科研融入本科教学的研究

2023-09-16张海峰程彩萍王彬

高教学刊 2023年26期

张海峰　程彩萍　王彬

摘要：通过计算机在化学中的应用课程学习，同学们能系统地掌握中国知网、Web of Science等数据库文献检索，论文撰写，以及EndNote文献管理、ChemSketch和ChemOffice有机结构绘制、Origin实验数据处理等软件的基本操作，具备基本的科研素养。为使同学们更好地掌握本门课程，主要在教学内容和教学模式上进行优化。教学内容上将科研融入本科教学，运用所学到的知识引导学生解决实际的科研问题。教学模式上充分运用网络平台采取线上和线下相结合的模式，适当缩短教师讲授时间，增加学生上机练习时间，增加课堂翻转环节。这样可加深学生对相关内容的理解，拓展学生的视野，提高学生的科研创新能力。

关键词：计算机在化学中的应用；本科教学；科研；教学内容；教学模式

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2023）26-0094-04

Abstract： Through the course content of Application of Computer in Chemistry， undergraduate can master the literature search of CNKI and Web of Science databases， thesis writing， as well as the operation of software such as literature management by Endnote， organic structure drawing by ChemSketch and ChemOffice， experimental data graphing by Origin， etc.， and have basic scientific research literacy. In order to enable undergraduate mastering the course better， teaching content and teaching mode are optimized. In teaching content， scientific research is integrated into undergraduate teaching， and undergraduate are guided to solve problems by learned knowledge. In teaching mode， network platform is fully used， online and offline combination mode is adopted， teaching time is shorted， practice time is increased， and classroom turnover is introduced. In this way， undergraduate can deepen their understanding of relevant contents， expand their knowledge and improve their ability of research and innovation.

Keywords： Application of Computer in Chemistry; undergraduate teaching; scientific research; teaching content; teaching mode

在我國科研蓬勃发展的趋势下，提高本科生的科研水平和创新能力是高等教育面临的重要机遇和挑战。在本科教育中融入科研的相关知识，引导学生用科研的思维学习探究领悟新知识，激发学生的学习热忱，改变被动教学模式，这对高校优秀人才的培养很重要。计算机在化学中的应用是一门专业性很强的课程，是课堂教学和科研之间的桥梁[1-2]。本课程通过对文献检索与管理、化学编辑与排版、实验设计与数据处理、论文撰写与演示等知识的讲述，使学生们能系统地掌握中国知网、Web of Science等数据库文献检索，以及EndNote、ChemSketch、ChemOffice和Origin等软件的基本操作，具备检索中英文文献、绘制有机分子结构、实现数据的图形化处理、完成论文撰写及汇报的能力[3-5]。在本科教学中引入该课程，有助于培养适应时代要求的高素质人才，为进一步的科研训练打下良好基础。笔者近些年一直承担计算机在化学中的应用的教学工作，发现大多数同学很喜欢这门课程，但是将其熟练应用于科研稍显不足。结合笔者的教学经验，为了同学们能更好地掌握本门课程，需要在教学内容和教学模式上做进一步的优化。

一计算机在化学中的应用课程特点

计算机在化学中的应用是一门实践性很强的课程，所有内容均需在电脑甚至联网的情况下学习。针对上课环境的不同，目前该课程的教学方式主要有以下几种：①如果课程安排在机房，一般是教师先讲授一部分内容，随后安排学生上机练习；②如果课程安排在教室，又分为两种情况，一种是需要同学们带电脑上课，边讲边练习，一种是讲授完所有课程后，集中安排机房练习。文献数据库检索及软件学习对实践性要求很高，需要一边学习一边进行大量的练习。如果课程学习和软件操作时间间隔太久，会导致学生在操作软件时忘记之前所学内容。除此之外，EndNote、ChemSketch、ChemOffice和Origin软件都是英文界面，这增加了软件学习的困难度。针对上述问题，以计算机在化学中的应用课程大纲和培养方案为依据，以提高本科生的科研素养和解决问题的能力为目标，需对课程进行教学改革。本课程教学改革的核心内容分为两个部分：教学内容优化和教学模式优化。教学内容上将科研所涉及到的一些知识融入到课堂教学，学会用本课程所学知识解决科研中遇到的一些问题[6-8]。教学模式上重点突出该课程理论和实践紧密结合的特点，充分利用网络教学平台，优化考核方式[9-11]。

二教学内容优化

（一）文献检索

文献检索是科学决策的依据，是开始新课题的第一步，只有经过大量的文献检索和阅读才能对课题有所理解并提出自己的观点和实验设计方案。本科生没有经过系统的科研训练，不理解文献检索对科研的重要性，因此在讲授本章节时，可先讲述一篇期刊论文发表所要经历的过程，即查阅大量的文献、制定实验方案、开始实验、获取并处理实验数据、论文撰写、论文投递修稿及接收。这样有助于加深学生对文献检索的理解并激发他们的兴趣。随后全面介绍中英文数据库。中文数据库主要学习中国期刊全文数据库（中国知网，CNKI），再简单介绍万方和维普资讯数据库。英文数据库主要介绍科学引文（Science Citation Index， SCI）、工程索引EI（The Engineering Index， EI）、美国化学会（American Chemical Society， ACS）、英国皇家化学会（Royal Society Of Chemistry，RSC）、Elsevier Science及Wiley InterScience等数据库。本科生的英语水平和专业知识较为欠缺，因此在数据库讲解时应由简入难，即先讲中文数据库，再讲英文数据库。为了能更精确地检索目標文献，须引导学生综合设定限定条件，如篇名、摘要、关键词、第一作者、作者单位、文献来源和发表时间等。在讲解时可结合他们所学过的知识进行检索，如有机无机分子结构或同学们感兴趣的关键词等。此外还可以检索代课教师的论文、学校主流研究方向及国内外的一些研究热点。检索出文献后，为同学们展示如何分析这些文献，如按主题、学科、发表年度、文献类型、文献来源、作者和机构等。经过此分析，同学们就可以了解课题研究的热度是逐年上升还是下降，哪些科研机构或高校在做此类研究，哪些作者研究的较为系统全面，哪些期刊偏向于接受此类研究的论文等。讲完文献检索及分析后，再为同学们讲解文献的收录情况，如科学引文SCI收录（根据中科院分区，又细分为一区、二区、三区和四区）、社会科学引文SSCI收录、工程索引EI收录、中国科学引文数据库CSCD收录、中国社会科学引文CSSCI收录、北大核心收录、南大核心收录和科技核心收录等。最后为同学们讲解出版物检索，在此可了解期刊的主办单位、出版周期、影响因子和数据库收录等基本信息。每讲解完一部分内容后，安排学生上机练习。文献检索拓展了学生的知识面、加深了同学们对知识点的理解，可将枯燥的理论学习和实际应用联系在一起，有利于同学们自主学习能力的培养。

（二）文献管理

文献检索和文献管理紧密关联，在开始一项新课题时会涉及到大量的文献查阅，如何高效管理分析文献对课题的展开非常重要。同学们在没有接触文献管理软件之前，大多是将文献放在一个或多个文件夹中，这种方法的缺点是当文献数量较多时，较难快速精确地找到目标文献。除此之外，在撰写论文时涉及到文献的插入和文献格式的编排，如果是手动录入将会花费大量的时间且容易出错，而文献管理软件可快速插入文献和设定文献格式。EndNote是Thomson Reuters公司开发的集文献管理、分析和使用的软件，是目前最常用的一款文献管理软件。为了同学们能更好地掌握和应用EndNote软件，在安装好软件以后，需对软件的界面做一定的调整，如在群组列表中创建同级目录和子目录，并重新命名，调整文献列表的标签栏显示内容和位置，调整预览面板置于界面底部等。EndNote数据库文献录入主要有4种方式：手工录入、联网直接检索、网络数据库下载导入和PDF文件导入。在建立本地数据时，可先让同学们在中国知网和Web of Science上检索自己感兴趣或指定关键词的文献，随后下载导入文献建立本地数据库。本地数据库建立好后，接着为同学们展示如何分析文献，如按出版年、按收录期刊、按引用次数、按标题或按作者排序等。最后为同学们展示如何在本地数据库中查找目标文献，以及为目标文献加入PDF附件。EndNote在安装时会自动在word中添加插件，在撰写论文时可随时将EndNote中的文献插入到word中，并根据期刊要求选择完全相同或相近的参考文献格式。为了同学们能更好地掌握EndNote软件，在讲解此处内容时，可复制一段本校本专业的毕业论文，再为同学讲授如何在word中插入文献和编辑文献格式。

（三）有机化学结构的绘制

有机化学结构在化学化工专业同学们的日常学习中经常会涉及到，如有机化学和有机化学实验专业基础课的学习，有机化学文献的阅读以及毕业论文的撰写等。因此有机结构绘制是这类同学们必须要掌握的知识点。目前常用的绘制软件有ChemSketch和ChemOffice，其中ChemSketch更适合有机结构绘制的初学者，在绘制有机反应装置图方面有一定的特色，ChemOffice的功能非常强大，尤其是化学结构的3D视图对同学们理解二维有机结构的三维构型非常重要。笔者所选的李谦编写的《计算机在化学化工的应用》课本中只有ChemSketch软件，没有ChemOffice软件，因为在讲授该内容时，笔者先讲述了ChemSketch软件，随后又补充了ChemOffice软件。这两款软件界面都为纯英文，且界面上的功能键很多，同学们在刚开始接触时，会有一种本能的排斥感。为了调动学生的积极性和兴趣，在具体的授课过程中，先引导同学们思考课本中的有机结构和化学反应装置图是如何得来的，以及文献中的化学结构是如何编辑的，随后再讲授软件的界面和功能键。对于ChemSketch软件，主要学习结构模式和绘图模式。结构模式用于绘制各种化学结构和反应式，并对结构进行命名和性质预测等。绘图模式主要用于绘制反应装置图，以及为分子结构添加图形和注释等。对于ChemOffice软件，主要有3个模块，分别为ChemDraw（化学结构绘制和分析模块）、Chem3D（分子模型及仿真模块）和ChemFinder（化学信息搜索整合系统）。结合本科生所学知识及需求的特点，对于ChemOffice软件，笔者主要讲述了ChemDraw和Chem3D。在用ChemDraw绘制有机结构时，主要绘制了化学反应方程式、中间体结构、复杂环结构、Fischer葡萄糖结构、透视结构、Newman结构、立体结构、苯环轨道结构和二茂铁结构等。在讲解Chem3D时，将绘制好的二维结构复制到Chem3D软件中显示其三维构型，拖动鼠标为同学们充分展示结构的空间构型。随后为同学们展示如何计算原子键长、键角、标记原子等，最后尝试着让同学们用ChemOffice软件绘制学术海报。当两款软件都学会后，从同学们所学过的课本中选出部分具有代表性的结构进行练习，然后找一些本校教师发表的论文中的结构让同学们进行练习。

（四）实验数据图形化

实验数据的图形化是显示和分析实验数据的重要工具。熟练掌握计算机图表绘制和数据分析是每一个从事科学研究人员的必备技能。Origin软件因其功能强大、操作简单、兼容性好，成为化学从业者首选的数据分析软件。化学化工专业的本科生在做实验时会获得大量的数据，如果涉及到数据绘图，大多采用坐标纸手动绘制或Excel绘制。手动绘制适用于数据较少的图形，且绘制出来的图形精度较差。Excel适合简单图形的绘制，复杂图形的绘制就需要用到更为专业的数据处理软件，如Origin。Origin软件的学习难度较大，为了吸引同学们的注意力，可将笔者自己绘制好的数据图展示给同学们，如单层二维图形、多层二维图形、三维图形等，再有就是为同学们展示常用到的线性拟合数据图、柱状图和饼状图等。当同学们了解了Origin的作用后，再讲授软件的界面和常用的功能键。Origin界面上有两个主要的窗口，工作簿窗口主要用于数据录入，图形窗口用于显示和存储绘制的图形。Origin的数据录入主要有手工输入，剪贴板传送和数据文件导入。在绘制二维图形时，根据软件自带的数据，可绘制双Y轴、垂直两栏、水平两栏、双X双Y轴、曲线堆积和质谱等图形。初始图形绘制好后，需对图形做进一步的调整和修饰使其更加美观，如设置线的连接方式、线型、线宽和颜色，设置符号的样式、大小和颜色，调整横纵坐标轴显示范围及是否显示坐标轴等。每讲完一部分内容后，安排上机练习。在软件学习中，还可以让同学们用Origin处理之前获取的实验数据，如绘制物理化学实验中的步冷曲线，绘制仪器分析实验中的红外紫外图，绘制分光光度计实验中的工作曲线等，这样Origin软件学习就能和实际应用紧密联系起来，提高了同学们的成就感和满足感。为了进一步强化同学们对Origin软件的应用，还可从期刊论文中摘取一部分数据进行练习。在讲这部分内容时，要强调同学们须尊重原始数据，不得随意更改数据。

（五）科技论文写作

科技论文是作者对所从事的研究进行的集假说、数据和结论为一体的概括性论述。撰写科技论文是对研究工作的整理、总结和精炼，是科技工作者的必备技能。本科生在毕业时都要完成毕业论文的撰写，因此科技论文的相关知识和写作方法是非常实用的。科技论文撰写和本课程前面所学的文献检索、文献管理、有机结构绘制及数据的图形化处理是紧密关联的，有了前面知识的铺垫，才能开始论文的写作。在讲授本章内容时，可先下载几篇中英文期刊论文和硕博本科学位论文，结合实例讲解期刊论文和学位论文的主要构成部分和撰写方法。笔者授课时结合自己写论文时的一些感悟，可使学生对论文写作有更全方位的理解，如论文题目的拟定、摘要的提炼、引言部分的背景介绍和问题的提出、实验方法材料、讨论部分的数据分析和挖掘、结论部分的总结、参考文献的插入和编辑等。同时还要强调科技论文的科学性、创造性、逻辑性、有效性和学术性等特点，绝不可出现论文抄袭和数据造假等学术不端行为。

三教学模式优化

计算机在化学中的应用课程所涉及的内容和知识点很广泛，最明显的特点是需用电脑联网检索和软件实践操作。以往的教学模式是以教师讲解和操作演示为主，随后安排学生进行练习。这种教学方式的缺点是当例题讲得较多时，同学们上机操作时间就相对较少，这会导致学生不能及时掌握和巩固所学内容。笔者根据多年的教学经验认为需适当减少课堂教学时间，增加学生上机操作时间，其他未在课堂中讲解的例题可放在线上教学平台供学生参考学习。为了课堂教学和上机练习更具有连贯性，该课程要安排在机房或者要求学生携带笔记本电脑。教师在课堂中讲解一部分内容后，要求学生立马进行实践操作，这样有问题就可实时沟通。为了充分调动学生的积极性，可适当增加课堂反转环节，让同学们分组选出各自的代表上台操作软件并讲解给其他同学。身份互换有利于学生集中注意力，提高学生对课程的重视程度[12]。充分利用现行的网络资源和实时通讯工具，如在教学中运用学习通上传相关教学课件和视频，学生可随时在线或下载学习，建立QQ群或微信群，同学们可随时提出问题，老师和同学均可答疑，方便老师与学生，学生与学生之间的互动交流。

四课程考核

以培养创新性人才和提升学生的科研素质为教学目标，需要对教学效果进行综合评价。考核不单纯是知识考核，更要全面考核学生对所学软件的掌握情况及实际解决科研中遇到问题的能力。本门课程是理论和实践结合非常紧密的一门课程，采用常规的闭卷考试方式不能很好地反映出学生对知识的掌握程度。为此改革考核方式为总成绩=平时成绩（40%）+课程论文（60%）。平时成绩包含了考勤、作业和阶段性测验，可督促学生认真学习，课程论文可综合反映学生对知识的掌握程度。

五结束语

计算机在化学中的应用课程是本科教学和科研素质培养之间的桥梁，通过课程内容的学习，能够帮助同学们解决科研中遇到的诸多问题，如文献检索、文献管理、有机结构绘制、实验数据图形化处理、论文撰写以及科研成果的展示等。将科研融入本科教学，极大地激发了同学们的学习热忱，拓展了知识面，丰富了学习的方式方法，有利于高校优秀人才的培养。

参考文献：

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