化學科研基礎與創(chuàng)新實驗課程建設的探索與實踐

謝錦桂，管華，溫祖標，鄧志紅，鐘聲亮

江西師范大學化學化工學院，南昌 330000

教育部相繼出臺的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》(教高〔2018〕2號)和《關于狠抓新時代全國高等教育本科教育工作會議精神落實的通知》(教高〔2018〕8號)，明確指出：各高校要全面梳理各門課程的教學內(nèi)容，淘汰“水課”、打造“金課”，合理提升學業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質(zhì)量[1]。為更好地貫徹教育部的教改要求，強化學?！皫煼渡焙汀翱蒲心芰姟钡霓k學特色，滿足學生個性化發(fā)展需求，我院(化學化工學院)經(jīng)過多年摸索，對化學實驗課程教學做了一系列的改進，制定了“基礎型-綜合型(專業(yè)型)-研究設計型”逐層遞進的實驗建設方案，構建了“一體化、分層次”的實驗教學體系[2]，逐漸由知識、技能導向型過渡到能力、素養(yǎng)導向型。

我院基礎化學實驗中心于2014年被教育部批準為國家級實驗教學示范中心(以下簡稱“中心”)。依托“中心”設備資源齊全、教師科研能力強等優(yōu)勢，利用課外時間對學生進行科研訓練。在化院師生的不懈努力下，將科研與實驗教學相結合，打造了一門研究設計型實驗課程——科研基礎與創(chuàng)新實驗。本文主要從課程的定位與目標、課程資源建設、課程特色、課程實施、案例展示及考核評價等方面介紹課程建設中的一些探索與實踐。

1 科研基礎與創(chuàng)新實驗課程建設

1.1 課程定位與目標

“科研基礎與創(chuàng)新實驗”是我院實驗教學體系中的一門研究設計型課程，課程內(nèi)容與時俱進，注重科學性、綜合性和拓展性，在整個實驗課程體系中具有承上啟下的橋梁作用。既是前期化學實驗基礎課程知識的延續(xù)，也為畢業(yè)后職業(yè)生涯或研究生的研究工作奠定基礎。課程以“立德樹人”為根本任務，注重學生知識、能力及科研素質(zhì)的培養(yǎng)。

成果教育導向理論下，教什么主要取決于學生的學習成果產(chǎn)出。成果導向教育中培養(yǎng)目標的制定遵循反向設計原則。培養(yǎng)目標由需求(包括國家、社會、行業(yè)、用人單位等外部需求和學校、學生、教師等內(nèi)部需求)決定[3]。我院綜合考慮內(nèi)外需求，充分利用“中心”科研能力強的特色，擬定了如下課程目標[4]：

(1) 掌握包括無機化學、分析化學、物理化學等各類化學實驗合成方法和表征手段；

(2) 掌握文獻檢索與查新、實驗數(shù)據(jù)處理、論文寫作等基本科研能力；

(3) 追蹤所在學科領域的前沿知識，關注化學研究動態(tài)，學會和應用現(xiàn)代信息技術進行實驗；

(4) 能夠利用實驗設計知識完成實驗操作、記錄實驗現(xiàn)象、書寫實驗報告等活動，具備實驗反思的能力，發(fā)展問題解決、交流合作、創(chuàng)新設計等能力。

1.2 課程團隊建設

美國著名課程論專家施瓦布提出構成課程的四個要素：教師、學生、教材和環(huán)境，而教師是課程的有機構成部分，是課程的主體和創(chuàng)造者，對提高課程建設水平起著關鍵作用[5]。

多年來，課程團隊圍繞人才培養(yǎng)和科學研究，開展教學和科研協(xié)同發(fā)展。通過加強二類以上高端人才的引進；有計劃地支持年青教師到國內(nèi)外訪學；鼓勵高學歷、高職稱、有實驗教學和科研經(jīng)驗的教師從事實驗教學工作等多種舉措，加強本課程團隊建設，形成了一支愛崗敬業(yè)、思想穩(wěn)定、無私奉獻、科研能力強、教學水平高的課程團隊。課程團隊成員如汪莉入選全國優(yōu)秀教師、全國五一勞動獎章等；鐘聲亮等教授入選江西省百千萬人才工程；陶端健等教授入選江西省“雙千計劃”。這些教師在進行科研的同時走上本科教學的一線，將最新科研成果帶入本科生的課堂，擴充學生視野，拓展知識，啟發(fā)學生創(chuàng)新思維。

1.3 課程內(nèi)容建設

課程內(nèi)容主要包括科研基礎理論知識和創(chuàng)新實驗操作兩部分。前者主要包括文獻檢索與查新、實驗數(shù)據(jù)處理常用軟件的使用、實驗數(shù)據(jù)處理、論文寫作等，后者側重對化學原理的探究、實驗操作訓練、科學思維的培養(yǎng)等。

課程中的創(chuàng)新實驗要求必須是實驗教學大綱以外的，而且是來自教師正在從事的科研課題或已有的研究成果。教師選題要求在綜合考慮的基礎上，課題內(nèi)容注重長遠性，也就是說今年的課題對于明年甚至后年仍然具有可適用性。在這個過程中，教師可以進行總結思考，發(fā)表論文，這對教師的科研發(fā)展也具有重要意義。例如，溫祖標老師課題組2013年開展了“納米KxMnO2電極材料的制備與電化學性能表征”的課題，2014年開展了“納米CaxMnO2電極材料的制備與電化學性質(zhì)研究”的課題，2016年開展了“納米LixMoO3嵌入化合物負極材料的制備、電化學性能與儲能機理研究”的課題。同時，實驗課題內(nèi)容立足省情，充分考慮江西地區(qū)豐富稀土資源，設計貼近生活實際的實驗，適應學生未來就業(yè)和發(fā)展的需要。例如，鐘聲亮老師課題組2013年開展了“新型稀土納米材料的制備與表征”的課題，2014年開展了“新型稀土納米材料的制備及其性能研究”的課題，2017年開展了“稀土發(fā)光材料的超高溫超高壓制備及其性能研究”的課題。設計的實驗課題內(nèi)容間相互延續(xù)、相互滲透，可供學生連續(xù)使用，也是教師科研的進一步延續(xù)。

我院自編了教材《化學科研基礎與創(chuàng)新實驗》，將科研成果轉化為教學內(nèi)容用于課堂教學，突出科研育人。實驗項目詳見表1。

表1 實驗項目表

2 科研基礎與創(chuàng)新實驗課程實施與評價

2.1 課程開展模式

學院在多年實踐中形成了包括立項遴選、中期檢查、結題驗收答辯、成績評定、成果獎勵等一個完整教學模式。具體流程為：第一步，每年四月份左右教師提交實驗課題，學院“中心”對課題進行遴選，再公布到官網(wǎng)上；第二步：二、三年級學生根據(jù)自己的興趣自主選擇實驗課題，組成實驗團隊。實驗團隊通常包括一名指導教師和3-6名學生，若該課題報名人數(shù)不夠，則取消該課題。學生主要利用課外時間和寒暑假進行實驗，指導教師根據(jù)實際情況，可以采用定時、階段等方式指導學生進行實驗，必須保證提供充足的實踐環(huán)境，高質(zhì)量地完成實驗任務；第三步，學生成員分工協(xié)作，查閱文獻資料，共同設計實驗方案；第四步，教師對實驗方案進行審核并給出意見和建議，安排學生學習科研基礎知識，有意識地激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識；第五步，學生學習相關知識，并對照審核結果對實驗方案進行完善，直至方案審核通過；第六步，團隊成員依據(jù)實驗方案在指導教師的指導下進入科研室開展實驗；第七步，每年七月開展中期檢查，需提交中期研究進展報告；第八步，指導教師根據(jù)實驗進度對實驗方案進行修改和調(diào)整，進而指導學生進行成果撰寫，如寫論文、申請專利、參加各類競賽等；第九步，組織進行科研基礎與創(chuàng)新實驗答辯；最后，根據(jù)各實驗小組的實驗創(chuàng)新及答辯表現(xiàn)情況，經(jīng)過答辯評委公正負責的評審，評選出優(yōu)秀小組，頒發(fā)榮譽證書，并在學院官網(wǎng)通報表彰。對于答辯通過的課題，學院將相關材料上交教務處申請教學工作量，經(jīng)教務處審核合格的課題計算32課時的教學工作量。

本科生畢業(yè)(論文)設計納入了高等教育的教育環(huán)節(jié)，是課程體系內(nèi)的重要組成部分[5]。與課程論文相比，畢業(yè)論文對大學生的科研素質(zhì)提出更高的要求。我院積極參與科研基礎與創(chuàng)新實驗課程的學生，經(jīng)過2-3年的科研訓練，已經(jīng)具備一定的科研基礎，并在教師的指導下，將過去所參與的科研課題與畢業(yè)(論文)有機結合，在一定程度上減輕學生后面的學習負擔，提高了畢業(yè)論文的完成質(zhì)量。

2.2 課程案例展示

本文以《化學科研基礎與創(chuàng)新實驗》教材中的實驗4為例，進行課程案例展示，具體內(nèi)容詳見表2。

表2 課程案例展示

(續(xù)表2)

2.3 課程考核評價

創(chuàng)新實驗具有綜合性、設計性等特點，對學生創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)具有更高的要求，因此，我院采取中期檢查與終期答辯相結合的方式，綜合考查學生整個實驗過程和最終實驗成果。實驗中期學生需提交中期研究進展報告，指導教師需對學生前階段文獻閱讀梳理匯報情況、實驗方案設計、實驗態(tài)度等進行評價，在實驗項目完成后，應向中心提交實驗運行記錄、實驗報告(論文)或實物等實驗結果，學院在每年12月份組織進行科研基礎與創(chuàng)新實驗答辯根據(jù)實驗完成度和答辯情況評選一定數(shù)量的優(yōu)秀獎，給予一定的獎勵并頒發(fā)證書。同時，指導教師也會根據(jù)學生的實驗完成情況，指導學生進行實驗成果撰寫，如發(fā)表小論文、申請發(fā)明專利、參加各類大賽等。指導教師在進行下一次申報前需提交前一次指導學生取得的業(yè)績材料(論文、專利等均需要有參與學生的名字)，學院將視情況給予一定的獎勵，對于完成情況較差者，取消指導資格。從學生反饋意見看：參與過本課程的學生均表示通過本課程的學習，懂得了如何查閱文獻、設計實驗方案、分析實驗結果和撰寫小論文等。同時，接觸到了本科學習外的更高端的科研儀器，自己動手實踐能力、創(chuàng)新能力均顯著提高，為今后的學習和工作打下了更為堅實的基礎(反饋意見來源于學校官網(wǎng))。同學們表示在今后將更努力地學習，勇于探索，爭取取得好的成績，不辜負學校和學院的培養(yǎng)。

3 科研基礎與創(chuàng)新實驗課程建設的實踐成效與展望

3.1 課程建設實踐成效

2017至2022年，我院建設的“科研基礎與創(chuàng)新實驗”課程的探索與實踐在人才培養(yǎng)、教改和科研中均取得了不錯的成效(數(shù)據(jù)統(tǒng)計來源參與該課程的學生)。但實踐過程中也發(fā)現(xiàn)一些后續(xù)要優(yōu)化和改進的方向。

3.1.1 人才培養(yǎng)出成效

該課程實踐為學生提供了一個良好的平臺，助力學生的成長成才。隨著參與人數(shù)的逐年遞增，我院考研率、各類期刊發(fā)表論文數(shù)、授權的發(fā)明專利等成績也在穩(wěn)步上升。近五年(2017-2022年)，累計考取中國科學院、985和211院校188人，并獲得就讀院校的一致好評，也有不少學生繼續(xù)留在本校攻讀研究生。期間，給指導教師擔任小助手，指導本科生的科研訓練，為本科生樹立良好的榜樣，助力本科生的成長，進一步促進自身能力的提升；學生累計發(fā)表期刊論文170篇，申請發(fā)明專利13項；學院鼓勵學生積極參加各類大賽，在“創(chuàng)青春”大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽、全國高等師范院?；瘜W實驗邀請賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽等各類大賽中，獲得國家級獎項35項、省部級獎項16項。在2020年第六屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽中，學院“柯林得——環(huán)氧乙烷生產(chǎn)新工藝服務提供商”項目脫穎而出，奪得國家金獎，實現(xiàn)了學?！皠?chuàng)意組”賽道國家金獎的零突破(圖1左)。不僅創(chuàng)下我校歷史最好成績，也創(chuàng)下全國師范院校歷史最好成績；張夢堯同學榮獲第六屆全國高等師范院校大學生化學實驗邀請賽一等獎，王輝等同學的項目獲2018年“創(chuàng)青春”大學生創(chuàng)業(yè)大賽國家金獎、江西省銀獎，同時獲“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國家銀獎。在2020年“挑戰(zhàn)杯”江西省省賽中，“鋰所能極——鋰離子電池新型負極材料領航者”團隊獲得省賽金獎(圖1右)。各類大賽在提升學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的同時，激發(fā)學生榮譽感和進取心，有效培養(yǎng)其頑強拼搏、團結協(xié)作、勇于超越等諸多優(yōu)良品質(zhì)。

圖1 化學化工學院獲“挑戰(zhàn)杯”江西省省賽金獎(左)和“互聯(lián)網(wǎng)+”國賽金獎(右)

3.1.2 教改和科研有突破

2019年化學專業(yè)入選國家級一流專業(yè)建設點，應用化學、材料化學入圍省級一流專業(yè)建設點。獲批1項省級教學改革研究課題、1項省級虛擬仿真實驗教學項目。近五年來累計申請教學改革立項課題153項，發(fā)表教學論文32篇，申請專利75項，發(fā)表SCI科研論文810篇。陳水亮老師團隊完成的“微生物燃料電池關鍵電極材料研究”和盧章輝老師團隊完成的“過渡金屬納米復合材料的制備及其催化產(chǎn)氫性能研究”均獲自然科學獎一等獎。

將化學一線科研教師和研究人員以往和新近的科研成果進行創(chuàng)新設計，并匯編了教材《化學科研基礎與創(chuàng)新實驗》。每個實驗均考慮了其拓展性和延伸性，可供學生連續(xù)使用，也是教師科研的進一步延續(xù)。

3.2 不足及改革方向與措施

課程的順利開展，實驗的完成保障，需要教師和學生投入大量的時間，目前更多依賴于教師和學生自覺主動地進行，對一部分自覺性較差的學生可能較難達到預期目標。由于本課程主要利用課外和寒暑假時間，如何保證實驗開展的連續(xù)性是需要考慮的問題。因此，每個課題由教師和3-5個本科生一起共同完成，保障實驗開展的連續(xù)性，但不足之處是課程的評分以團隊為單位進行，尚未制定對個體的詳細評分細則。后續(xù)措施是制定較為完善的管理辦法和獎勵機制，逐漸細化對學生個體的評價，將學生的成果與學生實驗過程中在創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力、知識結構、智力水平等遠期潛能相結合進行評價，這樣更有利開展創(chuàng)新型人才的激勵工作，更好地促進學生的積極性。

3.3 展望

科研基礎與創(chuàng)新實驗課程的建設最終促成了師生的雙贏共進。一方面，學生通過參與實驗獲得從事化學科研所需要的基本知識和規(guī)律，并有機會發(fā)表論文、申請專利等；另一方面，教師開展的課題在學生參與下能得到較快的完成，由此獲得一系列研究成果及教學經(jīng)驗。因此，化學科研基礎與創(chuàng)新實驗課程教學有望成為培養(yǎng)新時代學生的有效途徑，得到越來越多的推廣。