科研成果向?qū)嶒灲虒W轉(zhuǎn)化的探索與實踐

向　丹　高培紅　張　雯

（西安交通大學理學院化學教學實驗中心，西安710049）

科研成果向?qū)嶒灲虒W轉(zhuǎn)化的探索與實踐

向丹高培紅張雯*

（西安交通大學理學院化學教學實驗中心，西安710049）

介紹了化學綜合實驗改革實施的幾項舉措，分別從將成熟的科研成果向?qū)嶒烅椖哭D(zhuǎn)化、先進儀器實訓、改進教學手段及考核辦法幾項進行論述。

化學實驗；創(chuàng)新；綜合；教學改革

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隨著社會對高校畢業(yè)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識要求的不斷提高，化學實驗（綜合性）的重要性也不斷地被強調(diào)［1，2］。化學綜合實驗是應用化學專業(yè)的核心課程，各大高校紛紛對該課程進行調(diào)整以適應新形勢下的要求。如復旦大學在專項經(jīng)費的資助下大刀闊斧地修訂實驗項目，以實現(xiàn)“培養(yǎng)學生串聯(lián)、組裝各知識點、實驗技能，形成有效解決問題的能力”的教學理念［3］。西南科技大學的化學綜合實驗課程已經(jīng)發(fā)展成熟，向著精品課程發(fā)展，形成了信息化平臺的教學資源［4］。北京大學則是將綜合化學實驗教學延伸到科研學術組內(nèi)，引導學生更多地參與到科研課題組［5］。我校（西安交通大學）化學綜合實驗的發(fā)展受資金限制，只能通過“節(jié)流”來實現(xiàn)跳躍式的改革?；瘜W綜合實驗課程處在學生修完基礎實驗與開始畢業(yè)設計前這個關鍵的時期，其目的是對學生已學知識進行總結(jié)、歸納、應用和延伸，使學生在修完化學綜合實驗課程之后，能夠更加順暢地過渡到隨后的科研訓練及畢業(yè)設計環(huán)節(jié)，循序漸進地得到系統(tǒng)的研究訓練。針對這些限制和需求，將前沿領域科學研究中相對成熟的科研成果向教學實驗項目轉(zhuǎn)化是最快最有效的方式；而且，隨著教師科研的進展，隨時將教師新的成熟科研項目不斷地融入到化學綜合實驗的教學中，也保證了化學綜合實驗實現(xiàn)新技術、新應用、新視野的要求。

化學綜合實驗課程在新要求下應具備以下特點：①在內(nèi)容上要體現(xiàn)“綜合”的特性；② 使學生全面接觸大型測試儀器；③緊密聯(lián)系當前研究熱點。這樣設置課程內(nèi)容不僅能改善實驗項目陳舊的問題，引領學生直接關注研究熱點，同時也能系統(tǒng)地訓練學生提出問題、分析問題和解決問題的能力［6］。實驗的全面性也讓參與實驗的教師對自己的科研有了新的體會，實實在在地起到教學相長的作用。

1　實驗項目選擇

提高學生實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)這一目標的實現(xiàn)需要從一點一滴做起，切實完成好一個個具體的實驗［7］。因此，我們從以下幾個方面對實驗項目進行了修訂。

（1）突出熱點和學科前沿。

學院調(diào)動廣大優(yōu)秀教師對《化學綜合實驗》教材重新進行了編寫，所有實驗均精選自一線教師的教學積累、近期研究成果及前沿科學等相關課題，內(nèi)容涉及鋰電池電極材料、熒光磷光材料、金屬有機配合物、表面活性劑等多個領域。

例如“氧化-還原法制備石墨烯”的實驗。由于石墨烯在電子運輸、導電性、機械特性等方面廣闊的應用前景，加上其在2010年成為諾貝爾物理獎的主題，受到廣大科研工作者的青睞，是目前國內(nèi)外研究的熱點課題。本學院教師在科研基礎上將其轉(zhuǎn)化為一個成熟的綜合實驗。充分考慮實驗安全性和原料成本，以天然鱗片石墨為原料，運用Hummers法制備氧化石墨，通過超聲波剝離技術制備單層氧化石墨烯及還原石墨烯，并通過X射線衍射譜和拉曼光譜對比分析了原料和產(chǎn)品。再如磷光發(fā)光材料對未來新一代顯示技術及節(jié)能固態(tài)照明光源研發(fā)的意義重大，實驗“2-苯基吡啶Pt配合物磷光發(fā)光分子的合成與光物理表征”合成了一種磷光發(fā)光分子，它是一種金屬有機配合物，是在聚合物主鏈或支鏈通過化學鍵引入功能性金屬中心而生成的新型高聚物。金屬聚合物由于整合了金屬中心的導電、熒光、氧化還原、催化特性以及高分子材料優(yōu)良的溶解性能而備受關注，在催化、磁性材料、熒光材料等多方面都有很好的應用前景［8，9］，也是當今化學研究領域的熱門課題之一。我校教師將其整合成一套適用于學生操作的綜合實驗。從前驅(qū)體的制備、目標分子的合成到產(chǎn)物的分離、提純，從方法的選擇到洗脫液的選擇配比，都進行了深入的探討，讓學生對金屬配合物的合成方法以及柱層析分離有了更清晰的認識。

這些實驗既加強了學生化學專業(yè)必備的基本操作技能訓練，又能讓他們充分了解教師的科研內(nèi)容和目前此研究方向的現(xiàn)狀與進展，開闊了眼界，達到了提高學生實踐能力和綜合素質(zhì)的目的。

（2）聯(lián)系實際，注重設計。

大多數(shù)基礎實驗內(nèi)容與日常生活關系不大，學生在實驗過程中只是照方抓藥，這樣會有種紙上談兵的感覺。這次改革引入了一些和日常生活緊密相關的實驗，可以讓學生體會化學知識對人類文明的推進作用，提升他們的專業(yè)親切感和自豪感。如“兩性表面活性劑十二烷基二甲基甜菜堿（BS-12）的合成與評價”，學生自己從原料入手合成表面活性劑，進行系統(tǒng)的性能評價后進一步設計并配制自己專屬的洗手液和洗發(fā)水；鋁合金是日常生活中一種非常重要的裝飾材料，“鋁合金的圖紋化”實驗強調(diào)學生自行設計，在教師審閱保證安全的情況下給予學生最大的自由度，讓學生將校徽、自己的名字制作成銘牌留作紀念。這種寓教于樂的實驗能有效提高學生的興趣；實實在在的樣品更有視覺沖擊力，使學生對相關知識的印象更加深刻。

（3）緊密圍繞“綜合”的主題。

整個教材的選題對于從單個實驗內(nèi)容到各項目之間的關聯(lián)都進行了通盤考慮。單個項目內(nèi)容全面，從產(chǎn)品合成、優(yōu)化、修飾到表征是一個小“綜合”，各實驗項目之間從基礎性實驗、綜合型實驗到設計性實驗，逐級增加實驗難度，并且囊括了化學學科中的幾大分支，輻射到了無機合成、高分子、儀器分析等各方面，甚至對近化學學科（如材料、醫(yī)學、食品等）也有涉及，相當于一個大“綜合”。《化學綜合實驗》教材本身是一本很好的科研入門資料，雖然我們在課程設置上不能將所有實驗全部開出，但是學生在平時的閱讀中也能有所收益。化學綜合實驗將做成一個不斷開發(fā)升級、滾動發(fā)展的課程，逐步開出更多新型的實驗，為科研成果向教學項目的轉(zhuǎn)化進行有益的探索，為學生系統(tǒng)地接受科研訓練創(chuàng)建平臺。

2　引入先進大型儀器

大型儀器設備是高等院校重要的科技資源之一，隨著國家對高等教育經(jīng)費的不斷增加，我校的儀器設備特別是大型精密儀器設備在數(shù)量上有了很大的提高。由于基礎實驗條件和目標的限制，學生接觸到大型精密儀器的機會很少，但在進行畢業(yè)設計時又需要使用，造成了帶畢業(yè)設計教師的很大困擾。因此在化學綜合實驗課程中引入先進實驗儀器的訓練很重要。

在化學綜合實驗課程中，學生有機會在老師的指導下親自操作大型儀器，可以提高他們參與實驗的興趣。同時使用大型儀器的經(jīng)歷使得他們對儀器的構(gòu)造、使用及簡單維修都有了很直觀的認識，也能更深刻地體會到先進儀器設備對科研發(fā)展的促進作用。改革后的化學綜合實驗課程中的所有實驗項目均涉及產(chǎn)品的鑒定分析，涵蓋了我中心大部分的大型儀器，如：X射線衍射儀（XRD）、核磁共振儀（NMR）、拉曼光譜儀（Raman）、紫外可見吸收光譜儀（UV-vis）、傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、熒光光譜儀（AFS）、接觸角儀（CAT）等。每位教師可根據(jù)自己的科研內(nèi)容，選擇最有代表性的幾種表征手段。教師對儀器的原理、具體的操作方法以及最后的譜圖分析都要進行詳細的介紹，使學生在掌握儀器的使用方法后能夠自行進行檢測。與傳統(tǒng)實驗相比較，學生的參與度更高。

如在實驗“金屬酞菁的合成及光譜特性研究”中，學生合成出含有鈷、鋁、鋅等金屬中心原子的酞菁配合物，分別研究了不同金屬中心、不同溶劑對酞菁紫外可見吸收光譜的影響，并針對同一溶劑的不同濃度、不同金屬中心的酞菁熒光光譜進行了檢測對比。相較于基礎化學實驗單一的評價條件，在化學綜合實驗中系統(tǒng)地討論了各種變量之間的聯(lián)系和影響，對學生分析問題、解決問題的能力都是很好的鍛煉。同時，學生對兩種譜圖進行分析比較，對紫外可見吸收光譜及熒光光譜這兩種分析手段之間的聯(lián)系和區(qū)別也有了更深的認識。又如實驗“局部麻醉劑苯佐卡因的制備及表征”，由對甲基乙酰苯胺分四步反應最終合成出產(chǎn)品苯佐卡因，每合成出一種前驅(qū)體都要進行相應的檢測（用熔點儀測熔點，用紅外光譜分析官能團等），學生從檢測的數(shù)據(jù)和合成產(chǎn)品的產(chǎn)量，選擇下一步的投料量，最終對合成出的產(chǎn)品進行核磁共振分析。由于每一步的成敗都直接影響最終的結(jié)果，可使學生意識到這是“自己”獨一無二的實驗，檢測時就不會走過場。

3　調(diào)整教學方法及考核辦法

3.1教學方法的改進

化學綜合實驗已從原來的32學時增加到64學時，時間的延長有利于科研的系統(tǒng)性，同時也對這門課程提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的實驗課一般都是教師根據(jù)教科書中的明確實驗目標對學生提出統(tǒng)一的要求；改革后的化學綜合實驗不但內(nèi)容輻射面廣，而且與時俱進，強調(diào)學生參與實驗設計，這更符合培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求。課程內(nèi)容則是教師給出實驗題目及基礎背景，由學生上網(wǎng)查閱相關資料，在課堂上教師和學生相互探討；教師根據(jù)目前的研究水平進行分析，并結(jié)合實驗室具體條件，和學生一起討論出最佳的合成路線、提純方法及相應的檢測手段；在實驗過程中，教師根據(jù)每個學生的實際情況給出解決辦法，直到最后報告的完成。學生每完成一個實驗就相當于完成了一個系統(tǒng)的小課題。

3.2師資配備的調(diào)整

化學綜合實驗課程的改革對帶實驗課的教師自身科研水平的要求有很大提高。以往科研水平高的資深教師較少參與實驗教學。此次除了對課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)上進行很大的調(diào)整之外，另一個亮點就是科研一線的教授、副教授直接走進實驗室，全程參與學生實驗中的討論、指導。同時，打破了一位教師主講一門課程的傳統(tǒng)。我們的實驗課是由一位教師總負責，6位資深教授、副教授分別指導自己編寫的實驗項目。由最專業(yè)的教師講授自己最擅長的實驗，能使學生在實驗過程中隨時接受到最有效的指導，這本身對學生來說就有很強的吸引力，因此收效顯著。

3.3考核制度的改進

完善的考核體系能更好地檢驗教與學的效果，同時也能促進教學內(nèi)容的不斷完善。新的考核制度更注重對學生自身素質(zhì)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，既包括對平時操作技能的評價，也包括對實驗的積極性、主動性，實驗設計能力，求真務實的科學態(tài)度等的評價。平時成績從原來占總成績的30%增加到70%。加大平時實驗的成績能使學生更注重在平時實驗過程中的表現(xiàn)，引導他們由過去的“學習、考試”型學生向“學習、探索、研究、創(chuàng)新”型學生轉(zhuǎn)變。

4　以科研助教學、教學帶科研的循環(huán)滾動式發(fā)展

經(jīng)過系統(tǒng)的綜合化學實驗課程訓練后，提高了學生科研訓練中分析問題、解決問題及實驗操作的能力，使他們對隨后進行的畢業(yè)設計選題、考研方向和工作方向的選擇都變得更主動、更有目的性，而且縮短了學生進入畢業(yè)設計后的磨合期。同時，這門課程促進了不同研究方向的交叉，更有利于激發(fā)創(chuàng)新思維，產(chǎn)生新的科研思路。

科研與教學是對立的統(tǒng)一體，二者相輔相成，相互促進。以科研助教學，以教學促科研的循環(huán)滾動式發(fā)展既能鍛煉學生的能力，又有利于教師的科研，是一項雙贏的措施。

5　結(jié)論和展望

科研成果向?qū)嶒灲虒W轉(zhuǎn)化的實踐，得到了廣大師生的認可。學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力方面有了明顯提高；查閱文獻、分析問題、解決問題的能力，對大型儀器的認知及熟練操作都取得了很大的進步，為他們進行后續(xù)的學習和研究打下了堅實的基礎?；瘜W綜合實驗將不斷更新和調(diào)整，這對教學資源配套提出更高的要求，而且也需要教師傾注更多的心血、投入更多的力量。這種改革無疑會使教學和科研都充滿勃勃的生機?？蒲谐晒?qū)嶒灲虒W轉(zhuǎn)化是高校教學科研相輔相成的正路，理應得到大力推廣。

［1］林金華.大學化學，2010，25（5），20.

［2］肖小華，鄒小勇，張杰鵬，閆素君，邵光，林志強，陳六平.大學化學，2013，28（4），36.

［3］牛國興，高翔，徐華龍.大學化學，2012，27（4），27.

［4］鐘國清，霍冀川，葉旭，張歡.大學化學，2011，26（1），16.

［5］呂占霞，賀維軍，高珍，范星河.大學化學，2011，26（1），14.

［6］金成樹，遲云超，趙大偉，郎德龍，劉海燕.廣東化工，2011，38（3），185.

［7］朱玉華，楊正宏.實驗室研究與探索，2008，27（1），7.

［8］何敏.新型金屬有機配位聚合物的制備及在微量物質(zhì)檢測上的應用［D］.合肥：中國科學技術大學，2013.

［9］李志法.廣州化工，2014，42（1），35.

［10］張雯，郭麗娜，胡敏，李健軍.化學綜合實驗.西安：西安交通大學出版社，2014.

The Exploration and Practice of Transforming Scientific Achievements to Experimental Teaching Resources

XIANG DanGAO Pei-HongZHANG Wen*
（Xi′an Jiaotong University，Chemistry Teaching Experiment Center，Xi′an 710049，P.R.China）

This article introduced several reform measures of Comprehensive Chemistry Laboratory at Xi′an Jiaotong University，including adapting experiments from the mature scientific research project，training to use the advanced instruments，as well as improving teaching and examination methods.

Chemistry experiment；Innovation；Comprehensive；Teaching reform

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX20160211

，Email：zhangwen@mail.xjtu.deu.cn

西安交通大學教師發(fā)展中心本科教學改革研究項目