研究生現(xiàn)代光譜分析課程的教學改革探索與實踐

宦雙燕，宋國勝，陳婷婷，王玉枝

湖南大學化學化工學院，長沙 410082

研究生教育為高層次人才培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)造能力提升提供重要保障，如今中國特色社會主義進入新時代，科技發(fā)展和社會進步對高層次創(chuàng)新人才的需求更加迫切，研究生教育的地位和作用進一步彰顯。當今化學學科的發(fā)展呈現(xiàn)交叉融合縱深發(fā)展的特點，強調(diào)內(nèi)涵式高質(zhì)量發(fā)展，如何結(jié)合學科特色，為國家培養(yǎng)德才兼?zhèn)?、?chuàng)新能力突出的新時代研究生也是研究型高校肩負的歷史使命。而課程教學是研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和“三觀”價值引領的切入點和關鍵環(huán)節(jié)。如何將研究生素質(zhì)能力培養(yǎng)落實到每門研究生課程的建設中，在課程教學中體現(xiàn)知識、素質(zhì)和能力培養(yǎng)，突出創(chuàng)新思維引導和“三觀”價值引領，構建適應新時代的研究生課程教學體系和教學模式，也是提高研究生人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑[1]。

以本教學團隊開設的現(xiàn)代光譜分析研究生學位基礎課為例。該課程是針對湖南大學化學學科碩士研究生開設的一門專業(yè)基礎必修課。該課程旨在介紹常用的光譜分析理論及最新的研究方法和技術，特別是尚未進入經(jīng)典教科書的新方法，對研究生從事光譜分析等領域研究工作起到引導作用。通過本課程的學習，培養(yǎng)研究生的科研創(chuàng)新思維和學術交流能力，提高研究生運用所學現(xiàn)代光譜分析技術解決實際科研問題的能力。本課程自2010年開設以來，不斷進行課程建設與教學改革探索，2020年獲批湖南省研究生優(yōu)質(zhì)課程立項建設。本文主要對現(xiàn)代光譜分析課程建設與教學改革措施及成效進行總結(jié)梳理。

1 教學內(nèi)容上與時俱進

針對現(xiàn)代光譜分析課程，國內(nèi)外還沒有合適的參考教材，早期該課程的研究生教學結(jié)合了湖南大學分析化學學科特色，主要圍繞激光光譜分析法、圓二色性法、表面等離子體共振技術、光化學與生物傳感器等內(nèi)容開展教學。隨著光譜分析領域相關分析技術的發(fā)展變革，在教學內(nèi)容上做出了相應調(diào)整，2013年以來主要圍繞熒光共振能量轉(zhuǎn)移、上轉(zhuǎn)換發(fā)光、表面增強拉曼和表面等離子體共振等現(xiàn)代分析技術及其在化學生物分析中的應用開展教學。隨后2014年依托湖南大學研究生全英文課程建設項目，對課程教學內(nèi)容和網(wǎng)站進行了全面建設。近年來隨著光譜分析新方法的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代光譜分析課程教學團隊在光譜分析基本方法原理的基礎上，圍繞科研前沿領域進行相關內(nèi)容的拓展，目前32學時課程主要內(nèi)容包括三部分：(1) 熒光光譜分析基本原理、共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)和上轉(zhuǎn)換發(fā)光原理及應用；(2) 拉曼光譜、表面增強拉曼光譜(SERS)和表面等離子共振(SPR)原理及應用；(3) 現(xiàn)代光譜分析新方法及應用，主要介紹光聲和近紅外II區(qū)成像分析，化學發(fā)光、生物發(fā)光和長余輝發(fā)光分析等現(xiàn)代光譜分析新技術。

在教學中注重科研前沿文獻、英文教材章節(jié)與教學的結(jié)合。在熒光光譜分析原理、FRET、SERS等內(nèi)容講授時，結(jié)合英文原版書籍的部分章節(jié)內(nèi)容[2]，作為拓展學習資料。結(jié)合經(jīng)典英文文獻進行方法技術的應用講解，在教學中將教師的最新研究成果融入到課程教學中，如光聲和近紅外II區(qū)成像、化學發(fā)光等內(nèi)容，均有教師課題組最新研究成果的介紹[3–7]。在此基礎上，讓學生圍繞專題進行科研前沿代表性英文文獻的搜集和講解，將最新文獻內(nèi)容作為課程教學內(nèi)容的一個重要組成部分，依此加強學生理論與實際應用相聯(lián)系的能力，拓展學科視野。

2 課程思政案例設計與融入

新時代高等教育的根本任務是立德樹人，這對研究生課程的育人功能也提出了新要求[8]。如何讓課程在知識傳授的同時，發(fā)揮同向同行的協(xié)同效應，在研究生培養(yǎng)中起到“三觀”價值引領作用，也是我們深入思考的問題。研究生不僅要掌握扎實的現(xiàn)代光譜分析專業(yè)知識，還應具備家國情懷和科學素養(yǎng)、國際視野和創(chuàng)新思維、合作意識和社會責任感。在現(xiàn)代光譜分析課程的教學中，本教學團隊不斷挖掘課程蘊含的獨特育人素材，探索將其融入現(xiàn)代光譜分析課程的教學中。

在緒論部分，以“葡萄糖”為關鍵詞構建了一個立體化教學案例[9]，在教學中我們進一步將思政元素與教學內(nèi)容進行深度融合。該案例涉及到七個具體問題的學習和討論：(1) 葡萄糖的來源與酶反應；(2) 葡萄糖的吸收與轉(zhuǎn)運蛋白；(3) 熒光標記觀察葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白；(4) 血糖水平與糖尿?。?5) 血糖計的檢測原理；(6) 血糖的無創(chuàng)檢測技術；(7) 血糖研究的前沿——智能調(diào)控。通過該案例，學習如何從“葡萄糖分子”的“點”出發(fā)，由“點”到“面”，縱深拓展的科學思維方式，從宏觀代謝延伸到微觀分子轉(zhuǎn)運和疾病成因，從健康相關的血糖檢測拓展到微創(chuàng)、無創(chuàng)診斷和分子診療等科研前沿問題。在該緒論教學中還設計了以下思政點：(1) 科研人物與科學家精神的介紹，例如如何將熒光蛋白變成“工具”來“照亮”細胞的華人諾獎得主錢永健先生。(2) 科技創(chuàng)新的國際形勢與我國實情比較，激發(fā)科技強國情懷，如傳感器市場規(guī)模2015年已經(jīng)達到1200億，而我國本土傳感器產(chǎn)業(yè)相對弱小，在以“智能制造”為代表的第四次工業(yè)革命中，加強傳感器的研發(fā)，實現(xiàn)“中國智造”是科技強國的必經(jīng)之路。(3) 對客觀事物內(nèi)在本質(zhì)、規(guī)律的歸納提煉，如血糖研究可以總結(jié)出從有創(chuàng)到無創(chuàng)，從靜態(tài)到動態(tài)監(jiān)測，從檢測到診療一體化的普遍規(guī)律，這一規(guī)律適用于生命體系其他相關分子的科學研究。(4) 科研倫理思辨的引入，如關于“葡萄糖”隱形眼鏡功能的拓展研發(fā)，采用內(nèi)置攝像頭眨眼控制開關和存儲，是否涉及隱私侵犯和社會安全問題？(5) 科研創(chuàng)新思維的訓練，如血糖相關的診療研究中，介紹可監(jiān)測并調(diào)節(jié)血糖水平的石墨烯腕帶、智能胰島素診療貼片、“生物紋身”式比色傳感器、體內(nèi)生物燃料電池驅(qū)動的葡萄糖傳感器等，引導學生如何打破思維定式，產(chǎn)生創(chuàng)新思想。學習該課程的研究生正處于開題階段，對如何選擇課題開展研究存在一定的迷茫，采用該案例也可進一步指導學生如何將個人科研選題與“面向人民生命健康”的國家戰(zhàn)略相結(jié)合，尋找科研創(chuàng)新點。

在講授熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)時，插入諾獎得主下村修先生關于海螢蟲發(fā)光機理和綠色熒光蛋白的研究案例。如何從海螢中提取發(fā)光物質(zhì)是美國科學家長期研究沒有解決的難題，下村修經(jīng)過不懈努力終于尋找到特殊的方式結(jié)晶出海螢熒光素。他也因此獲得去美國普林斯頓大學約翰遜實驗室進一步研究水母發(fā)光機理的機會。后來的研究表明，海螢蟲發(fā)光是熒光素在熒光素酶催化下產(chǎn)生的生物發(fā)光，而水母發(fā)光機理完全不同。經(jīng)過幾年的努力，下村修從水母體內(nèi)提取了一種光敏的水母蛋白，發(fā)現(xiàn)它與鈣離子結(jié)合時可以發(fā)出藍光，這與水母發(fā)出的綠光還不一致，又經(jīng)過幾個月的不懈努力，他又提取出了綠色熒光蛋白(GFP)，正是GFP與水母發(fā)光蛋白復合，吸收了藍光，進一步釋放出綠光來，而這個反應正是熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)，他在1974年終于闡明了水母的發(fā)光機理。該案例不僅與FRET知識點闡釋密切相關，還具有可拓展探究的科學精神和價值觀內(nèi)涵。下村修少年時期受原子彈爆炸的核輻射傷害，一生遭受病痛折磨，與其他人相比他也沒有耀眼的學歷和科研特長，只是一位普通實驗人員，但這些從未成為他在科研成長道路上的絆腳石，正是這份對科研的熱愛和執(zhí)著，讓他從一個門外漢最終走上諾貝爾獎的殿堂。下村修的科研經(jīng)歷也體現(xiàn)了科學研究的特點，多數(shù)情況下既定研究目標和實際研究結(jié)果并不一致，遇到失敗和挫折時，不輕言放棄才有可能找到有意義的突破口。真正的科學家是不為名利所動，甘于長期艱苦的科研探索，水母發(fā)光蛋白和GFP發(fā)現(xiàn)的前后30年，不僅未被重視，反而受到很多質(zhì)疑，下村修直到80歲獲得諾貝爾獎前依然是寂寂無名的。而GFP真正實現(xiàn)其有意義的應用，是經(jīng)歷了幾代人的共同努力。90年代，馬丁?查爾菲在大腸桿菌等原核生物中成功表達了GFP，表明GFP可以作為各種生物體發(fā)光基因標簽的價值。而后錢永健對GFP進行了有效改造，增強它的發(fā)光效率，把它由綠色變成了多色，熒光蛋白才真正成為細胞和活體標記的分子工具，得到廣泛應用和認可。因此，下村修、馬丁?查爾菲和錢永健三人共同獲得了2008年的諾貝爾化學獎[10]。通過對該案例的解讀，不僅加強了學生對FRET知識點的深入理解，還引導他們對科學家精神和科研價值觀進行深入思考。

在講解基于FRET的核酸探針設計時，則結(jié)合2020年新冠肺炎疫情的實際情況，引入當前新冠病毒核酸檢測常用技術——RT-PCR熒光探針法，介紹如何進行咽拭子等方式取樣，如何提取純化病毒RNA，如何將病毒RNA反轉(zhuǎn)錄成互補的cDNA鏈，再以cDNA鏈為基礎進行PCR擴增和定量分析。在方法的介紹中，引導學生思考取樣和純化的風險、大規(guī)模核酸檢測的難點、假陽性的可能原因等問題。從這些問題讓學生設身處地地去思考作為醫(yī)務人員如何克服風險、極端環(huán)境、長時間工作等困難，完成從疫情爆發(fā)初期到進入疫情防控常態(tài)化的核酸篩查工作；我們的國家把人民生命安全和身體健康放在第一位，采用了最全面最嚴格最徹底的防控措施，才能迅速在一個月初步遏制疫情蔓延勢頭，兩個月左右將本土每日新增病例控制到個位數(shù)，用三個月的時間取得武漢保衛(wèi)戰(zhàn)、湖北保衛(wèi)戰(zhàn)的決定性成果。同時引導學生思考目前核酸檢測方法存在的缺點和解決途徑，再引入我校譚蔚泓院士帶領的研究團隊在疫情防控初期，如何投入新冠病毒核酸現(xiàn)場快速檢測產(chǎn)品的研發(fā)，體現(xiàn)出基礎科研創(chuàng)新對疫情防控的科研支撐作用。

在課程教學中還梳理了其他類型的思政素材案例，如：(1) Raman光譜的發(fā)現(xiàn)與科學家精神；(2) 公共安全與社會責任感相關案例，如SERS技術與農(nóng)藥獸藥殘留檢測、毒品檢驗、指紋鑒定等；(3) 健康中國戰(zhàn)略相關案例，如分子探針在精準成像與診療中的應用；(4) 理論聯(lián)系實際的案例，如現(xiàn)代光譜分析技術在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、生產(chǎn)過程監(jiān)測等領域的應用實例；(5) 綠色化學相關案例，如長余輝發(fā)光與綠色光源；(6) 以本課題組研究生探索創(chuàng)新研究的經(jīng)歷、心得，指導研究生如何樹立遠大的科學抱負，并腳踏實地地開展科研創(chuàng)新工作；(7) 以“違反學術誠信的案例”，講述堅持科研誠信和恪守學術道德的重要性。

3 教學方式不斷革新

在現(xiàn)代光譜分析的課程教學中，根據(jù)課程特點并總結(jié)以往教學經(jīng)驗的基礎上，不斷探索教學方式上的革新。近年來主要開展了以下方面的探索：

(1) 翻轉(zhuǎn)課堂教學實踐

研究生的學習不僅僅是基本的原理方法，需要結(jié)合大量文獻閱讀，總結(jié)出該領域的研究進展，加強對技術創(chuàng)新應用的理解。在現(xiàn)代光譜分析的教學中，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學來實現(xiàn)該能力的培養(yǎng)。

圍繞課堂講授過的現(xiàn)代光譜分析基本原理，選擇與課程內(nèi)容相關的一個具體課題，查閱最近5年的高水平文獻，制作該課題的匯報課件，匯報內(nèi)容包括基本原理簡介、領域進展、代表性文獻精講和總結(jié)。

以長余輝發(fā)光為例，其中一組同學選擇了“長余輝納米材料的研究與應用”課題，他們分工合作制作了翻轉(zhuǎn)課堂講解的內(nèi)容。首先對長余輝納米材料的分類、發(fā)光機理、合成方法和應用領域進行了概述，在此基礎上圍繞余輝增強方法、生物傳感應用、腫瘤診斷治療、靶向生物成像、光催化降解五個方面進行文獻拓展介紹。課堂教學中，第一次課就將翻轉(zhuǎn)課堂的教學方式和分組要求告知學生，在基本原理方法的講解過程中，學生開始進行文獻查閱、討論和課件制作。翻轉(zhuǎn)課堂匯報時，要求每位同學都參與講解，這樣不僅鍛煉了研究生的英文文獻查閱和歸納總結(jié)能力，還進一步鍛煉了文獻匯報和科研思路梳理能力。部分優(yōu)秀作品制作成講解視頻，豐富了課程的教學資源。講解結(jié)束后，其他組同學針對報告內(nèi)容提問，該組同學進行回答，加強思考和互動。

(2) 項目式分組學習

教學中將學生分組，每組選擇一個與課程內(nèi)容密切相關的課題，形成一個小的項目組。在課程學習和翻轉(zhuǎn)課堂教學中，均采用項目式分組學習的方式。教學班級通常為60人左右，分為12個小組，每組設一位組長，通過分組討論形成選題，再進一步組間協(xié)調(diào)，讓課題選擇不重疊，并涵蓋課程大部分內(nèi)容。如2020年選題有：FRET在生物傳感方面的應用；上轉(zhuǎn)換發(fā)光探針的生物檢測應用；SERS探針在檢測診斷方面的應用；近紅外小分子熒光染料研究進展及應用；近紅外光熱和光動力腫瘤治療應用等。

組長負責項目進度，組織討論和協(xié)作，對課題任務進行具體分工，并督促組員的進展和匯總課件。在課題匯報中，體現(xiàn)每位組員的共同參與，在提問環(huán)節(jié)，組員們作為一個集體來共同參與問題回答。在課堂提問和課堂互動環(huán)節(jié)中，也采用分組討論的方式，提交集體討論得出的答案。通過項目式分組學習，加強了研究生之間的合作意識和團隊觀念。

(3) 運用智慧教學工具進行教學過程的管理

在現(xiàn)代光譜分析課程的教學中采用了中國大學MOOC平臺的慕課堂智慧教學工具進行教學過程管理。課前教師在該平臺建課和備課，學生通過微信掃描二維碼或輸入課堂碼進入慕課堂。課前的點名簽到和預習小測驗，就可以采用慕課堂進行。課中回答問題、討論互動和課后作業(yè)，也可以采用慕課堂進行，提交后教師可以看到統(tǒng)計結(jié)果。對于翻轉(zhuǎn)課堂的課題匯報講解，采用慕課堂打分和投票的方式，讓每位同學參與為每組的報告打分，并評選出最佳講解員，頒發(fā)電子獎狀。另外利用慕課堂的教學管理后臺數(shù)據(jù)結(jié)果分析，可以獲得每位同學的課堂表現(xiàn)評價，作為考核依據(jù)之一。

(4) 考核方式上的多元化

現(xiàn)代光譜分析課程的期末成績由平時成績(60%)和期末考核(40%)兩部分構成。平時成績的100分包括：小組課題匯報互評(30分)，個人文獻講解(20分)，討論互動情況(20分)，考勤(10分)，慕課堂練習(20分)。這些成績除討論互動情況，其他均根據(jù)系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)和慕課堂中學生互評的數(shù)據(jù)來導入，體現(xiàn)了多元化評價和過程考核的目的，能夠客觀公平地體現(xiàn)每位學生的自主學習情況。期末考核內(nèi)容包括概念辨析、原理方法比較、對文獻的分析歸納，以及針對某些目標物分析，結(jié)合所學光譜分析知識進行創(chuàng)新方案設計等內(nèi)容?？己说膬?nèi)容需要在理解原理的基礎上進行深入探究，題目的答案具有開放性，體現(xiàn)對研究生的能力培養(yǎng)。

4 結(jié)語

總之，本教學團隊將繼續(xù)圍繞湖南大學研究生培養(yǎng)目標和學位要求對現(xiàn)代光譜分析課程體系進行設計和優(yōu)化。以研究生能力培養(yǎng)為核心，突出創(chuàng)新思維和能力，拓寬知識面和國際視野，注重“三觀”價值引領，加強學術道德和科研誠信教育，注重前沿引領和方法的傳授，強化研究生對創(chuàng)新過程和創(chuàng)新思維的理解和訓練。在課程的運行管理上進一步探索有效機制，加強師生之間的交流互動，鼓勵研究生參與教學設計和教學改革，參與建設和優(yōu)化現(xiàn)代光譜分析的課程資源和網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)在線資源的共建共享，激發(fā)學習興趣，加強自主學習，重視知識獲取、學術鑒別、獨立思考、理論聯(lián)系實際和科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時加強過程評價，建立更為合理的考評機制。