“高等物理化學(xué)”教學(xué)中科教融合路徑研究

褚玉婷 邢曉平 嚴(yán) 新

(鹽城工學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 鹽城 224000)

改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，社會對高素質(zhì)人才的需求量也越來越大。在研究生進(jìn)行擴(kuò)招的同時，研究生培養(yǎng)也應(yīng)該引起足夠的重視。如何培養(yǎng)與國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)，同時與社會發(fā)展相匹配的高素質(zhì)人才，在研究生培養(yǎng)過程中，“科教融合”是其中的一個方面。所謂“科教融合”就是將科學(xué)研究成果融入教學(xué)過程，如何做到這一點(diǎn)，值得探討。

傳統(tǒng)的研究生教育存在一些問題，比如教學(xué)內(nèi)容過于刻板、理論知識與實(shí)踐運(yùn)用相分離、考核方式單一，這些都不利于為國家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[1，2]。在19世紀(jì)，德國教育家洪堡首次提出并實(shí)施“科教融合”的教育方式。21世紀(jì)以來，我國也頒布了一些關(guān)于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的綱領(lǐng)性文件，鼓勵在教學(xué)過程中實(shí)施科教融合[3]。相對于國外，我國科教融合的教學(xué)理念形成較晚。目前，在研究生培養(yǎng)過程中，科教融合的理念已經(jīng)初步建立，但如何實(shí)施尚在探索階段，許多高校還僅僅停留在理論探討階段。

作者作為教授研究生“高等物理化學(xué)”的專業(yè)課教師，在教學(xué)過程中，對科教融合的具體路徑進(jìn)行了初步的探討?！案叩任锢砘瘜W(xué)”是化工類研究生學(xué)習(xí)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它在本科四大化學(xué)(“無機(jī)化學(xué)”“有機(jī)化學(xué)”“分析化學(xué)”和“物理化學(xué)”)的基礎(chǔ)上，難度和深度都有所提升。如何在教學(xué)過程中體現(xiàn)科教融合，作者根據(jù)對教學(xué)過程的研究，進(jìn)行了如下幾種探索。

1 將教學(xué)內(nèi)容與科研前沿有機(jī)融合

作為授課教師，我們首先要對教學(xué)內(nèi)容有清晰的認(rèn)知，能夠熟練地構(gòu)建課程的知識框架，同時，自身也要多做科研，了解最新的科研前沿知識，將所教的內(nèi)容與科研前沿相結(jié)合。

很多研究生在碩士畢業(yè)后，會繼續(xù)攻讀博士，或者進(jìn)入高等學(xué)校、研究所、公司的研發(fā)部門工作，無論后續(xù)如何，都需要繼續(xù)搞研究，所以，科研在研究生教育教學(xué)中是非常重要的部分。因此，授課時，在緒論部分，給他們介紹國家自然科學(xué)基金的相關(guān)內(nèi)容，讓學(xué)生了解國家自然科學(xué)基金委對學(xué)科代碼的劃分，例如，B03屬于物理化學(xué)分支，其下又可以分為結(jié)構(gòu)化學(xué)(B0301)、理論與計(jì)算化學(xué)(B0302)、催化化學(xué)(B0303)、化學(xué)動力學(xué)(B0304)、膠體與界面化學(xué)(B0305)等，每一個分支下又細(xì)化為若干小分支，在撰寫國家自然科學(xué)基金申請書時，需根據(jù)自己的研究方向選擇合適的代碼。

“高等物理化學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容，有很多與科研前沿相通的部分。作為教師，要充分備課，將教學(xué)內(nèi)容與科研前沿有機(jī)融合。比如講解到吸附時，一方面，講解吸附熱力學(xué)和吸附動力學(xué)，再延伸到自己對吸附材料的研究，同時介紹目前研究比較熱門的吸附材料，如農(nóng)業(yè)廢棄物、改性黏土礦物、改性活性炭、有機(jī)金屬框架(MOF)材料等。將自己的研究成果分享給學(xué)生，并將自己論文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合理論知識進(jìn)行進(jìn)一步探討，比如將吸附量與濃度的相關(guān)性數(shù)據(jù)代入朗繆爾吸附方程和費(fèi)利希方程進(jìn)行線性或者非線性模擬，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和兩個方程的相關(guān)性。如果符合朗繆爾方程，就說明合成材料的表面吸附位點(diǎn)是相同的，極易形成均相材料；如果符合費(fèi)利希方程，則說明所合成的材料表面吸附位點(diǎn)不相同。另外，再將時間對吸附量影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動力學(xué)模擬，根據(jù)不同反應(yīng)級數(shù)的動力學(xué)方程進(jìn)行線性或者非線性模擬，討論吸附速率的動力學(xué)特征，進(jìn)一步探討吸附機(jī)理。另一方面，教學(xué)中可以聯(lián)系目前的環(huán)境污染問題，講講典型的環(huán)境污染事件，同時在此處融入思政元素，幫助學(xué)生樹立綠色化學(xué)的意識。提醒學(xué)生在搞好科研的同時，不能忘記保護(hù)環(huán)境，千萬不能做隨意排放實(shí)驗(yàn)廢水等違法違紀(jì)的事情。

2 教學(xué)過程中體現(xiàn)理論知識與科研方法融合

“高等物理化學(xué)”課程公式多、理論性強(qiáng)，特別是量子化學(xué)中算符、薛定諤方程的求解推導(dǎo)過程較為復(fù)雜，很多同學(xué)只會動手推導(dǎo)公式，但對于這些公式的應(yīng)用思路卻不清晰。因此，在注重講解理論知識的同時，也要強(qiáng)調(diào)這些公式推導(dǎo)所使用的計(jì)算方法。

比如，講解量子化學(xué)理論知識的同時，介紹量子化學(xué)計(jì)算方法——Gaussian軟件[4]的使用。作者在講解本門課程時就有4學(xué)時的課程用于介紹計(jì)算軟件的使用，并用電腦現(xiàn)場演示。先用GaussianView軟件創(chuàng)建分子結(jié)構(gòu)，保存為.gjf文件，再對.gjf文件進(jìn)行編輯，將編輯好的.gjf文件放入Gaussian軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到原子電荷、HOMO軌道能量、LUMO軌道能量、分子的鍵長、鍵角和二面角等數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過其他關(guān)鍵詞計(jì)算出其他有用的信息。另外，可以將Gaussian計(jì)算產(chǎn)生的.chk文件轉(zhuǎn)變?yōu)?fch文件，借助盧天老師的Multiwfn軟件[5]進(jìn)行波函數(shù)分析，得到分子的靜電勢、離子局域化能、分子間弱相互作用等重要參數(shù)，為研究生所做的實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。

另外，借助Multiwfn軟件和VMD軟件[6]畫出來的圖非常美觀，這也可以為將來論文的撰寫提升檔次。當(dāng)然，學(xué)好計(jì)算方法僅僅靠幾節(jié)課是無法實(shí)現(xiàn)的，作為教師可以向?qū)W生推薦一些博文，比如盧天老師在北京科音上的博文就寫得非常好，關(guān)于計(jì)算都有詳細(xì)的教程，對于復(fù)雜的計(jì)算還提供了詳細(xì)的講解視頻，學(xué)生可以利用課余時間對自己感興趣的計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。理論計(jì)算可以推測反應(yīng)活性位點(diǎn)，探討相互作用機(jī)理，同時對新材料的性能等方面進(jìn)行預(yù)測，這非常有利于科研工作的開展。

3 構(gòu)建導(dǎo)師協(xié)同育人機(jī)制

教學(xué)與科研相輔相成，不可分割。教學(xué)推動科研的發(fā)展，在教學(xué)中講解科技發(fā)展的前沿知識，讓學(xué)生掌握本專業(yè)的知識框架和研究方法，初步了解什么是科研。同時科研又反作用于教學(xué)，在科研的同時進(jìn)一步加強(qiáng)對教學(xué)內(nèi)容的理解。研究生除了學(xué)習(xí)課程知識，多數(shù)時間是在科研團(tuán)隊(duì)和導(dǎo)師做科學(xué)研究工作。作為課程主講教師，可以和學(xué)生及他們的導(dǎo)師互相溝通，構(gòu)建導(dǎo)師協(xié)同育人機(jī)制。

通過教師和導(dǎo)師協(xié)同育人的機(jī)制，了解研究生的研究方向以及待解決的技術(shù)問題，將科研滲入教學(xué)內(nèi)容，做到科研資源與教學(xué)內(nèi)容的深度融合。教師、導(dǎo)師和學(xué)生在科研平臺和教學(xué)平臺可以互相溝通，鼓勵學(xué)生做原創(chuàng)性研究，引導(dǎo)學(xué)生做好學(xué)術(shù)規(guī)范，培養(yǎng)學(xué)術(shù)誠信意識，加強(qiáng)專業(yè)培養(yǎng)，為社會發(fā)展培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[7]。比如，作者所在的學(xué)院有電化學(xué)團(tuán)隊(duì)、吸附材料團(tuán)隊(duì)、有機(jī)合成團(tuán)隊(duì)等，教師利用課間時間和每位學(xué)生溝通他們所在的團(tuán)隊(duì)和研究方向，可以在講解理論知識的同時做到資源整合，有助于提高他們的科研效率。

4 鼓勵學(xué)生參加創(chuàng)新型大賽

目前，高校教育中有很多創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類項(xiàng)目，作為教師，應(yīng)該鼓勵研究生積極參加此類項(xiàng)目，鍛煉自己的科研創(chuàng)新能力。比如作者所在的學(xué)校每年都會舉辦“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目申報(bào)等。鼓勵研究生參加創(chuàng)新型人才大賽，圍繞科技創(chuàng)新、脫貧攻堅(jiān)、社會服務(wù)和生態(tài)環(huán)保等主題，可以鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索的能力，讓學(xué)生了解社會發(fā)展的熱點(diǎn)問題，同時也注意團(tuán)隊(duì)意識的培養(yǎng)。比如在環(huán)境治理領(lǐng)域，針對目前出現(xiàn)的重金屬污染問題，可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w情況，如皮革廠產(chǎn)生的含鉻污泥的處理、電池廠產(chǎn)生的廢水問題、污染農(nóng)田的土壤修復(fù)問題，學(xué)生可以根據(jù)自己所學(xué)的知識和實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)一步探索，做好科研項(xiàng)目。

5 多維度評價(jià)教學(xué)效果

研究生教學(xué)效果評價(jià)應(yīng)該從多個方面進(jìn)行考核[8]，要打破傳統(tǒng)的以單一的期末試卷分?jǐn)?shù)定高低的模式。在平時的教學(xué)中，可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和各自的研究方向布置一些英文綜述文獻(xiàn)讓學(xué)生翻譯，讓學(xué)生可以充分了解科研前沿；還可以針對目前國內(nèi)出現(xiàn)的能源問題、環(huán)境問題布置一些調(diào)查研究，撰寫研究報(bào)告；或者讓學(xué)生根據(jù)自己的研究方向，利用計(jì)算軟件計(jì)算自己所研究物質(zhì)的相關(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，掌握計(jì)算軟件的簡單應(yīng)用，比如算出所研究物質(zhì)的電荷分布、靜電勢等數(shù)據(jù)。將這些材料作為平時考核的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)達(dá)成度計(jì)算，對教學(xué)效果進(jìn)行綜合判斷，提出教學(xué)改革措施。另外，可以建立研究生教學(xué)的慕課堂，將教學(xué)內(nèi)容與科研前沿領(lǐng)域滲透部分在慕課堂中體現(xiàn)，做到線上教學(xué)和線下教學(xué)相融合[9，10]，將慕課堂知識的觀看時間、參與程度等也作為考核的一部分。從多個維度去評價(jià)教學(xué)效果，真正把科教融合的應(yīng)用效果體現(xiàn)在教學(xué)成果中。

6 結(jié)語

結(jié)合“高等物理化學(xué)”的研究生教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，作者作為專業(yè)課教師，認(rèn)為將教學(xué)內(nèi)容與科研前沿相融合、注重理論知識與科研方法融合、建立導(dǎo)師協(xié)同育人機(jī)制、鼓勵學(xué)生參加創(chuàng)新型大賽和項(xiàng)目申報(bào)、多維度評價(jià)教學(xué)效果，是研究生教育的科教融合的有效路徑。