“雙一流”背景下大學生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)
——以物理化學實驗教學為例

孫 越, 郝 強, 周禹希

(遼寧師范大學 化學化工學院,遼寧 大連 116029)

“雙一流”建設即“建設世界一流大學”和“建設世界一流學科”,是習近平總書記在2014年提出的偉大構(gòu)想,是黨中央、國務院在新的歷史時期,為整體提升國家的教育教學水平、增強我國在世界舞臺上的核心競爭力做出的重大戰(zhàn)略決策[1-2].2015年11月，國務院發(fā)布《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》,2017年1月，教育部、財政部、國家發(fā)改委聯(lián)合公布《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設實施辦法(暫行)》.這兩份文件指出具有戰(zhàn)略高度的“雙一流”建設不僅是國之教育發(fā)展道路上的必然選擇,也是我國政治、經(jīng)濟發(fā)展以及提升國際競爭力的迫切需要[3-5].

“雙一流”建設的總體目標是推進一批具有高水平的學校及學科進入世界教育領(lǐng)域的一流行列或者前列,其中，“雙一流”建設的重要使命是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才[6].化學是一門以實驗為基礎的自然科學,物理化學實驗是大學本科生畢業(yè)前的最后一門實驗課程,它在教學過程中有著十分重要的地位,對學生理解、掌握物理化學理論知識，學習相應的操作技能,將理論知識應用到實踐中,培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力等方面具有重要作用[7-8].本文以遼寧師范大學為例,介紹化學化工學院(以下簡稱學院)在“雙一流”建設背景下,以實驗促教學,在物理化學實驗教學中提升學生科研創(chuàng)新能力的方法、舉措,以及在提升大學化學實驗教學效果中的作用.

1 多層次全開放的實驗教學體系

遼寧師范大學化學化工學院目前有3個本科專業(yè),分別是化學(師范)、應用化學、藥物化學.學院基于“以學生為本,重基礎、求創(chuàng)新,培養(yǎng)具有社會責任感、實踐能力突出的高素質(zhì)人才”的實驗教學理念,利用多個省級重點實驗室和省級科普基地的優(yōu)勢資源,已形成多層次的實驗教學體系,以提高學生科研創(chuàng)新能力,滿足化學學科發(fā)展對基礎教育領(lǐng)域化學教師及化學相關(guān)人才的要求.具體做法是以“基本技能—綜合能力—創(chuàng)新能力—從業(yè)能力”為主線,開設基礎實驗—綜合實驗—研究設計型實驗—校外實訓等課程.其中,物理化學學科分支中開設《基礎物理化學實驗》《理化測試》(綜合實驗)《中級物理化學實驗》《計算機輔助藥物設計》3個層次、4門獨立實驗課程.如圖1所示,基礎實驗主要訓練學生的物理化學基本實驗技能，綜合實驗側(cè)重于實驗內(nèi)容的整體性設計,培養(yǎng)學生對物理化學知識、技術(shù)、實驗方法和手段的綜合應用.研究設計型實驗則圍繞擬解決的科學或技術(shù)問題進行系統(tǒng)的課題研究和方法訓練,為學生創(chuàng)造自主學習及探索的科學實驗平臺,使學生的實踐和創(chuàng)新能力得到系統(tǒng)的培養(yǎng)與訓練,為拔尖學生科研創(chuàng)新能力的提升提供成才條件.校外實訓則根據(jù)不同專業(yè)的特點,開展具有專業(yè)特色的實習、實訓,培養(yǎng)學生綜合解決問題的能力、團隊精神及創(chuàng)新能力.

圖1 多層次全開放的實驗教學體系Fig.1 Student’s scientific research training during the experments

需要指明的是各個層次的物理化學實驗都對大學本科生開放,允許學有余力的學生進入實驗室進行相關(guān)科學研究,培養(yǎng)學生科研創(chuàng)新能力.例如,“凝固點降低法測定摩爾質(zhì)量”是一個經(jīng)典的基礎物理化學實驗,傳統(tǒng)教材中一般使用“苯-萘”體系進行測試.苯是一種致癌物質(zhì),人暴露在大量的苯中會引起白血病,部分文獻使用環(huán)己烷代替苯.但環(huán)己烷容易吸收水蒸氣,實驗中常需精餾,且不能在高溫、高濕季節(jié)開設實驗.針對上述問題,物理化學實驗教學團隊將中級實驗室開放,組織學生對實驗中的溶質(zhì)、溶劑進行重新選擇,經(jīng)過系列探索,成功選擇水為溶劑測定葡萄糖的摩爾質(zhì)量,并在實驗方法上進行了改進,相關(guān)成果已發(fā)表論文《介紹一個綠色物理化學實驗——凝固點降低法測定葡萄糖的摩爾質(zhì)量》[9].

物理化學實驗數(shù)據(jù)的處理方法有加權(quán)平均法、作圖法、列表法等.實驗中為了避免誤差,通常會采集大量實驗數(shù)據(jù),學生手動處理實驗數(shù)據(jù)常常需要花費很多時間、精力.另外,手動處理數(shù)據(jù)常會帶來較大誤差.為了解決這些問題,物理化學實驗教學團隊開放各基礎實驗,組織對計算機感興趣的化學專業(yè)本科生,以Visual Basic為工具,采用非線性擬合、數(shù)值積分等方法開發(fā)出“物化實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”,對實驗數(shù)據(jù)進行自動處理,并可打印出計算結(jié)果和圖形.通過數(shù)據(jù)錄入和數(shù)據(jù)處理過程分開,從根本上杜絕了學生抄襲實驗報告的現(xiàn)象,也解決了手動處理數(shù)據(jù)費時、費力、誤差較大等問題.該研究成果已制作成軟件(ISBN978-7-89423-261-8),經(jīng)高等教育電子音像出版社面向全國刊印發(fā)行.

2 科研課題式的小組實驗模式

科研課題式的小組實驗模式,就是將學生分成4～6個人的小組,教師給出多個實驗課題,每組任選一個完成.圍繞課題目標使學生在互動、探究、研討過程中,培養(yǎng)思維能力、歸納總結(jié)能力、交流表達能力以及集體合作能力,有效促進學生多樣化成才.例如,在“理化測試”綜合實驗中教師設置課內(nèi)特殊訓練環(huán)節(jié),以“生物酶催化反應動力學常數(shù)的測定”為研究目標,如圖2所示.讓學生不僅要參考實驗教材,更要像從事科研工作一樣,從課外參考書、中文文獻、英文文獻等方面獲得相關(guān)資料,進而設計實驗方案、進行實驗探究、跟蹤與記錄實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)處理和圖譜解析、論文寫作等,對學生進行全方位訓練.值得一提的是論文格式要符合一般科研論文的標準,要有數(shù)據(jù)分析、有結(jié)果和討論、參考文獻等等.學生科研課題式的小組實驗模式,不僅使學生感受了科學研究的一般流程,突出了學生的主體作用,使學生的獨立思考和操作能力得到了普遍提高.同時學生在課題小組內(nèi),也有了挑戰(zhàn)自己的機會,在順利完成自己設計的實驗后收獲了極大的成就感以及對科學研究的興趣,這對以后開展真正的科研工作具有非常積極的影響.最后,學生科研課題式的小組實驗模式有助于培養(yǎng)學生的團隊精神,有創(chuàng)意的學生的靈感和建議會對組內(nèi)實驗產(chǎn)生正向的推動作用,學生們在實驗中瞬間產(chǎn)生的思維火花,有助于進一步引發(fā)學生“主動學習”的熱情,為學生創(chuàng)新能力和科研思維能力的提升提供了基礎.

圖2 學生實驗中的科研訓練環(huán)節(jié)Fig.2 Scientific research and train link in students’ experiment

3 科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容

學院很多教授、副教授主持國家自然科學基金項目,他們在授課過程中,結(jié)合自己的最新科研成果和研究體會,把相關(guān)課程的前沿進展和研究方法不斷地引入教學.例如,物理化學實驗教學團隊把已經(jīng)成熟的科研成果直接轉(zhuǎn)換為教育教學項目,先后開設了有關(guān)“質(zhì)子交換膜燃料電池”“催化劑的活性評價”等研究設計性實驗題目.這些具有創(chuàng)新性的實驗內(nèi)容已編入化學工業(yè)出版社出版的《物理化學實驗》教材[10]中.對于研究設計性實驗,還有的實驗項目來源于本地的中小企業(yè),這些企業(yè)本身沒有科研團隊,但有較大科研需求,于是企業(yè)與學院教師協(xié)同創(chuàng)新,聯(lián)合擬定研究設計性實驗題目,如“油脂的脫色技術(shù)研究”“用于低碳鏈甘油三酯制備的催化劑研究”等.這些實驗所需經(jīng)費由企業(yè)提供,得到實驗結(jié)果用于企業(yè)提升產(chǎn)品價值.而這些實驗項目可使學生更好地接受科研訓練,提升職業(yè)素質(zhì),提高學習的目的性和主動性,培養(yǎng)學生真正“有用”的知識和技能.

計算化學在生產(chǎn)、科研等實踐中的應用越來越廣泛,尤其是計算機、虛擬仿真等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展,使化學學科已不再是純實驗的自然科學,它正經(jīng)歷悄無聲息的變革[11].學院物理化學實驗教學團隊結(jié)合目前化學學科發(fā)展的趨勢及教師自己的科研實際,為藥物化學專業(yè)的學生開設了獨立的實驗課程《計算機輔助藥物設計》(64學時),同時，《基礎物理化學實驗》課程中也開設了計算化學實驗項目——《甲醛分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的計算化學研究》(8學時).這意味著學院所有專業(yè)的學生都能掌握一些計算化學相關(guān)知識,學生將更能適應大學化學學科體系經(jīng)歷的變革,學生的知識結(jié)構(gòu)和技能結(jié)構(gòu)也更能適應現(xiàn)代化建設的需求.

4 定期、不定期地開展前沿科研講座

學科前沿講座是學生了解科研發(fā)展方向、進度的一個不可或缺的資源.學生可以通過講座,第一時間了解自然科學領(lǐng)域最新的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明,人文社會科學領(lǐng)域的研究成果,甚至是人類精神文明的發(fā)生、發(fā)展[12].學術(shù)講座作為第二課堂內(nèi)容,可以開闊學生思維,為第一課堂進行有效的補充；而第一課堂上學到的理論又是講座的重要基礎,將兩者緊密聯(lián)系起來,對學生專業(yè)素養(yǎng)、知識技能、創(chuàng)新意識的提高都有很重要的作用[13].物理化學是一門比較抽象的二級學科,為本科生開展前沿知識講座需要有更高的要求.比如，低年級的學生沒有完整的知識體系,對于專業(yè)性強的講座很容易因為難以理解講座內(nèi)容而浪費了時間精力,甚至失去對科研的信心，這就要求在講座內(nèi)容和方式上做出改變.例如，舉辦相關(guān)講座時,面對本科生,講座內(nèi)容不需要“專、博、深”,要以學生知識結(jié)構(gòu)背景為基礎,聯(lián)系人們生活所面臨的問題,介紹學科中的新理念、新技術(shù).同時,舉辦講座的教師要研究能力強、知識面廣,不僅熟悉相關(guān)領(lǐng)域科研發(fā)展方向和趨勢,還要能與課本知識相結(jié)合,把抽象的科研成果具體化,將講座內(nèi)容最后回歸學生實驗課堂上,讓學生充分體驗理論來源于實際,科研就在身邊.

為了讓講座更好地發(fā)揮作用,有以下兩方面舉措.首先對于低年級、沒有科研基礎的學生,請院內(nèi)資深教授進行宣講.學院內(nèi)的教師,對本學院學生的培養(yǎng)方向以及知識基礎有一定了解,講座時,結(jié)合本學院的資源和各個教師的研究成果,會有一個很好的導向作用,在內(nèi)容上也能做到有的放矢;第二,邀請校外對本學科有獨到見解的專家舉辦講座.使學生不局限于本學校,還為他們在未來就業(yè)或創(chuàng)業(yè)中提供更多方向的選擇,給學生創(chuàng)造更大的發(fā)展平臺.通過定期、不定期開展學術(shù)前沿講座,本科生不僅了解到科研的最新發(fā)展動態(tài),更學習了老師以及科研工作者們對學術(shù)研究的態(tài)度.在一定程度上促進了教師教學和學生發(fā)展,對學生化學專業(yè)素養(yǎng)、科研技能、創(chuàng)新意識的提高都具有重要的意義.

5 結(jié) 語

物理化學實驗在大學化學教育、教學中的地位非常重要,在創(chuàng)建世界一流大學、一流學科、培養(yǎng)一流人才等方面發(fā)揮著特殊的作用.幾十年來,學院物理化學實驗教學團隊多次調(diào)整、修改學生的培養(yǎng)方案、教師的教學計劃,形成了多層次、全開放的實驗教學體系.科研課題式的小組實驗模式,將縱向、橫向科研成果轉(zhuǎn)換為實驗教學內(nèi)容,并定期、不定期地開展前沿科研講座,積極把前沿發(fā)展融合進課堂,從而期望學生跟上時代的腳步,走在發(fā)展的前端,不斷提高科研創(chuàng)新能力,為早日實現(xiàn)中華民族的科技復興貢獻力量.