美國本科化學(xué)教育對我國建設(shè)一流本科的啟示

朱玉軍?李川?王香鳳

摘 要：建設(shè)一流本科是我國高等教育改革的重要目標(biāo)。本文分析美國《本科化學(xué)專業(yè)教育：學(xué)士學(xué)位的指導(dǎo)和評估規(guī)范》，探討美國本科化學(xué)教育的學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系、教學(xué)方法、師資要求、條件保障等，得出對我國建設(shè)一流本科的啟示。

關(guān)鍵詞：一流本科;本科化學(xué)教育;培養(yǎng)目標(biāo);課程體系;教學(xué)方法;教師專業(yè)發(fā)展

化學(xué)學(xué)科作為一門基礎(chǔ)性實驗科學(xué)，在疾病控制、能源問題解決、環(huán)境治理，乃至新生產(chǎn)力的創(chuàng)造和發(fā)展、國防建設(shè)、新材料新技術(shù)發(fā)明等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]。在我國教育部公布的“雙一流”建設(shè)名單中，一流化學(xué)學(xué)科建設(shè)高校有25所，排名第二，僅次于材料科學(xué)與工程。

一流本科教育是世界一流大學(xué)建設(shè)的重要基礎(chǔ)，是世界一流學(xué)科建設(shè)的重要支撐。一流本科教育需要明確人才培養(yǎng)的目標(biāo)和規(guī)格，優(yōu)化課程體系和教學(xué)內(nèi)容，重視能力和素質(zhì)培養(yǎng)，改革教學(xué)方法和手段，倡導(dǎo)教學(xué)與科研融合，加強保障體系建設(shè)[2]。本文通過分析美國化學(xué)會（ACS）發(fā)布的最新版《本科化學(xué)專業(yè)教育：學(xué)士學(xué)位的指導(dǎo)和評估規(guī)范》（以下簡稱ACS規(guī)范）[3]，從人才培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)生能力要求、課程體系、教學(xué)方法、保障條件等方面為我國一流本科建設(shè)提供參考。

一、美國本科化學(xué)教育的學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)

ACS規(guī)范特別強調(diào)本科化學(xué)專業(yè)學(xué)生的能力培養(yǎng)目標(biāo)，并以獨立章節(jié)從6個方面給出了規(guī)定。

（1）問題解決能力。教會學(xué)生如何清晰地界定問題，形成可以驗證的假設(shè)，設(shè)計并執(zhí)行實驗操作，使用恰當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計方法分析數(shù)據(jù)，理解實驗測量在本質(zhì)上存在的不確定性，得出恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)論等問題解決的基本程序。要求學(xué)生不斷挑戰(zhàn)自我，應(yīng)用自己對化學(xué)所有分支學(xué)科的理解，運用恰當(dāng)?shù)膶嶒灱寄芎蛢x器解決問題。這種能力的培養(yǎng)需要貫穿所有的課程中。

（2）化學(xué)文獻及信息管理能力。包括通過檢索化學(xué)文獻高效地獲取信息，批判性地評價科學(xué)技術(shù)文獻，管理多種類型的化學(xué)信息等能力。在所有的課程與教學(xué)過程中，必須教會學(xué)生高效利用關(guān)鍵詞、作者、摘要、引文、專利等信息評價文獻資料的質(zhì)量;注重評價學(xué)生在回答化學(xué)問題時閱讀、分析、解釋和引用化學(xué)文獻的能力;幫助學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)管理和歸檔技能，學(xué)習(xí)借助電子手段或其他方式保存閱讀記錄、管理引文和相關(guān)信息的方法?？梢栽诒究粕茖W(xué)研究、個人或團隊研究項目中發(fā)展和評價學(xué)生的文獻檢索和信息管理能力，也可以開設(shè)獨立的課程來有效培養(yǎng)學(xué)生文獻檢索能力。

（3）實驗室安全技能。包括學(xué)會使用可靠的廢物處理技術(shù)，遵守安全規(guī)則;適當(dāng)使用個人保護裝備以減少危險;理解化學(xué)品對人體健康和環(huán)境的危險性類別;正確使用安全數(shù)據(jù)表和其他已經(jīng)出版的安全標(biāo)準(zhǔn)以及線上安全參考資料;能夠識別和評估實驗室存在的化學(xué)或物理危險，知道如何降低安全風(fēng)險，知道如何應(yīng)對緊急突發(fā)事件。要創(chuàng)建相應(yīng)的氛圍和文化制度，促成學(xué)生在實驗室中展示對安全技能的理解和運用。在第一節(jié)實驗課時，就要著力促進實驗安全意識和技能的培養(yǎng)，并滲透到此后的每一節(jié)實驗課中。在開始本科生科學(xué)研究之前，學(xué)生既要接受普通的安全教育，也要接受特殊實驗室的安全教育。在所有的課程中，無論是在教室，還是在實驗室，都要強調(diào)安全實踐，并讓學(xué)生積極地參與實驗室的安全風(fēng)險評估。

（4）溝通交流能力。在化學(xué)課程中應(yīng)該給學(xué)生書面和口頭交流的機會，訓(xùn)練學(xué)生交流科技信息的能力，讓學(xué)生學(xué)會清晰而有組織地呈現(xiàn)信息，學(xué)會用科學(xué)恰當(dāng)?shù)姆绞阶珜憙?nèi)容清晰、組織合理、語言簡明的研究報告，學(xué)習(xí)使用相關(guān)的技術(shù)來輔助表達和交流信息?；瘜W(xué)是一項全球性的事業(yè)，學(xué)習(xí)一門或更多的外語，或者修讀一門國際課程可以有效增強學(xué)生與世界上其他化學(xué)家進行交流的能力。

（5）團隊協(xié)作能力。團隊協(xié)作能力即團隊協(xié)作下的高效工作能力，其培養(yǎng)應(yīng)該滲透所有化學(xué)課程學(xué)習(xí)中，為學(xué)生提供機會學(xué)習(xí)如何在團隊內(nèi)通過高效的互動來解決科學(xué)問題，如何與不同團隊里的同行高效合作。有效的團隊協(xié)作體驗，將有助于培養(yǎng)學(xué)生的團隊領(lǐng)導(dǎo)能力和協(xié)作能力。

（6）科學(xué)道德規(guī)范。應(yīng)該教育學(xué)生負(fù)責(zé)任地對待科學(xué)研究數(shù)據(jù)，適當(dāng)引用他人的研究成果，學(xué)習(xí)科學(xué)研究成果出版的標(biāo)準(zhǔn)，以及與抄襲、剽竊有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)等。讓學(xué)生了解化學(xué)在當(dāng)今社會和全球問題中扮演的角色，例如綠色化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展。作為學(xué)生的楷模，教師應(yīng)在教學(xué)、科研和其他專業(yè)活動中做好示范，展現(xiàn)自己負(fù)責(zé)任的行為與表現(xiàn)。

二、美國本科化學(xué)教育的課程體系和教學(xué)方法

為了全面達成學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)，ACS規(guī)范將本科生需要修讀的課程分為專業(yè)課程、實驗課程、專業(yè)傾向課程（Degree Tracks or Concentrations）、高峰體驗課程（Capstone Experiences）、關(guān)聯(lián)課程（Cognate Course）、科學(xué)研究等6大類，滿足不同學(xué)生的需求。另外，還提出了教學(xué)方法的要求。

1.化學(xué)專業(yè)課程體系

ACS規(guī)范將大學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)的化學(xué)專業(yè)課程確定為5個二級學(xué)科分支：分析化學(xué)、生物化學(xué)、無機化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)?；瘜W(xué)專業(yè)課程體系則被分為3個層次：（1）引導(dǎo)性課程，主要是教給學(xué)生化學(xué)的基本概念;（2）基

礎(chǔ)性課程，在引導(dǎo)性課程之上拓展化學(xué)學(xué)科的知識寬度，包括分析化學(xué)、生物化學(xué)、無機化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)等5大化學(xué)分支學(xué)科的內(nèi)容，使用專門的教材要求學(xué)生深刻理解各分支學(xué)科的基本概念，掌握深度學(xué)習(xí)化學(xué)所需的技能;（3）深度課程，是基礎(chǔ)性課程內(nèi)容的整合學(xué)習(xí)和深度研究，注重訓(xùn)練學(xué)生的批判性思維和問題解決能力，對學(xué)生使用化學(xué)文獻的能力提出更高要求，并鼓勵將現(xiàn)代化學(xué)研究主題整合到深度課程中，例如催化作用、環(huán)境化學(xué)、綠色/可持續(xù)發(fā)展化學(xué)、材料科學(xué)和毒理學(xué)等。

針對專業(yè)課程內(nèi)容， ACS規(guī)范特別強調(diào)應(yīng)同時包括小分子和大分子，必須要涵蓋合成聚合物、生物大分子、超分子聚合、納米材料等4個前沿領(lǐng)域中的2個，而且要用1個標(biāo)準(zhǔn)學(xué)期的1/4時間來保障其教學(xué)質(zhì)量。

2.化學(xué)實驗課程體系

ACS規(guī)范強調(diào)實驗課程與專業(yè)課程的結(jié)合，規(guī)定了與專業(yè)課程體系相匹配的3個層次的實驗課程：（1）引導(dǎo)性化學(xué)實驗課程，主要是教師指導(dǎo)下的學(xué)生動手實驗，教給學(xué)生基本的實驗技能;（2）基礎(chǔ)性實驗課程，要求學(xué)生理解現(xiàn)代儀器的操作和理論，并能使用這些儀器解決物質(zhì)合成、物質(zhì)性質(zhì)分析、物質(zhì)結(jié)構(gòu)測定等化學(xué)問題，全面發(fā)展學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)分析、操作現(xiàn)代儀器、計算機建模等多種能力，涵蓋分析化學(xué)、生物化學(xué)、無機化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)等5個分支學(xué)科中的4個;（3）深

度實驗課程，要求學(xué)生綜合運用各種技能，每周在實驗室工作的時間至少要達到6個小時，需要自己設(shè)計實驗方案、實施實驗方案、分析實驗數(shù)據(jù)，而且會利用化學(xué)文獻指導(dǎo)實驗

工作。

3.專業(yè)傾向課程、高峰體驗課程和關(guān)聯(lián)課程

（1）專業(yè)傾向課程，是ACS規(guī)范為滿足不同學(xué)校的特色建設(shè)和不同學(xué)生的興趣需要而設(shè)計的。其內(nèi)容可以涵蓋多個化學(xué)二級學(xué)科，也可以聚焦一個化學(xué)二級學(xué)科，還可以是與化學(xué)相關(guān)的交叉學(xué)科領(lǐng)域（如化學(xué)教育、化學(xué)物理學(xué)、環(huán)境化學(xué)、法醫(yī)化學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)藥化學(xué)、聚合物化學(xué)等），還能將新興化學(xué)研究領(lǐng)域和地方特色整合進去。

（2）高峰體驗課程，被稱為本科生課程的“皇冠”，其目標(biāo)是進一步培養(yǎng)學(xué)生的能力[4]。ACS規(guī)范將高峰體驗課程定位于學(xué)生從完成學(xué)業(yè)到走向未來專業(yè)實踐的橋梁，要求學(xué)生綜合運用所有課程學(xué)習(xí)過程中所掌握的知識和技能，通過紙筆測驗（或口頭測驗）、口頭報告、書面報告等方式評價學(xué)生整合知識、使用化學(xué)文獻、有效交流等能力。

（3）關(guān)聯(lián)課程，是指合格畢業(yè)生必須完成2個學(xué)期的微積分課程和2個學(xué)期的物理及其實驗課程。ACS規(guī)范強烈推薦基于微積分的物理課程，多變量微積分、線性代數(shù)和微分方程等數(shù)學(xué)課程內(nèi)容。

4.參與科學(xué)研究

ACS規(guī)范指出，本科生從事科學(xué)研究，并提供寫作良好、證據(jù)充分、文獻新穎的綜合性研究報告，可以被計算為深度課程的學(xué)分和實驗課程的學(xué)時。ACS規(guī)范提到，本科生參與科學(xué)研究項目，可以整合并強化學(xué)習(xí)到的化學(xué)知識，發(fā)展科研能力和專業(yè)技能，有機會使用更多的科研儀器，學(xué)習(xí)借鑒導(dǎo)師的專業(yè)知識和技能，使本科階段的學(xué)習(xí)經(jīng)歷更加完整。

5.教學(xué)方法

（1）ACS規(guī)范特別注重有效教學(xué)方法的運用。強調(diào)無論是課堂教學(xué)還是實驗課，教師應(yīng)采取有效的教學(xué)方法，以適應(yīng)學(xué)生的不同學(xué)習(xí)風(fēng)格。而且，應(yīng)該定期檢查教學(xué)方法的有效性，以確保這些方法能夠促進學(xué)生的學(xué)習(xí)。教師應(yīng)該采用那些被證明為有效的教學(xué)方法：基于問題或探究的學(xué)習(xí)，同伴引領(lǐng)教學(xué)，學(xué)習(xí)共同體教學(xué)，技術(shù)輔助教學(xué)（如個人應(yīng)答系統(tǒng)的使用、翻轉(zhuǎn)課堂或混合課堂）。在實驗課教學(xué)中，要采用探究驅(qū)動和結(jié)論開放的研究，促進學(xué)生發(fā)展獨立思考能力、批判性思維能力和推理能力。

（2）ACS規(guī)范對在線教學(xué)和虛擬教學(xué)有特別規(guī)定。強調(diào)其提供的課程內(nèi)容和培養(yǎng)的學(xué)生技能應(yīng)當(dāng)至少與師生面對面的教學(xué)處在同一水平。特別指出，應(yīng)該保證參與在線課程學(xué)習(xí)的學(xué)生有足夠的機會與教師接觸，并有機會與同伴合作學(xué)習(xí)。而對于實驗課程，ACS規(guī)范特別強調(diào)化學(xué)是實證科學(xué)，需要親自動手接觸和操控物質(zhì)、設(shè)備和儀器，親手操作的專業(yè)技能不能通過虛擬實驗訓(xùn)練來培養(yǎng)，虛擬實驗可以作為一種教學(xué)補充手段，但不能替代親自動手實驗。

三、美國本科化學(xué)教育的保障條件

1.師資要求及保障

（1）本科學(xué)位點建設(shè)的專職人員。ACS規(guī)范要求至少要有5位全職教師完全致力于化學(xué)本科學(xué)位點的建設(shè)與改進。

（2）教師的學(xué)歷。ACS規(guī)范要求至少75%以上的化學(xué)教師必須擁有博士學(xué)位或同等的研究水平。

（3）對授課教師的要求。ACS規(guī)范強調(diào)開設(shè)的課程應(yīng)當(dāng)由永久聘用的教師來講授，可以偶爾邀請高水平的外部專業(yè)人員講授特別的課程或頂替因故而缺席的教師，但強烈反對過分依賴臨時兼職教師代課。

（4）教師的專業(yè)發(fā)展保障。ACS規(guī)范強調(diào)：①要有保證教師專業(yè)能力發(fā)展的機制，給教師提供自身發(fā)展和前輩指導(dǎo)的機會，并對教師的表現(xiàn)定期給予反饋;②要有足夠的從事行政、倉儲、技術(shù)、機械、衛(wèi)生等服務(wù)和支持工作的職員，以保障教師將時間和精力用在教學(xué)和學(xué)術(shù)研究活動上;③應(yīng)當(dāng)為教師提供參加學(xué)術(shù)活動的機會和資源，讓教師了解科學(xué)研究前沿和現(xiàn)代教育理論;④應(yīng)該為教師提供各種機會學(xué)習(xí)有效的化學(xué)教育實踐知識和科學(xué)學(xué)習(xí)與認(rèn)知的現(xiàn)代理論。

2.硬件要求及保障

（1）實驗儀器配備。ACS規(guī)范強調(diào)必須要有正常運轉(zhuǎn)的核磁共振儀供學(xué)生使用，還至少要配備分子光譜、原子光譜、質(zhì)譜、色譜、電化學(xué)等5大類儀器中的4類（見下表）。

電化學(xué) 電位分析法，電流分析法，庫侖分析法，伏安法等

另外，ACS規(guī)范還要求必須擁有一些輔助設(shè)備：滿足真空和惰性氣體系統(tǒng)的裝置，示差掃描量熱分析（DSC）、熱重量分析法（TGA）等熱分析儀器，X射線衍射儀，電子顯微鏡、掃描探針顯微鏡、共聚焦顯微鏡等成像和顯微鏡觀察儀器，熱循環(huán)器、離心機、凝膠電泳系統(tǒng)等生物化學(xué)類儀器等。

（2）教學(xué)及科研場所。ACS規(guī)范對教室、教師辦公室、實驗室等教學(xué)及科研場所都給出了明確的要求：教室、教師辦公室和實驗室之間的距離要合理，便于教學(xué)場所的切換;教室要具有現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的照明、通風(fēng)條件，具有適當(dāng)?shù)恼故竞屯队霸O(shè)備，具有互聯(lián)網(wǎng)接入功能等;所有實驗室必須配備正常運行的通風(fēng)櫥、安全噴淋裝置、洗眼器、急救藥箱、滅火器等基本安全保障設(shè)備和措施。

（3）文獻信息資源。ACS規(guī)范要求必須提供14種以上的同行評議期刊，而且這些期刊要涵蓋所有化學(xué)科學(xué)研究領(lǐng)域，還要包括現(xiàn)刊和過刊，至少有1種期刊分別來自分析化學(xué)、生物化學(xué)、無機化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)和化學(xué)教育等領(lǐng)域，另外要求至少有3種綜合性的期刊（如《科學(xué)》《美國化學(xué)會志》《德國應(yīng)用化學(xué)》《歐洲化學(xué)》《化學(xué)通訊》等）。圖書館還必須通過館際互借或文獻傳遞等方式，及時提供在本校圖書館內(nèi)無法獲取的期刊論文，并為學(xué)生提供可以利用的技術(shù)數(shù)據(jù)和其他資源，培養(yǎng)學(xué)生的文獻檢索能力。

四、對我國建設(shè)一流本科的啟示

通過對ACS規(guī)范的分析，可以得到美國本科化學(xué)教育對我國建設(shè)一流本科的有益啟示。

（1）著眼學(xué)生未來發(fā)展，明確一流人才的能力培養(yǎng)目標(biāo)。ACS規(guī)范按照化學(xué)專業(yè)從業(yè)者、繼續(xù)接受研究生教育和未來成長為專業(yè)的化學(xué)家的素質(zhì)要求，對本科生的能力培養(yǎng)提出了明確的目標(biāo)和要求。我國建設(shè)一流本科應(yīng)該在考慮學(xué)科特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合《關(guān)于深化教育體制機制改革的意見》提出的認(rèn)知能力、合作能力、創(chuàng)新能力、職業(yè)能力等關(guān)鍵能力[5]，著眼學(xué)生未來發(fā)展，明確一流人才的能力培養(yǎng)目標(biāo)及操作要求。這樣一來，將有利于形成一流人才和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實踐路徑、落地機制和保障體制。

（2）著眼學(xué)科發(fā)展和地方優(yōu)勢，建設(shè)一流的課程體系。ACS規(guī)范中的課程體系注重理論與實驗的結(jié)合，注重層次性和選擇性，課程內(nèi)容兼顧學(xué)科基礎(chǔ)、學(xué)科前沿和學(xué)科交叉，考慮不同學(xué)校的特色和學(xué)生的不同需求。我國一流本科建設(shè)需要一流的課程體系作為保障。各個一流本科建設(shè)的高校不僅要著眼學(xué)科未來發(fā)展趨勢，而且要著眼于地方的優(yōu)勢和需求，考慮學(xué)生的差異性和選擇性，統(tǒng)籌規(guī)劃，調(diào)整和完善現(xiàn)有的課程體系，建設(shè)成層次遞進、相互配合、特色鮮明、有選擇性的一流課程體系。

（3）著眼教師專業(yè)發(fā)展，建設(shè)一流的師資隊伍。ACS規(guī)范對師資提出了人力、學(xué)歷、授課、專業(yè)發(fā)展及其保障機制等要求，特別強調(diào)要促進教師的專業(yè)發(fā)展，不僅涉及學(xué)術(shù)研究，還要求發(fā)展教師的教育理論水平和教學(xué)技能。建設(shè)一流的師資隊伍是我國一流本科建設(shè)的首要任務(wù)。建設(shè)一流的師資隊伍，需要著眼于教師專業(yè)發(fā)展的需要、困境、規(guī)律，建立促進教師專業(yè)發(fā)展的資源、機制和體制，增強師資隊伍的自我?guī)头?、梯隊建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的能力。

（4）著眼教學(xué)研究成果，運用先進而有效的教學(xué)方法。ACS規(guī)范注重教學(xué)方法的有效性和先進性，強調(diào)教師要使用有效的教學(xué)方法，學(xué)習(xí)先進的教育理論。過去，大學(xué)教學(xué)主要是靠教師的經(jīng)驗，而隨著教育研究的發(fā)展，教學(xué)應(yīng)該建立在教學(xué)研究的基礎(chǔ)上。國外某些大學(xué)已經(jīng)開始聘用專門的教學(xué)研究人員，劍橋大學(xué)就是其中的先行者[6]。我國一流本科建設(shè)需要著眼于教學(xué)研究及其成果推廣，讓被證明為有效的教學(xué)方法、教育技術(shù)、學(xué)習(xí)方式走進課堂，保證一流課程實施和一流人才培養(yǎng)的有效性。

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