新工科視角下分析化學(xué)類課程科研型教學(xué)模式的構(gòu)建與實踐

盧松濤，王群，李楊，姚遠，康紅軍，吳曉宏

哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150001

作為人類社會發(fā)展的重要引擎，新一輪的世界科技革命和產(chǎn)業(yè)變革亟需新型工程技術(shù)人才。近年來，我國積極推動“新工科”建設(shè)，創(chuàng)新多元化、實踐性與國際化是新工科的教育方式特色?！靶鹿た啤比瞬啪哂泄こ虒嵺`能力強、創(chuàng)新能力強和高國際競爭力，以及快速學(xué)習(xí)新事物的能力，具備全球視野、領(lǐng)導(dǎo)能力和實踐能力[1]。2019年10月，教育部印發(fā)《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，提出要推動科研反哺教學(xué)，強化科研育人功能，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)分析化學(xué)類課程包括分析化學(xué)、儀器分析、薄膜材料制備與技術(shù)，它們作為材料、環(huán)境、食品、生命科學(xué)等相關(guān)專業(yè)的平臺課程，是各專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課。它主要研究元素及其化合物的性質(zhì)、常用的分析儀器基本原理和定量分析方法的基本操作?，F(xiàn)代科學(xué)的最新研究進展極大地豐富了分析化學(xué)內(nèi)容，傳統(tǒng)的分析化學(xué)教學(xué)只關(guān)注學(xué)生對于基礎(chǔ)知識的掌握和對基本操作技能的培訓(xùn)，而無法滿足現(xiàn)代社會對“新工科”人才創(chuàng)新思維模式的需求[2,3]。本課程團隊教師均有一年以上的國外教學(xué)和科研訪學(xué)經(jīng)歷，包括在美國大學(xué)分析化學(xué)排名第五的德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校，排名第六的威斯康星大學(xué)麥迪遜分校，杜克大學(xué)和新加坡國立大學(xué)，了解國際分析化學(xué)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，課題緊密圍繞表界面功能薄膜材料的分析化學(xué)領(lǐng)域發(fā)展趨勢，在“空間用材料分析化學(xué)”領(lǐng)域的研究方面形成優(yōu)勢與特色。如何根據(jù)各授課專業(yè)的特點結(jié)合最新科研進展更新教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)與科研成果融合，改進教學(xué)方法，更新實踐教學(xué)資源，進一步提高教學(xué)質(zhì)量，是任課教師十分關(guān)心和亟待解決的重要課題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

目前中國高校的分析化學(xué)課程大多是以教師為主的滿堂灌授課方式。教學(xué)模式陳舊，過于單一、缺乏創(chuàng)新思維。教師需要將學(xué)生集中起來，統(tǒng)一講授實驗測試技術(shù)原理、目的、儀器及試劑的使用，以及實驗過程中的具體注意事項，由于大學(xué)生在整個課程學(xué)習(xí)過程中基本上處于盲目接收知識的被動狀態(tài)，沒有時間和機會積極創(chuàng)造性思維，限制了學(xué)生擴散性思維及批判性思維的培養(yǎng)，容易減弱學(xué)生的好奇心，整個過程中幾乎沒有創(chuàng)新思維的植入，對于人才培養(yǎng)是及其不利的。

實驗內(nèi)容缺乏新意，脫離實際應(yīng)用。學(xué)生被動地接受各種各樣的知識和信息，沒有時刻更新內(nèi)容和新進展。部分高校對大學(xué)生培養(yǎng)過程中的分析化學(xué)實踐環(huán)節(jié)沒有引起足夠重視，創(chuàng)新能力明顯不足，缺乏原創(chuàng)性、實用性的教學(xué)實驗資源，使得學(xué)生的實驗?zāi)芰Ω簧掀髽I(yè)或是最新的科學(xué)研究工作。學(xué)生不會主動進行文獻調(diào)研，沒有自己的想法，導(dǎo)師讓做什么實驗，學(xué)生就做什么，人云亦云，在實驗方法上簡單移植，在實驗過程中僅簡單揭示表面現(xiàn)象，無法獨立深入挖掘科學(xué)問題等。

1.2 國外分析化學(xué)課程現(xiàn)狀

國外著名大學(xué)如麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)、劍橋大學(xué)等歐美大學(xué)分析化學(xué)課教學(xué)模式多種多樣，上課主要講授重點、難點、習(xí)題等，突出課程內(nèi)容的國際性、前沿性、研究性和創(chuàng)新性。將前沿知識和最新研究課題引入教學(xué)，結(jié)合教材中相關(guān)知識點，激發(fā)學(xué)生興趣，了解科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。不定期安排演示實驗，講解最新科研文獻，針對學(xué)生安排一些海報展示活動并評獎，鼓勵學(xué)生研討，活躍課堂氣氛。學(xué)生不僅鍛煉了表達能力，并且在提問中得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)問題解決辦法，激發(fā)學(xué)生科研創(chuàng)新熱情和興趣。同時，非常重視分析化學(xué)實踐教育，將學(xué)生參加科研活動納入教學(xué)計劃，設(shè)置科研學(xué)分。發(fā)達國家源源不斷的科技創(chuàng)新能力正是來自于對學(xué)生的研究能力的培養(yǎng)。

1.3 具體做法

新工科教育的核心理念是理工學(xué)科交叉融合。分析化學(xué)是高等學(xué)?；瘜W(xué)類專業(yè)的一門基礎(chǔ)性課程，是構(gòu)成化學(xué)類學(xué)生完整知識鏈的重要環(huán)節(jié)，具有較強的實踐性。在分析化學(xué)類課程體系建設(shè)中，對分析化學(xué)專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容提出“確?；A(chǔ)性、強化系統(tǒng)性、重視前沿交叉性和展現(xiàn)應(yīng)用性”的原則，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩部分入手對分析化學(xué)類課程進行改革。工科專業(yè)與理科專業(yè)在課程設(shè)置、培養(yǎng)目標(biāo)上有很大差異，理論課時少、實踐環(huán)節(jié)多的特點在工科專業(yè)中非常鮮明。如何在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)，讓學(xué)生既能系統(tǒng)牢固地掌握分析化學(xué)的基礎(chǔ)理論，又能了解到最新的分析化學(xué)前沿知識，同時具有熟練的實驗操作技能，是我們在教學(xué)中所面臨的問題。課程內(nèi)容的選擇原則是什么，哪些重點內(nèi)容要講，哪些陳舊的內(nèi)容不講，必須慎重。另外要體現(xiàn)工科特色，理論聯(lián)系有關(guān)專業(yè)實際，聯(lián)系社會熱點和科研前沿問題，如能源、生命、環(huán)境及材料等專業(yè)知識，使學(xué)生達到學(xué)以致用，讓學(xué)生從本科開始就初步接觸科學(xué)研究，培養(yǎng)科研創(chuàng)新意識，為將來有意進一步讀研的學(xué)生打好科研創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)，具有重要的現(xiàn)實意義和可操作性。

2 教學(xué)內(nèi)容改革

2.1 精選課程內(nèi)容、力求內(nèi)容系統(tǒng)

在哈爾濱工業(yè)大學(xué)的課程設(shè)置中，分析化學(xué)類課程被安排在大學(xué)化學(xué)、無機化學(xué)課程之后開設(shè)。在不影響課程系統(tǒng)性的前提下，盡量少講和不講先期已學(xué)課程中的部分重復(fù)內(nèi)容，或引導(dǎo)學(xué)生進行自學(xué)性復(fù)習(xí)總結(jié)，避免低層次重復(fù)，這樣既節(jié)省了時間，又可以介紹更多的分析化學(xué)領(lǐng)域中科研的新內(nèi)容新方法，根據(jù)授課各專業(yè)的特色，例如對于環(huán)境專業(yè)，由于人類的頻繁活動和不斷攀升的能源需求量，全球二氧化碳的排放不斷增加，室溫、常壓可見光驅(qū)動光催化劑高效催化CO2還原制甲烷已成為研究熱點，需要使用氣相色譜鑒定物質(zhì)組分及組成。對于材料專業(yè)，文獻里研究材料的性質(zhì)會用到質(zhì)譜、循環(huán)伏安、拉曼光譜，以及原子力顯微鏡表征固體材料的表面特性。恰到好處地進行學(xué)科知識的滲透、融合和拓展，從而使整個分析化學(xué)類課程內(nèi)容更加系統(tǒng)化，在有限的課時內(nèi)獲得更好的教學(xué)效果。

2.2 密切貼近生活，緊扣前沿進展

借助網(wǎng)絡(luò)信息，綜合運用多媒體素材，特別是與新冠肺炎的檢測方法、治療方案、藥物開發(fā)等密切相關(guān)的信息和知識點，例如結(jié)合國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布的《新型冠狀病毒肺炎診療方案(試行第六版)》中的診斷標(biāo)準(zhǔn)，作為素材來源融入分析化學(xué)教學(xué)過程。淺談COVID-19新冠狀病毒的核酸檢測方法，血氧飽和度的現(xiàn)場快速檢測，從新冠肺炎的爆發(fā)看分析化學(xué)的重要性。例如，為阻斷病毒傳播，醫(yī)院、學(xué)校和車站等人流密集的公共場所都會使用84消毒液，其中主要成分次氯酸鈉的強氧化性可殺菌消毒，但次氯酸鈉在光和熱條件下易分解，會降低有效氯含量，減弱消殺效果。碘量法是分析化學(xué)中重要的容量分析方法之一，通常用于測定84消毒液中有效氯含量[4]，化學(xué)原理是次氯酸鹽在酸性介質(zhì)中與碘離子反應(yīng)，生成單質(zhì)碘；用硫代硫酸鈉(Na2S2O3)標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定單質(zhì)碘，根據(jù)終點時標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量，得到碘單質(zhì)的量，從而求得消毒液中的有效氯含量，反應(yīng)方程式如下：

滴定實驗中要加入淀粉指示劑來判斷滴定終點，肉眼觀察到溶液的顏色發(fā)生了突變，立即停止滴定，根據(jù)Na2S2O3使用量計算出氯含量。同時可進一步提問，引導(dǎo)學(xué)生對“碘量法滴定終點為何出現(xiàn)‘重藍’現(xiàn)象”展開討論，溶液中痕量的Fe3+會促進I?重新氧化生成I2，進而出現(xiàn)“重藍”現(xiàn)象，解決的方法是加入H3PO4與Fe3+絡(luò)合[5]。實驗中自始至終都深刻體現(xiàn)現(xiàn)象和本質(zhì)的辯證關(guān)系[3]，在課堂上穿插講述馬克思主義哲學(xué)現(xiàn)象和本質(zhì)的辯證法，現(xiàn)象是事物的外在方面，本質(zhì)是事物的內(nèi)在方面，滴定實驗中，顏色變化的內(nèi)在本質(zhì)是物質(zhì)化學(xué)鍵的改變，要透過現(xiàn)象來看本質(zhì)，堅持現(xiàn)象和本質(zhì)的辯證統(tǒng)一。同時，將科研與教學(xué)有機結(jié)合促進教學(xué)質(zhì)量提高。利用化學(xué)計量學(xué)輔助復(fù)雜波譜解析的研究成果去改革分析化學(xué)課程的紫外吸收光譜分析、紅外吸收光譜、質(zhì)譜和色譜分析教學(xué)內(nèi)容，在不分離樣本混合組分的情況下，利用數(shù)學(xué)分離代替化學(xué)分離提取純組分的光譜信息，可以實現(xiàn)簡便、快速和準(zhǔn)確的檢測，讓學(xué)生了解分析化學(xué)解析方法的發(fā)展趨勢以及一些交叉技術(shù)在分析中的應(yīng)用，開拓學(xué)生的思維和視野，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.3 理論實踐融合，提高創(chuàng)新能力

教學(xué)過程中，應(yīng)注重實驗課程與理論課程知識點的融合互補，吸收當(dāng)代教學(xué)、科研中成熟的代表性成果，使理論課程與實驗課程互相依托，相輔相成，鼓勵學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題和嘗試解決問題。例如在2018年教學(xué)過程中，講解紅外光譜儀器和原子力顯微鏡的工作原理知識時，教師結(jié)合自身“原子層沉積制備氧化鋅超疏水涂層材料”的課題，引導(dǎo)本科生申報了學(xué)?？萍紕?chuàng)新項目，使用紅外光譜表征材料分子結(jié)構(gòu)，原子力顯微鏡觀察涂層表面微觀結(jié)構(gòu)，最終本科生以第二作者身份在美國化學(xué)會國際知名雜志《應(yīng)用表面界面》(IF = 8.758)上發(fā)表了論文。課題實施過程中，學(xué)生們團結(jié)協(xié)作，刻苦勤奮，得到了很好的科研訓(xùn)練，其中作為課題組長的本科生在畢業(yè)時被評為優(yōu)秀畢業(yè)生。另外一個例子是如何表征Al摻雜在ZnO薄膜中化學(xué)狀態(tài)，學(xué)生根據(jù)課程內(nèi)容所學(xué)提出用紅外光譜來證明，查閱文獻得知，一般紅外光譜波數(shù)范圍400–4000 cm?1，多是來表征有機物，對于無機物，需要使用遠紅外800 cm?1以下才能鑒別Zn―O和Al―O化合鍵，通常466 cm?1和709 cm?1處分別歸屬為Zn―O鍵和Al―O鍵的特征吸收峰[6]。學(xué)生查到外地可以測試，主動聯(lián)系老師，郵寄樣品，說清楚測試要求，最終成功得到有效數(shù)據(jù)，本科生以第三作者發(fā)表了論文，并成功獲得美國加州伯克利大學(xué)的獎學(xué)金繼續(xù)攻讀研究生。學(xué)生學(xué)到了分析化學(xué)儀器分析測試知識，加強了分析解決問題能力，鍛煉了溝通交流能力，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生對專業(yè)和科學(xué)研究的熱愛。

3 教學(xué)方法創(chuàng)新

采用課堂啟發(fā)自學(xué)式、重點強化式的教學(xué)方法，實現(xiàn)教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的雙向互動[7,8]。將分析化學(xué)理論和日常生活中的一些現(xiàn)象緊密相聯(lián)，如選擇性地介紹一些與實際生產(chǎn)以及人們衣、食、住、行中有關(guān)的化學(xué)基本知識，讓學(xué)生感到分析化學(xué)其實離我們并不遙遠，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)興趣。例如，天然水中Ca、Mg含量的測定，阿司匹林片劑中乙酰水楊酸含量的測定，如何測定奶粉中的含氮量，如何鑒定奶粉中是否含有三聚氰胺等。另一方面，開展興趣教學(xué)，將分析化學(xué)領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展史引入課堂。例如，瑞典化學(xué)家阿倫尼烏斯提出了電離理論，在被保守的教授們嗤之以鼻，認(rèn)為“純粹是空想，無法相信”的時候，他堅持真理，不斷努力，最終開創(chuàng)了電離學(xué)說[9]。通過小組互動討論和分享查閱的資料，充分鍛煉學(xué)生的表達能力和文獻檢索能力，了解書本上的知識來源于科學(xué)家追求真理、持之以恒獲得的智慧結(jié)晶。

4 開放表界面材料分析化學(xué)實驗室，完善合理考核方式

新工科的理念是多學(xué)科交叉與融合創(chuàng)新，實現(xiàn)課堂教學(xué)與項目學(xué)習(xí)融合，開放實驗室，創(chuàng)造新機會、加強創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐，強調(diào)“厚基礎(chǔ)、強實踐、重能力、求創(chuàng)新”的新工科人才培養(yǎng)特色[10]。學(xué)生在獲得一定的專業(yè)知識訓(xùn)練之后，針對某一前沿課題開展項目研究，利用科研設(shè)備轉(zhuǎn)化為實踐育人平臺，將科研項目有取舍、有針對性地轉(zhuǎn)化為教學(xué)實驗，提升實驗條件和設(shè)備的能效，使學(xué)科建設(shè)成果和科研成果有效地轉(zhuǎn)化為分析化學(xué)教育資源。例如將最新科研成果“氨氣誘變鈣鈦礦MAPbI3能帶結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)化為大學(xué)生創(chuàng)新實驗，結(jié)合所學(xué)知識，讓學(xué)生真正親手操作使用紫外漫反射光譜儀和紅外光譜儀，取得良好效果，成果發(fā)表在清華大學(xué)主辦的中文核心雜志《實驗技術(shù)與管理》；再比如“3D打印”和“海水淡化”科研成果選取部分轉(zhuǎn)化為教學(xué)實驗，使得學(xué)生能夠掌握3D打印原理和操作，并對目前光熱材料在海水淡化研究中的應(yīng)用有了充分的了解，相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)表在化工領(lǐng)域著名雜志Chem. Eng. J.上，增強了學(xué)生的科研創(chuàng)新意識。在燃燒熱測定實驗教學(xué)中，我們從“人為什么要吃飯”這一基本問題入手，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到能量過?；蛉狈淼挠绊懞徒Y(jié)果，從而去測量日常所吃食物的熱量，將測量對象與日常生活相結(jié)合進行教學(xué)改革和創(chuàng)新，實現(xiàn)了實驗內(nèi)容的自主選擇，激起了學(xué)生的實驗興趣，學(xué)生主動要求測量米飯、饅頭、白菜、水果、干果等食品的熱量。此外，介紹了一些分析類書籍，如《我們身邊的食品添加劑》，讓學(xué)生去閱讀，了解身邊形形色色的食品添加劑。初步研究表明，將科研成果有目的、有選擇性地轉(zhuǎn)化為教學(xué)實驗，既能夠促進科研后備力量的儲備，也有利于大學(xué)生接觸到最新科研成果，激發(fā)學(xué)生學(xué)有所用、學(xué)以致用的成就感，更加主動地充實自己，以及繼續(xù)攻讀研究生的自信心。

5 以學(xué)科競賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為載體，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新精神

組織學(xué)生積極參加校級和國家級競賽活動，比如“祖光杯”大賽、“挑戰(zhàn)杯”競賽、“卓越杯”化學(xué)實驗競賽，新材料設(shè)計大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目等。通過團隊小組自主選題，分工合作，邀請經(jīng)驗豐富的教師和企業(yè)專家擔(dān)任創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)教師。例如，通過分析化學(xué)實驗學(xué)習(xí)鍛煉學(xué)生實驗操作技能，材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生獲得第五屆“卓越杯”大學(xué)生化學(xué)新實驗設(shè)計及化學(xué)實驗技能競賽二等獎和三等獎；來自卓越聯(lián)盟九所高校近200名化學(xué)專業(yè)的本科生和60余位高?；瘜W(xué)實驗教學(xué)專家齊聚哈爾濱工業(yè)大學(xué)，大連理工大學(xué)國家教學(xué)名師孟長功教授、天津大學(xué)國家級化學(xué)化工實驗教學(xué)示范中心唐向陽教授等十余位知名教授擔(dān)任競賽的評委。通過競賽活動及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的鍛煉，學(xué)生學(xué)會獨立思考、發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題，獲得創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力、團隊合作和交際能力。再比如，為了實現(xiàn)創(chuàng)新思維深度交融、創(chuàng)業(yè)思想廣泛匯聚、科研成果充分展示，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2018年1月16–17日舉辦首屆“雄韜杯”國際化學(xué)化工創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，大賽以“化學(xué)創(chuàng)造美好生活”為主題，涉及涵蓋新能源、新材料、綠色化學(xué)化工、食品化學(xué)等方向，共有國內(nèi)外包括美國康奈爾大學(xué)、烏克蘭哈爾科夫國立大學(xué)、浙江大學(xué)、四川大學(xué)、吉林大學(xué)等15個學(xué)校的22支隊伍參加，論題涉及化學(xué)、能源、材料等各個前沿領(lǐng)域，不同專業(yè)的學(xué)生匯聚在一起進行“論”和“談”，同時邀請專家、教授進行交流互動，提供了跨學(xué)科學(xué)習(xí)和研究的空間。

面對新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和國家重大發(fā)展戰(zhàn)略需求，基于新工科背景，積極探索構(gòu)建分析化學(xué)、儀器分析等分析化學(xué)類課程科研型教學(xué)模式，結(jié)合團隊教師“空間用材料分析化學(xué)”領(lǐng)域的科研成果，探索科研項目轉(zhuǎn)化為教學(xué)實驗，充分利用極端服役環(huán)境材料檢測和表征的各種先進測試儀器設(shè)備，如紅外光譜、紫外吸收光譜、原子力顯微鏡等，實行科研反哺教學(xué)，教學(xué)和科研雙輪驅(qū)動協(xié)同作用。通過學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生積極參與科研項目，培養(yǎng)學(xué)生、鍛煉學(xué)生，項目取得的經(jīng)驗和成果為工科分析化學(xué)類人才培養(yǎng)提供可借鑒的指導(dǎo)作用。