“高等物理化学”教学中科教融合路径研究

2022-12-29褚玉婷邢晓平

化工时刊 2022年9期

褚玉婷邢晓平严新

(盐城工学院化学化工学院，江苏盐城 224000)

改革开放以来，随着经济的飞速发展，社会对高素质人才的需求量也越来越大。在研究生进行扩招的同时，研究生培养也应该引起足够的重视。如何培养与国家的经济发展相适应，同时与社会发展相匹配的高素质人才，在研究生培养过程中，“科教融合”是其中的一个方面。所谓“科教融合”就是将科学研究成果融入教学过程，如何做到这一点，值得探讨。

传统的研究生教育存在一些问题，比如教学内容过于刻板、理论知识与实践运用相分离、考核方式单一，这些都不利于为国家培养创新型人才[1，2]。在19世纪，德国教育家洪堡首次提出并实施“科教融合”的教育方式。21世纪以来，我国也颁布了一些关于创新型人才培养的纲领性文件，鼓励在教学过程中实施科教融合[3]。相对于国外，我国科教融合的教学理念形成较晚。目前，在研究生培养过程中，科教融合的理念已经初步建立，但如何实施尚在探索阶段，许多高校还仅仅停留在理论探讨阶段。

作者作为教授研究生“高等物理化学”的专业课教师，在教学过程中，对科教融合的具体路径进行了初步的探讨。“高等物理化学”是化工类研究生学习的一门专业基础课，它在本科四大化学(“无机化学”“有机化学”“分析化学”和“物理化学”)的基础上，难度和深度都有所提升。如何在教学过程中体现科教融合，作者根据对教学过程的研究，进行了如下几种探索。

1 将教学内容与科研前沿有机融合

作为授课教师，我们首先要对教学内容有清晰的认知，能够熟练地构建课程的知识框架，同时，自身也要多做科研，了解最新的科研前沿知识，将所教的内容与科研前沿相结合。

很多研究生在硕士毕业后，会继续攻读博士，或者进入高等学校、研究所、公司的研发部门工作，无论后续如何，都需要继续搞研究，所以，科研在研究生教育教学中是非常重要的部分。因此，授课时，在绪论部分，给他们介绍国家自然科学基金的相关内容，让学生了解国家自然科学基金委对学科代码的划分，例如，B03属于物理化学分支，其下又可以分为结构化学(B0301)、理论与计算化学(B0302)、催化化学(B0303)、化学动力学(B0304)、胶体与界面化学(B0305)等，每一个分支下又细化为若干小分支，在撰写国家自然科学基金申请书时，需根据自己的研究方向选择合适的代码。

“高等物理化学”的教学内容，有很多与科研前沿相通的部分。作为教师，要充分备课，将教学内容与科研前沿有机融合。比如讲解到吸附时，一方面，讲解吸附热力学和吸附动力学，再延伸到自己对吸附材料的研究，同时介绍目前研究比较热门的吸附材料，如农业废弃物、改性黏土矿物、改性活性炭、有机金属框架(MOF)材料等。将自己的研究成果分享给学生，并将自己论文中的实验数据结合理论知识进行进一步探讨，比如将吸附量与浓度的相关性数据代入朗缪尔吸附方程和费利希方程进行线性或者非线性模拟，验证实验数据和两个方程的相关性。如果符合朗缪尔方程，就说明合成材料的表面吸附位点是相同的，极易形成均相材料；如果符合费利希方程，则说明所合成的材料表面吸附位点不相同。另外，再将时间对吸附量影响的实验数据进行动力学模拟，根据不同反应级数的动力学方程进行线性或者非线性模拟，讨论吸附速率的动力学特征，进一步探讨吸附机理。另一方面，教学中可以联系目前的环境污染问题，讲讲典型的环境污染事件，同时在此处融入思政元素，帮助学生树立绿色化学的意识。提醒学生在搞好科研的同时，不能忘记保护环境，千万不能做随意排放实验废水等违法违纪的事情。

2 教学过程中体现理论知识与科研方法融合

“高等物理化学”课程公式多、理论性强，特别是量子化学中算符、薛定谔方程的求解推导过程较为复杂，很多同学只会动手推导公式，但对于这些公式的应用思路却不清晰。因此，在注重讲解理论知识的同时，也要强调这些公式推导所使用的计算方法。

比如，讲解量子化学理论知识的同时，介绍量子化学计算方法——Gaussian软件[4]的使用。作者在讲解本门课程时就有4学时的课程用于介绍计算软件的使用，并用电脑现场演示。先用GaussianView软件创建分子结构，保存为.gjf文件，再对.gjf文件进行编辑，将编辑好的.gjf文件放入Gaussian软件中进行结构优化计算，根据计算结果得到原子电荷、HOMO轨道能量、LUMO轨道能量、分子的键长、键角和二面角等数据，进而通过其他关键词计算出其他有用的信息。另外，可以将Gaussian计算产生的.chk文件转变为.fch文件，借助卢天老师的Multiwfn软件[5]进行波函数分析，得到分子的静电势、离子局域化能、分子间弱相互作用等重要参数，为研究生所做的实验研究提供理论指导。

另外，借助Multiwfn软件和VMD软件[6]画出来的图非常美观，这也可以为将来论文的撰写提升档次。当然，学好计算方法仅仅靠几节课是无法实现的，作为教师可以向学生推荐一些博文，比如卢天老师在北京科音上的博文就写得非常好，关于计算都有详细的教程，对于复杂的计算还提供了详细的讲解视频，学生可以利用课余时间对自己感兴趣的计算领域进行自主学习。理论计算可以推测反应活性位点，探讨相互作用机理，同时对新材料的性能等方面进行预测，这非常有利于科研工作的开展。

3 构建导师协同育人机制

教学与科研相辅相成，不可分割。教学推动科研的发展，在教学中讲解科技发展的前沿知识，让学生掌握本专业的知识框架和研究方法，初步了解什么是科研。同时科研又反作用于教学，在科研的同时进一步加强对教学内容的理解。研究生除了学习课程知识，多数时间是在科研团队和导师做科学研究工作。作为课程主讲教师，可以和学生及他们的导师互相沟通，构建导师协同育人机制。

通过教师和导师协同育人的机制，了解研究生的研究方向以及待解决的技术问题，将科研渗入教学内容，做到科研资源与教学内容的深度融合。教师、导师和学生在科研平台和教学平台可以互相沟通，鼓励学生做原创性研究，引导学生做好学术规范，培养学术诚信意识，加强专业培养，为社会发展培养创新型人才[7]。比如，作者所在的学院有电化学团队、吸附材料团队、有机合成团队等，教师利用课间时间和每位学生沟通他们所在的团队和研究方向，可以在讲解理论知识的同时做到资源整合，有助于提高他们的科研效率。

4 鼓励学生参加创新型大赛

目前，高校教育中有很多创新创业类项目，作为教师，应该鼓励研究生积极参加此类项目，锻炼自己的科研创新能力。比如作者所在的学校每年都会举办“挑战杯”大学生创业计划竞赛、大学生创新创业项目申报等。鼓励研究生参加创新型人才大赛，围绕科技创新、脱贫攻坚、社会服务和生态环保等主题，可以锻炼学生自主学习和探索的能力，让学生了解社会发展的热点问题，同时也注意团队意识的培养。比如在环境治理领域，针对目前出现的重金属污染问题，可以结合当地的具体情况，如皮革厂产生的含铬污泥的处理、电池厂产生的废水问题、污染农田的土壤修复问题，学生可以根据自己所学的知识和实验技术进一步探索，做好科研项目。

5 多维度评价教学效果

研究生教学效果评价应该从多个方面进行考核[8]，要打破传统的以单一的期末试卷分数定高低的模式。在平时的教学中，可以根据教学内容和各自的研究方向布置一些英文综述文献让学生翻译，让学生可以充分了解科研前沿；还可以针对目前国内出现的能源问题、环境问题布置一些调查研究，撰写研究报告；或者让学生根据自己的研究方向，利用计算软件计算自己所研究物质的相关结构数据，掌握计算软件的简单应用，比如算出所研究物质的电荷分布、静电势等数据。将这些材料作为平时考核的标准，根据达成度计算，对教学效果进行综合判断，提出教学改革措施。另外，可以建立研究生教学的慕课堂，将教学内容与科研前沿领域渗透部分在慕课堂中体现，做到线上教学和线下教学相融合[9，10]，将慕课堂知识的观看时间、参与程度等也作为考核的一部分。从多个维度去评价教学效果，真正把科教融合的应用效果体现在教学成果中。