面向德才兼?zhèn)浒渭鈩?chuàng)新人才培養(yǎng)的分析化學(2)教學思考與實踐

趙子龍，黃晉，劉艷嵐，宦雙燕，王玉枝

湖南大學化學化工學院，長沙 410082

分析化學是探索與認識分子世界與化學現象的主要工具之一，是研究獲取物質的組成(定性與定量)、結構等信息的方法與技術及其相關理論的科學[1]。隨著科學技術的迅速發(fā)展以及學科深度交叉融合，各種新理論、新原理、新方法和新儀器不斷涌現，使分析化學進入了一個新階段[2]，不但為各領域和各行業(yè)提供研究方法和工具，也為技術標準和行業(yè)規(guī)則建立提供依據[3]，在促進科學進步、國家安全、經濟繁榮和社會穩(wěn)定方面發(fā)揮著重要作用。探索如何培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞陌渭鈩?chuàng)新人才是當前分析化學(2)教學實踐的一項重要任務。

1 存在問題

湖南大學分析化學是一門為化學及相關專業(yè)開設的專業(yè)基礎課，由分析化學(1)、分析化學(2)、波譜分析和相應實驗課組成[4,5]。其中，分析化學(2)主要講授光分析法、電分析法、色譜分離分析法的基本原理、方法及應用，是分析化學的重要組成部分。為培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞陌渭鈩?chuàng)新人才，湖南大學分析化學(2)不斷探索，已取得一定成效，仍有短板需要完善。存在的主要問題體現在以下三個方面：

(1) 課程基本理論、分析方法和儀器多為西方國家提出和發(fā)展，中國元素顯示度不足。僅依托教材內容開展教學，不容易體現我國科學家的貢獻和當代中國分析化學的發(fā)展現狀，難以在知識傳授的同時實現價值引領。

(2) 教材中儀器裝置和部件僅依靠圖片展示和文字描述，過于簡單和抽象。此外，實驗實踐與理論教學在時間安排上難以同步，導致知識內容抽象枯燥，易挫傷學生學習的積極性與主動性，不利于培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。

(3) 教學內容強調基本理論，更新較慢，無法展示學科發(fā)展趨勢和最新進展。僅依托教材內容授課，不利于學生學科視野和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

2 采取的措施和方法

為了強化分析化學(2)的育人功能，我們深度挖掘和梳理課程所蘊含的思政元素、實際應用案例和學科前沿進展，并通過顯性與隱性滲透的方式，將其與知識點融合，引導學生透過現象發(fā)現本質、認清本質后找到解決問題的方法，以期在知識傳授的同時實現對學生的價值引領和能力培養(yǎng)。

2.1 知識傳授融入思政案例，提升課程立德樹人功能

在導論中引入社會焦點——核酸檢測，加強學生對新冠病毒和防疫政策的理解；引入“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器、青蒿素的發(fā)現史和中國探月工程等中國重大科學和技術進展，講解其中的分析化學元素，增強學生對分析化學的理解。我們根據各章節(jié)教學內容，積極融入思政案例，實現價值引領(表1)，以激發(fā)學生的學習興趣、家國情懷和使命擔當，引導學生樹立正確的世界觀和價值觀。

表1 分析化學(2)思政案例

2.2 知識傳授融入實際案例，提升理論聯系實際能力

針對分析化學(2)理論教學和實驗實踐難以同步而造成理論知識與實踐結合不夠緊密的難題，我們不斷改進教學方式和豐富教學內容，根據教學知識點引入社會熱點案例，增強學生對儀器的掌握和理解，培養(yǎng)學生根據檢測對象靈活運用知識設計實驗的能力，提升學生理論聯系實際的能力。

2.2.1 授課方式多樣化，增強學生對分析儀器和分析方法的掌握

通過多方式、多層次、多場所的教學方式，不斷豐富教學內容，激發(fā)學生興趣。充分利用線上學習資源，將課本中簡單、抽象的儀器生動地展示給學生(圖1a)[6,7]。同時，將實驗室的紫外分光光度計、原子吸收光譜儀、熒光光譜儀、HPLC等儀器向本科生開放(圖1b)，為學生提供課后實踐場所，進一步加深學生對儀器的認知和理解，增強學生對分析儀器和分析方法的掌握。

圖1 (a) 線上學習資源的利用；(b) 實驗室儀器向本科生開放

2.2.2 授課內容緊密聯系實際，培養(yǎng)學生運用理論知識解決實際問題的能力

在教學過程中注重理論和實踐的聯系，結合社會熱點、科技進展和環(huán)境安全類事件等，引導學生思考，培養(yǎng)學生運用理論知識解決實際問題的能力。例如，2020年12月17日，嫦娥5號返回器成功降落，帶回了1731 g珍貴的月球土壤。月球土壤分析不但為探討月球起源與演化歷史提供了重要參考，還為未來月球礦產資源開發(fā)利用提供了依據。在分析化學(2)最后一章分析過程的教學實踐中，我們引入月球土壤分析實例，讓學生設計分析月球土壤的方案。學生通過查閱文獻資料，歸納出無損→少損→有損的分析過程，使有限的樣品盡可能給出最大的科學產出；并發(fā)揮集體智慧總結了月球土壤分析的檢測內容和分析方法(表2)。我們還結合其他教學內容，引入不同實際案例，以問題為導向，培養(yǎng)學生運用理論知識，解決實際問題的能力(表3)。

表2 月球土壤分析案例

表3 實際案例與分析化學(2)相關知識點

2.3 經典教學內容與學科前沿相結合，提升學生創(chuàng)新能力

分析化學(2)是分析化學長期科學研究和高水平應用成果的結晶，蘊含著豐富的科學思維和創(chuàng)新思維，與此同時，分析化學(2)的發(fā)展具有鮮明的時代特征，各種先進的分析原理、方法和儀器不斷涌現。在分析化學(2)教學中，我們在注重挖掘經典內容中的創(chuàng)新思維的同時，積極融入最新科學進展，培養(yǎng)學生科學創(chuàng)新能力。

2.3.1 深挖經典內容，培養(yǎng)學生科學創(chuàng)新能力

在熒光分光光度法教學中，首先向學生介紹斯托克斯爵士發(fā)現斯托克斯位移的實驗裝置，然后向學生介紹熒光光譜儀的基本部件和光路，通過分析兩者的相似之處，引導學生積極思考經典教學內容中蘊含的科學創(chuàng)新思維，了解經典教學內容對科學技術發(fā)展的推動作用。同時，成立了研究興趣小組，指導學生利用熒光光譜儀和共聚焦激光掃描熒光顯微鏡進行課外科學研究。例如，膠體金作為一種廣譜的熒光猝滅劑廣泛用于球形核酸熒光探針的構建，并成功用于細胞中各種生物分子的分析?；诖耍覀兿蜓芯颗d趣小組提出問題：能否發(fā)展不含膠體金的球形核酸熒光探針，用于細胞內生物物質的檢測，組織學生展開廣泛討論。小組成員通過深入了解經典教學內容中激發(fā)態(tài)分子的去激發(fā)過程，通過查閱文獻和與課題組研究生交流，利用核酸組裝策略和熒光共振能量轉移原理，發(fā)展了一種簡單、智能、無膠體金的球形核酸探針用于細胞內三磷酸腺苷(ATP)的檢測[8]。同時，我們積極引導研究興趣小組根據經典教學內容進行文獻調研和實驗設計，通過新冠病毒檢測與中和等課題的研究實踐，培養(yǎng)了本科生的科學創(chuàng)新能力[9-12]。

2.3.2 緊密聯系學科前沿，培養(yǎng)學生科學創(chuàng)新思維

在熒光光譜分析法中融入2008年諾貝爾化學獎——綠色熒光蛋白質的發(fā)現、表達和發(fā)展，和2022年諾貝爾化學獎——點擊化學與生物正交化學知識點，向學生介紹了綠色熒光蛋白技術和生物正交化學兩種方法的基本原理及其在生命科學研究中的應用。前者是基于基因重組技術將熒光蛋白與目標蛋白相連，為目標蛋白的定位、遷移、構象變化以及分子間的相互作用提供可觀察的標簽；后者是通過在生物環(huán)境中發(fā)生的一組對生物分子影響微小或對生化過程干擾微小的化學反應，從而在目標蛋白上精準修飾小分子標簽。在講解的基礎上，通過分析案例與學生討論熒光蛋白技術和生物正交化學技術在細胞分析中有哪些不同點，通過學習，學生歸納出兩者主要的不同點包括：(1) 基本原理不同。前者是基因重組技術，后者是化學方法。(2) 標簽大小不一樣。熒光蛋白分子量大，影響目標蛋白結構和功能，從而影響分析結果。生物正交化學工具分子量小，對分析對象干擾小。(3) 應用范圍不一樣。與熒光蛋白技術相比，生物正交化學反應種類多，應用范圍廣泛，如疾病精準治療等。我們進一步留出課后作業(yè)：熒光蛋白技術在2008年獲得諾貝爾化學獎后，為什么生物正交化學反應在2022年還能獲得諾貝爾化學獎？它解決了哪些熒光蛋白標記技術不能解決的問題？引導學生思考，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維。其他知識點與科學前沿進展結合的案例見表4。為了闡明案例與經典教學內容的結合，我們以圖譜的形式展示了案例和經典內容之間的關聯(圖2)。

表4 科學前沿進展案例與分析化學(2)相關知識點

圖2 教學實踐案例與知識點關聯圖譜

3 綜合教學案例與思考

青蒿素是抗瘧疾的特效藥，具有速效、低毒等優(yōu)點。但因溶解度小而難以制成注射劑液，口服生物利用度低和復發(fā)率高等不足限制了青蒿素的應用。為了解決上述問題，中國科學家們相繼發(fā)展了雙氫青蒿素及其醚類、羧酸酯類和碳酸酯類衍生物。雙氫青蒿素是蒿甲醚在體內主要活性代謝產物。探討青蒿素、雙氫青蒿素和蒿甲醚的保留時間，有助于研究蒿甲醚在體內的代謝。因此，在反相高效液相色譜法教學實踐中，我們以青蒿素、雙氫青蒿素和蒿甲醚為例，引導學生分析三種物質在結構上的不同(圖3)，討論官能團的變化對物質極性的影響，并得出結論：極性從大到小依次為雙氫青蒿素、青蒿素和蒿甲醚。因此，在反相高效液相色譜中，保留時間從小到大依次為雙氫青蒿素、青蒿素和蒿甲醚。當減少乙腈-水流動相中乙腈含量時，流動相非極性減少，導致組分在流動相中分配系數變小，從而增加了組分在反相高效液相色譜中的保留時間。通過上述案例，學生總結了影響反相高效液相色譜分離因素主要有以下兩點：(1) 組分與固定相之間的相互作用越強，組分保留時間越長；(2) 流動相極性越強，組分在反相高效液相色譜中保留時間越長。另外，雙氫青蒿素向蒿甲醚的轉化涉及了化學衍生技術知識點。因此，在此教學案例中，我們將青蒿素這一思政元素與反相高效液相色譜分離影響因素、化學衍生技術等知識點有機融合，引導學生逐步得出結論，并與文獻[13]對比，加強了學生對相關知識點的掌握和靈活應用。

圖3 青蒿素、雙氫青蒿素和蒿甲醚的化學結構式

4 結語

通過不斷豐富教學內容和改進教學方法，精選思政案例、社會熱點案例和學科前沿進展案例，探索和設計案例與相關教學內容有機融合的方式，運用現代化信息技術手段，豐富教學內容和改善教學方法，注重知識傳授和價值引領相統(tǒng)一、理論知識與實際問題相統(tǒng)一，經典教學內容和科學研究新進展相統(tǒng)一，激發(fā)學生的學習興趣和積極性，培養(yǎng)學生的科學創(chuàng)新思維和科學創(chuàng)新能力，推進分析化學(2)課程科學育人和思政育人的雙重育人功能，在培養(yǎng)德才兼?zhèn)浒渭鈩?chuàng)新人才方面取得了積極成效。