借鑒的思路。