关于高校理工科本科生科研能力培养的实践探索

张立超,包先明,孙立强,孙崇玉,刘飞,关旭扬,水晶,李文静

(淮北师范大学 生命科学学院,安徽 淮北 235000)

在中国高校理工科本科生的教育工作中,课堂讲授一直是对本科生教学采用的主要方式,对本科生科研能力的培养往往是高校教学中相对欠缺的一个方面.加强科研能力的培养不仅能够增进其对专业理论知识的进一步理解,扩宽学生知识面,同时也能提高学生的思维能力、分析解决问题能力以及创新能力[1].现如今,越来越多的本科生选择继续攻读研究生.根据教育部官方公布的数据,2022年全国硕士研究生招生考试报考人数457万人,比2021年增长80万,增幅达到21%,再创历史新高.2022年研究生招生总人数预计120万左右,录取率仅为26%.而在研究生招生录取考核中,那些在本科学习过程中有过科研锻炼经历、参与过科研项目、抑或发表过学术论文的学生往往更受招生导师青睐.这使得我们不得不审视我们在本科生培养工作中往往忽视的一个方面——本科生科研能力的培养.

高校在对理工科专业制订教学培养方案时,一般均采用理论教学与实验教学相结合的方式.相比于一些科研工作,本科教学阶段的实验课程往往验证性的实验项目居多,在规定的课程学时按照固定的实验步骤按部就班地得到一些可预测的结果.这类实验教学往往缺乏对学生自主探索问题能力的锻炼,不利于培养和提高学生的科研能力和思维.为进一步对本科教学工作进行改革,加强对学生能力水平的培养,教育部从“十二五”开始,提出并实施了大学生创新创业训练计划[2].通过大学生创新创业项目,学生可以自己组建团队,并在指导教师的指导下,查找文献资料,设计具体的实验路线,接触并使用常用的表征仪器,开展一些探索、研究工作.项目化教学的方式要求学生能够主动思考,设计具体的项目实施方案,并和项目成员互相合作交流,共同解决项目实施过程中可能遇到的困难.在合作完成项目的过程中,学生的动手能力、创新意识以及科研水平均得到极大的提高.相对于课本理论知识,科研项目往往更关注社会面临的一些具体问题以及当前科学研究的前沿热点等领域,项目化教学的实施可以为社会培养更多符合当下需求的人才.

1 科研项目提升高校本科生科研能力的实践探索

高校本科生参与科研项目研究,一般来说,常见的途径主要有两种方式:一种是学生自己申请的大学生创新创业项目,分为省级和国家级两种类别;另一种就是学生联系相关老师,参与老师课题组的科研项目.下面结合自己实际的科研指导经历,简单介绍下参与科研项目对大学生科研能力锻炼的具体案例.

淮北师范大学环境科学专业的学生在笔者的指导下开展了“土壤富里酸的提取及其性质表征分析”研究项目.土壤富里酸是构成土壤腐殖质的重要组分,广泛分布于各自然环境中,能够影响土壤环境中各污染物的迁移与转化行为.本项目选择富里酸为研究对象,进行土壤提取富里酸以及富里酸表征的相关工作.该项目要求学生自己查阅收集资料,设计实验方案,并了解和使用相关表征仪器,并在项目的实施过程中发现问题、解决问题,这极大地提高了学生的动手能力、思考问题的方式以及学生的创新意识.

1.1 实验方案确定

首先,参与项目的学生要了解常见的文献下载数据库,学习并掌握文献查找和下载方法,并从文献中总结并设计自己的实验方案.学生在文献资料的学习中对该项目的研究现状、研究难点与热点等方面有一个大致的认识.实验方案设计完成后,应当开展预实验,并根据预实验的结果进一步修改自己的实验方案设计,直至实验方案设计的最终定稿.

1.2 实验开展

实验最终方案确定后,依照实验方案开展实验.实验过程中,学生从土壤提取了富里酸组分,对富里酸的外观形态、在酸碱中的溶解性等有了更深入的认识.在对富里酸性质表征过程中,学生接触并使用了扫描电子显微镜、核磁共振光谱仪、傅里叶红外光谱仪等大型仪器设备,学会了数据的绘图和分析处理.在这一过程中,学生的动手能力、实验技能和科研水平均得到极大提升.

1.3 实验结果与讨论

通过扫描电子显微镜,学生实现了从微米尺度观察富里酸的形貌,这促进了学生对富里酸形貌的进一步认识,并使学生掌握了从微米尺度观察样品形貌的方法.核磁共振光谱是利用核磁共振效应来进行分子结构信息鉴定的方法[3],它能够识别出富里酸分子中质子的种类及周围环境,从而进一步推断富里酸的结构信息,化学位移在6.7-7.4之间的峰主要是富里酸中的苯环氢及稠环氢信号,化学位移在0.8-2.2之间的峰主要是富里酸中甲基及亚甲基信号.红外光谱是利用物质分子不同化学键或官能团对红外线吸收频率的差异来鉴定化学键和官能团的方法,不同位置的吸收峰代表了富里酸分子中的不同官能团,比如3400 cm-1处的羟基峰、1600 cm-1处的羧酸盐不对称伸缩振动峰和芳香骨架振动特征峰、1070 cm-1处的醇或者醚的C-O伸缩振动峰等[4].通过对富里酸的核磁共振光谱以及红外光谱分析,学生初步掌握了大型仪器的使用方法,学会了实验数据的处理分析、绘图等,并进一步认识到富里酸的分子结构信息以及对样品分子结构进行表征鉴定的方法,提升了自己的专业技能和科研水平.

1.4 实验总结

在完成实验数据的分析处理后,学生根据实验数据分析讨论所研究的课题,撰写研究论文,揭示富里酸的结构特征等性质.指导教师根据学生的实验数据及其研究报告,指出可能存在的研究不足以及可进一步挖掘的研究创新点.学生根据指导教师意见,继续完成可能需要补充的实验内容,进一步修改和完善科研论文并投稿.

通过以项目为基础的科研能力培养实践活动可以看出,学生积极参与到科学项目研究中对学生科研能力的培养和锻炼大有裨益.首先,学生参与科研项目,进行实验方案设计以及实验开展等过程,均和相关指导老师进行了深入的交流和沟通,得到了指导老师的帮助.在教师的指导下,学生能够更好地把握所研究领域的科研关注点与创新点,在实验方案设计中能够更好地运用平时本科实验课程难以接触到的一些大型仪器,从分子水平和微观尺度对相关样品进行表征分析.其次,学生通过参与科研项目,往往能够利用科研实验室的科研平台来开展项目研究,这对项目的顺利开展以及科研成果的获取大有帮助.良好的科研平台是项目顺利开展的必备条件,只有在良好的科研平台支撑下,科研项目的进行才具有可行性,科研项目成果的获取才有必要保障.另外,学生通过参与科研项目,提升了自身对科研的认知水平,懂得了如何用科学实验的方法去探索未知的科学问题.通过笔者对学生的指导,学生逐渐了解并掌握项目开展的流程与方式,并成功申请了国家级大学生创新创业项目.在项目完成后,整理实验数据并成功发表了科研论文.这些经历对于学生科研实验能力的锻炼具有极其重要的作用,并为以后可能的研究生学习生涯打下重要及坚实的基础.

2 结 语

让本科生参与到科研项目中,对其科研能力的培养具有无可比拟的作用.这种科研实践经历对大学本科人才培养具有重要意义.学生在参与科研项目的过程中,经历了从陌生到熟悉的科学研究过程,学习并锻炼了文献查阅、实验设计、实验操作、数据分析以及文章撰写等方面的技能,为其今后的科研之路奠定了坚实的基础.从本科生多年的项目参与实践经历可以看出,让学生积极参与教师的科研项目对当今高校本科生的科研能力培养有着十分重要的影响,在改善学生思考问题方式、创新意识形成等方面发挥着不可或缺的作用,是当代高校培养创新型人才的重要途径.