化学计量学双语教学的实践与思考

易伦朝 梁逸曾

(中南大学化学化工学院 湖南长沙 410083)

化学计量学双语教学的实践与思考

易伦朝 梁逸曾

(中南大学化学化工学院 湖南长沙 410083)

在多年化学计量学双语教学实践的基础上,对双语教学中的若干问题进行了思考和总结。从教材建设与选择、教学方法、教学手段等多个方面,对化学计量学双语教学进行了深入的分析,提出了改进双语教学的方法。

自 1972年瑞典科学家 SvanteWold提出化学计量学(chemometrics)后,在国际上得到了普遍认同,现已列为分析化学的四大支柱 (波谱与光谱、色谱技术、化学生物传感和化学计量学)。化学计量学是化学量测的基础理论与方法学,在处理化学量测中的实验设计、数据处理、信号解析与分辨、化学分类决策与预报等方面,解决了大量传统的化学研究方法所难以解决的复杂化学问题,显示了强大的生命力,已受到化学尤其是分析化学工作者的极大关注。近几年,一些院校的化学及其相关专业已将化学计量学作为选修课或必修课纳入本科生或研究生的教学计划中。该课程的教学以及相应的教学改革是一个需要不断探索和讨论的话题[1-2]。

由于这是一门新兴交叉学科,大量的文献和教材多由英文给出,所以,我们拟通过进行双语教学,缩短学生从课程学习过渡到科学研究的准备过程,提高学生的国际竞争能力,力争达到既学好课程又提高英语的效果。本校的化学计量学课程于 2002年开始进行双语教学,2008年被评为教育部双语教学示范课程。本文就化学计量学课程双语教学的探索和实践进行思考和总结,并深入分析,提出了改进双语教学的方法。

1 教材建设与教材选择

化学计量学是一门化学与统计学、数学、计算机科学交叉产生的新兴学科。它涵盖了化学量测的全过程,包括采样理论与方法、实验设计与化学化工过程的优化控制、化学信号处理、分析信号的多元校正与分辨、化学模式识别、化学过程和化学量测过程的计算机模拟、化学定量构效关系、化学数据库与化学专家系统等主要分支。本课程负责人梁逸曾教授等人根据多年的教学和科研经验,撰写并出版了一系列化学计量学教材和专著,促进了本课程的教材建设。主要教材和专著如下:

①梁逸曾,俞汝勤.化学计量学 (九五规划教材).高等教育出版社,2001

②梁逸曾(主编).分析化学计量学 (十一五规划教材).重庆大学出版社,2004

③梁逸曾,俞汝勤.分析化学手册(第十分册):化学计量学.化学工业出版社,2001

④陈启元,梁逸曾(主编).医科大学化学.化学工业出版社,2003

⑤梁逸曾.复杂有机多组分体系的定性定量解析及其应用研究.389～400.分析化学新进展.汪尔康主编.国家自然科学基金委员会化学科学部组,科学出版社,2002

⑥ Foo-tim Chau,Yizeng Liang,Junbin Gao,Xueguang Shao.Chemometrics:From Basics toWavelet Transfor mation.W iley-InterScience,2004

⑦YizengLiang,J.H.Jiang,Y.Ozaki.SelfModeling Curve Resolution(S MCR)-Principles and Its Application to N I R Spectroscopy.35～54.Useful and Advanced Infor mation in the Field ofNear Infrared Spectroscopy.Editor by S.Tsuchikawa,Research Signpost,Trivandrum, INDE(Monographie), 2003

⑧梁逸曾,徐峻,姚建华译.化学信息学教程.Johann Gasteiger,Thomas Engel.Chemoinfor matics.化学工业出版社,2004

由于本课程向学生教授的不仅包括化学方面的知识,还包括统计学、数学、计算机编程等基础知识,不但需要选择合适的化学计量学专业教材,还需要向学生推荐与本课程相关的关于矩阵论、统计学、计算机编程等领域的参考书籍。化学计量学学科发展迅速,不断有大量的英文文献出现。为了提高学生的学习兴趣,丰富学习内容,满足不同层次学生的学习需求,我们还在教学中将该课程所涉及的几个主流英文国际刊物介绍给学生,以达到提高教学质量的目的。通过多个国内外化学计量学教材[3-5]的比较,本课程采用英文原版教材 Chem om etrics,from Basics toW avelet Transfor m。该书涵盖了化学试验设计与优化方法、分析仪器的化学信号处理、分析信号的多元校正与分辨、化学模式识别等化学计量学的核心内容,并附有实例及程序的原代码,以方便学生课后编程练习,巩固所学知识。虽然使用英文原版教材进行双语教学,教师和学生都要付出比汉语教学多几倍的努力,但是使用原版教材确实在各方面有很大的优势。不但可以拓宽学生的专业知识,还可以提高学生理解英文原始文献的水平,帮助学生从网络等渠道更快更广泛地获取新的现代科技信息,及早接触学科的前沿信息,有利于培养他们的可持续学习能力和国际交往能力。此外,我们还综合多个化学计量学教材,编写了双语教学所需的多媒体课件,其中 90%来自英文原版教材。

2 教学方法

尽管这是一门双语教学课程,但我们仍然坚持一定要使学生在课程学习中“学有所得”的教学原则。既灵活使用英语教学,尽量提高学生的专业英语水平和英语的听说及理解水平,在必要时,也使用中文进行进一步解释。尽量使学生在双语教学中能专业、英语双丰收。同时,在教学方法上注意重视以学生为主体的探究性,根据课程内容和学生特点,对教学方法进行设计。有效地调动了学生的学习积极性,促进了学生学习能力的发展。

2.1 强调授之以渔的教学理念

从传统的主要传授知识改为重点放在传授思考问题、解决问题的方法上。将过去“教师讲、学生听”的单一教学方法改为灵活多样的教学方式。课堂教学突出重点、讲透难点、讲学穿插、学练结合。并结合学生自学、课堂讨论、小论文等方式,着重学生能力的培养,强调充分发挥学生的积极性和主动性,变“要我学”为“我要学”。

2.2 采用面向问题学习的新教学方式

生动的应用事例往往可以大大提高学生的学习兴趣,而且在加强学生对分析化学理论知识的理解方面有相当好的促进作用。如在讲述分析化学中复杂体系的分析难题,如中药复杂体系时,以茵陈挥发油、银杏提取物等分析体系的色谱重叠峰为例,加深学生对化学计量学多元分辨技术的理解。

鼓励学生自己动手解决其专业学科中的实际问题,学生以小组的形式进行讨论,让学生掌握解决实际问题的知识与方法,体会创造性学习的乐趣。

2.3 加强概念的导入

本课程在前几次课堂教学中,给出了必要的有关矩阵运算的基础知识。我们认为,先让学生理解和熟悉矩阵运算的符号系统及其化学和物理意义是学习这门课程的至关重要的一步。另外,我们在本课程教学中,主要强调化学计量学的基本概念和化学计量学方法的基本思路,而对于一些方法的数学推导,均以简洁的矩阵运算形式和通过对其物理意义的强调,来加强学生对它们的理解。

2.4 因材施教

为让学有余力的学生进行一些有一定深度的学习,在课堂教学中,有意引入一些可以让学生主动编程的题目,并鼓励学生参加研究生的科研。在国家、学校、学院三级大力支持开放创新实验的背景下,注重将最新的科研成果转化为实验教学项目,提高学生的科研兴趣与学习兴趣。例如鱼腥草指纹图谱解析的创新型实验,是将其在中药指纹图谱研究中的实际成果应用于教学,使学生对鱼腥草采样、挥发油的提取、GC-MS分析、数据解析、指纹图谱的相似性比较分析一直到质量控制的全过程有清晰的了解。这样不但能激发学生的学习积极性,而且对学生如何面对实际问题提出具体的解决方案的能力也有很好的培养作用。

3 教学手段

化学计量学是以计算机和近代计算技术为基础的一门新兴交叉学科,所用方法大多是基于矩阵运算,这对于化学专业的学生来说,的确有很大难度。如按常规教学方法 (即依靠BASIC、FORTRAN等经典计算机高级语言为工具,以讲算法为内容)来进行,不但需要很多学时甚至很难组织好教学,会使学生感到该课程支离破碎,不成系统。然而,化学计量学有其深刻的化学内涵;而且,如果化学计量学离开了它得以生长的土壤——化学学科,就失去了它存在的必要性。我们认为,进行化学计量学研究的应该是化学家,研究者所关心的问题应该是化学问题,而不是计算机和数学问题。所以,如何从化学角度介绍化学计量学,怎样将化学计量学的全貌介绍给学生,使他们通过学习这门课程,充分理解化学计量学的内涵,以及它为化学家提供了什么样的新思路,可以解决什么样的化学问题。这样,才能使化学学科的本科生和研究生认识到这门课程的重要性,激起他们对这门新兴学科的学习热情。为此,我们在实际教学过程中通过应用多种教学手段,力图达到提升教学质量的目的。

3.1 注重引导启发的互动式教学

教师在教学时要注重介绍课程发展史,引导学生进入角色。同时注重展开互动式教学,不时提出一些有一定深度的问题,让学生思考,进行讨论,打开思维。虽然这些问题有一定的深度和难度,但大多密切结合实际应用,因而学生对这类问题有浓厚的兴趣,有些学生给出的答案相当好。通过对问题的讨论和思考,不仅可以使学生对相关理论有更深刻的认识,而且可以使学生在分析问题、解决问题的能力方面受到训练、得到提高。

3.2 网上实践计算软件

为使学生能很好地运用所学知识,我们编制了分析化学计量学网上实践计算课件。学生可以通过该课件,自行在计算机上做练习,以巩固课堂所学知识。该课件包括文字说明、Matlab演示和 GC-MS解析实用程序 3个部分。文字说明部分采用网页的形式编辑,Matlab演示部分用Matlab编程完成,GC-MS解析是用Matlab编写的解析气相色谱-质谱 (GC-MS)二维数据的实用程序。在文字说明部分,介绍课件各个章节的基本内容并用Matlab加以演示。通常每章节用一个网页,并且每一网页都包含目录,将章节之间用超链接连为一个整体;每章节都可以方便地转到其他章节。Matlab演示部分一般是以例子的形式说明要介绍的内容和演示算法的工作过程。学习者可以按要求输入参数,选择自己感兴趣的例子进行演示。GC-MS解析实用程序是用Matlab编写的一个图形界面实用程序,该程序利用多元分辨方法-直观推导式演进特征投影法(HELP)解析 GC-MS二维数据,内容涵盖了二维数据图形显示、背景校正、秩图、满秩分解、重叠峰剥离、质谱图定性等二维数据解析的各个环节,是进行 GC-MS二维数据多元分辨的有用工具。GC-MS解析实用程序不仅是一个学习软件,更是一个功能齐全的实用程序,它已经在作者的实验室使用多年,完全可以对实测的 GC-MS二维数据进行数据解析。

3.3 多媒体与虚拟实验的使用

课堂教学采用多媒体教学的方式,充分利用多媒体的丰富表现形式,以生动的实例向学生讲述化学计量学的原理及应用。并利用网上实践计算软件的交互性和情景化,以学生为主体,构筑化学计量学课程学习的现代教学模式。

3.4 个性化学习与因材施教

通过对每个具体学生的学习进度,特别是针对一些优秀学生学有余力的情况,有意识地鼓励他们探讨进一步的研究内容,为他们指定一些英语原文文献,鼓励他们主动编程来实现一些新方法,从而引导学生发挥个性优势,达到因材施教的目的。同时注意分析学习较差的学生的具体困难,进行有针对性的指导。

[1] 俞汝勤,梁逸曾.大学化学,2000,15(1):1

[2] 堵锡华.湖州师范学院学报,2006,26(2):108

[3] 许禄,邵学广.化学计量学方法.北京:科学出版社,2004

[4] Brereton R G.Chemometrics:Data Analysis for the Laboratory and Chemical Plant.New York;Chichester:W iley,2006

[5] SharafM A,Illman D L,KowalskiB R.Chemometrics.New York:W iley,1986