“双一流”背景下大学生科研创新能力的培养——以物理化学实验教学为例

孙 越, 郝 强, 周禹希

(辽宁师范大学 化学化工学院,辽宁 大连 116029)

“双一流”建设即“建设世界一流大学”和“建设世界一流学科”,是习近平总书记在2014年提出的伟大构想,是党中央、国务院在新的历史时期,为整体提升国家的教育教学水平、增强我国在世界舞台上的核心竞争力做出的重大战略决策[1-2].2015年11月，国务院发布《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》,2017年1月，教育部、财政部、国家发改委联合公布《统筹推进世界一流大学和一流学科建设实施办法(暂行)》.这两份文件指出具有战略高度的“双一流”建设不仅是国之教育发展道路上的必然选择,也是我国政治、经济发展以及提升国际竞争力的迫切需要[3-5].

“双一流”建设的总体目标是推进一批具有高水平的学校及学科进入世界教育领域的一流行列或者前列,其中，“双一流”建设的重要使命是培养具有创新能力的高素质人才[6].化学是一门以实验为基础的自然科学,物理化学实验是大学本科生毕业前的最后一门实验课程,它在教学过程中有着十分重要的地位,对学生理解、掌握物理化学理论知识，学习相应的操作技能,将理论知识应用到实践中,培养学生发现、分析、解决问题的能力等方面具有重要作用[7-8].本文以辽宁师范大学为例,介绍化学化工学院(以下简称学院)在“双一流”建设背景下,以实验促教学,在物理化学实验教学中提升学生科研创新能力的方法、举措,以及在提升大学化学实验教学效果中的作用.

1 多层次全开放的实验教学体系

辽宁师范大学化学化工学院目前有3个本科专业,分别是化学(师范)、应用化学、药物化学.学院基于“以学生为本,重基础、求创新,培养具有社会责任感、实践能力突出的高素质人才”的实验教学理念,利用多个省级重点实验室和省级科普基地的优势资源,已形成多层次的实验教学体系,以提高学生科研创新能力,满足化学学科发展对基础教育领域化学教师及化学相关人才的要求.具体做法是以“基本技能—综合能力—创新能力—从业能力”为主线,开设基础实验—综合实验—研究设计型实验—校外实训等课程.其中,物理化学学科分支中开设《基础物理化学实验》《理化测试》(综合实验)《中级物理化学实验》《计算机辅助药物设计》3个层次、4门独立实验课程.如图1所示,基础实验主要训练学生的物理化学基本实验技能，综合实验侧重于实验内容的整体性设计,培养学生对物理化学知识、技术、实验方法和手段的综合应用.研究设计型实验则围绕拟解决的科学或技术问题进行系统的课题研究和方法训练,为学生创造自主学习及探索的科学实验平台,使学生的实践和创新能力得到系统的培养与训练,为拔尖学生科研创新能力的提升提供成才条件.校外实训则根据不同专业的特点,开展具有专业特色的实习、实训,培养学生综合解决问题的能力、团队精神及创新能力.

图1 多层次全开放的实验教学体系Fig.1 Student’s scientific research training during the experments

需要指明的是各个层次的物理化学实验都对大学本科生开放,允许学有余力的学生进入实验室进行相关科学研究,培养学生科研创新能力.例如,“凝固点降低法测定摩尔质量”是一个经典的基础物理化学实验,传统教材中一般使用“苯-萘”体系进行测试.苯是一种致癌物质,人暴露在大量的苯中会引起白血病,部分文献使用环己烷代替苯.但环己烷容易吸收水蒸气,实验中常需精馏,且不能在高温、高湿季节开设实验.针对上述问题,物理化学实验教学团队将中级实验室开放,组织学生对实验中的溶质、溶剂进行重新选择,经过系列探索,成功选择水为溶剂测定葡萄糖的摩尔质量,并在实验方法上进行了改进,相关成果已发表论文《介绍一个绿色物理化学实验——凝固点降低法测定葡萄糖的摩尔质量》[9].

物理化学实验数据的处理方法有加权平均法、作图法、列表法等.实验中为了避免误差,通常会采集大量实验数据,学生手动处理实验数据常常需要花费很多时间、精力.另外,手动处理数据常会带来较大误差.为了解决这些问题,物理化学实验教学团队开放各基础实验,组织对计算机感兴趣的化学专业本科生,以Visual Basic为工具,采用非线性拟合、数值积分等方法开发出“物化实验数据处理系统”,对实验数据进行自动处理,并可打印出计算结果和图形.通过数据录入和数据处理过程分开,从根本上杜绝了学生抄袭实验报告的现象,也解决了手动处理数据费时、费力、误差较大等问题.该研究成果已制作成软件(ISBN978-7-89423-261-8),经高等教育电子音像出版社面向全国刊印发行.

2 科研课题式的小组实验模式

科研课题式的小组实验模式,就是将学生分成4～6个人的小组,教师给出多个实验课题,每组任选一个完成.围绕课题目标使学生在互动、探究、研讨过程中,培养思维能力、归纳总结能力、交流表达能力以及集体合作能力,有效促进学生多样化成才.例如,在“理化测试”综合实验中教师设置课内特殊训练环节,以“生物酶催化反应动力学常数的测定”为研究目标,如图2所示.让学生不仅要参考实验教材,更要像从事科研工作一样,从课外参考书、中文文献、英文文献等方面获得相关资料,进而设计实验方案、进行实验探究、跟踪与记录实验现象、数据处理和图谱解析、论文写作等,对学生进行全方位训练.值得一提的是论文格式要符合一般科研论文的标准,要有数据分析、有结果和讨论、参考文献等等.学生科研课题式的小组实验模式,不仅使学生感受了科学研究的一般流程,突出了学生的主体作用,使学生的独立思考和操作能力得到了普遍提高.同时学生在课题小组内,也有了挑战自己的机会,在顺利完成自己设计的实验后收获了极大的成就感以及对科学研究的兴趣,这对以后开展真正的科研工作具有非常积极的影响.最后,学生科研课题式的小组实验模式有助于培养学生的团队精神,有创意的学生的灵感和建议会对组内实验产生正向的推动作用,学生们在实验中瞬间产生的思维火花,有助于进一步引发学生“主动学习”的热情,为学生创新能力和科研思维能力的提升提供了基础.

图2 学生实验中的科研训练环节Fig.2 Scientific research and train link in students’ experiment

3 科研成果转化为实验教学内容

学院很多教授、副教授主持国家自然科学基金项目,他们在授课过程中,结合自己的最新科研成果和研究体会,把相关课程的前沿进展和研究方法不断地引入教学.例如,物理化学实验教学团队把已经成熟的科研成果直接转换为教育教学项目,先后开设了有关“质子交换膜燃料电池”“催化剂的活性评价”等研究设计性实验题目.这些具有创新性的实验内容已编入化学工业出版社出版的《物理化学实验》教材[10]中.对于研究设计性实验,还有的实验项目来源于本地的中小企业,这些企业本身没有科研团队,但有较大科研需求,于是企业与学院教师协同创新,联合拟定研究设计性实验题目,如“油脂的脱色技术研究”“用于低碳链甘油三酯制备的催化剂研究”等.这些实验所需经费由企业提供,得到实验结果用于企业提升产品价值.而这些实验项目可使学生更好地接受科研训练,提升职业素质,提高学习的目的性和主动性,培养学生真正“有用”的知识和技能.

计算化学在生产、科研等实践中的应用越来越广泛,尤其是计算机、虚拟仿真等领域技术的发展,使化学学科已不再是纯实验的自然科学,它正经历悄无声息的变革[11].学院物理化学实验教学团队结合目前化学学科发展的趋势及教师自己的科研实际,为药物化学专业的学生开设了独立的实验课程《计算机辅助药物设计》(64学时),同时，《基础物理化学实验》课程中也开设了计算化学实验项目——《甲醛分子的结构和性质的计算化学研究》(8学时).这意味着学院所有专业的学生都能掌握一些计算化学相关知识,学生将更能适应大学化学学科体系经历的变革,学生的知识结构和技能结构也更能适应现代化建设的需求.

4 定期、不定期地开展前沿科研讲座

学科前沿讲座是学生了解科研发展方向、进度的一个不可或缺的资源.学生可以通过讲座,第一时间了解自然科学领域最新的发现、发明,人文社会科学领域的研究成果,甚至是人类精神文明的发生、发展[12].学术讲座作为第二课堂内容,可以开阔学生思维,为第一课堂进行有效的补充；而第一课堂上学到的理论又是讲座的重要基础,将两者紧密联系起来,对学生专业素养、知识技能、创新意识的提高都有很重要的作用[13].物理化学是一门比较抽象的二级学科,为本科生开展前沿知识讲座需要有更高的要求.比如，低年级的学生没有完整的知识体系,对于专业性强的讲座很容易因为难以理解讲座内容而浪费了时间精力,甚至失去对科研的信心，这就要求在讲座内容和方式上做出改变.例如，举办相关讲座时,面对本科生,讲座内容不需要“专、博、深”,要以学生知识结构背景为基础,联系人们生活所面临的问题,介绍学科中的新理念、新技术.同时,举办讲座的教师要研究能力强、知识面广,不仅熟悉相关领域科研发展方向和趋势,还要能与课本知识相结合,把抽象的科研成果具体化,将讲座内容最后回归学生实验课堂上,让学生充分体验理论来源于实际,科研就在身边.

为了让讲座更好地发挥作用,有以下两方面举措.首先对于低年级、没有科研基础的学生,请院内资深教授进行宣讲.学院内的教师,对本学院学生的培养方向以及知识基础有一定了解,讲座时,结合本学院的资源和各个教师的研究成果,会有一个很好的导向作用,在内容上也能做到有的放矢;第二,邀请校外对本学科有独到见解的专家举办讲座.使学生不局限于本学校,还为他们在未来就业或创业中提供更多方向的选择,给学生创造更大的发展平台.通过定期、不定期开展学术前沿讲座,本科生不仅了解到科研的最新发展动态,更学习了老师以及科研工作者们对学术研究的态度.在一定程度上促进了教师教学和学生发展,对学生化学专业素养、科研技能、创新意识的提高都具有重要的意义.

5 结 语

物理化学实验在大学化学教育、教学中的地位非常重要,在创建世界一流大学、一流学科、培养一流人才等方面发挥着特殊的作用.几十年来,学院物理化学实验教学团队多次调整、修改学生的培养方案、教师的教学计划,形成了多层次、全开放的实验教学体系.科研课题式的小组实验模式,将纵向、横向科研成果转换为实验教学内容,并定期、不定期地开展前沿科研讲座,积极把前沿发展融合进课堂,从而期望学生跟上时代的脚步,走在发展的前端,不断提高科研创新能力,为早日实现中华民族的科技复兴贡献力量.