面向德才兼备拔尖创新人才培养的分析化学(2)教学思考与实践

赵子龙，黄晋，刘艳岚，宦双燕，王玉枝

湖南大学化学化工学院，长沙 410082

分析化学是探索与认识分子世界与化学现象的主要工具之一，是研究获取物质的组成(定性与定量)、结构等信息的方法与技术及其相关理论的科学[1]。随着科学技术的迅速发展以及学科深度交叉融合，各种新理论、新原理、新方法和新仪器不断涌现，使分析化学进入了一个新阶段[2]，不但为各领域和各行业提供研究方法和工具，也为技术标准和行业规则建立提供依据[3]，在促进科学进步、国家安全、经济繁荣和社会稳定方面发挥着重要作用。探索如何培养德才兼备的拔尖创新人才是当前分析化学(2)教学实践的一项重要任务。

1 存在问题

湖南大学分析化学是一门为化学及相关专业开设的专业基础课，由分析化学(1)、分析化学(2)、波谱分析和相应实验课组成[4,5]。其中，分析化学(2)主要讲授光分析法、电分析法、色谱分离分析法的基本原理、方法及应用，是分析化学的重要组成部分。为培养德才兼备的拔尖创新人才，湖南大学分析化学(2)不断探索，已取得一定成效，仍有短板需要完善。存在的主要问题体现在以下三个方面：

(1) 课程基本理论、分析方法和仪器多为西方国家提出和发展，中国元素显示度不足。仅依托教材内容开展教学，不容易体现我国科学家的贡献和当代中国分析化学的发展现状，难以在知识传授的同时实现价值引领。

(2) 教材中仪器装置和部件仅依靠图片展示和文字描述，过于简单和抽象。此外，实验实践与理论教学在时间安排上难以同步，导致知识内容抽象枯燥，易挫伤学生学习的积极性与主动性，不利于培养学生分析问题和解决问题的能力。

(3) 教学内容强调基本理论，更新较慢，无法展示学科发展趋势和最新进展。仅依托教材内容授课，不利于学生学科视野和创新思维的培养。

2 采取的措施和方法

为了强化分析化学(2)的育人功能，我们深度挖掘和梳理课程所蕴含的思政元素、实际应用案例和学科前沿进展，并通过显性与隐性渗透的方式，将其与知识点融合，引导学生透过现象发现本质、认清本质后找到解决问题的方法，以期在知识传授的同时实现对学生的价值引领和能力培养。

2.1 知识传授融入思政案例，提升课程立德树人功能

在导论中引入社会焦点——核酸检测，加强学生对新冠病毒和防疫政策的理解；引入“蛟龙号”载人潜水器、青蒿素的发现史和中国探月工程等中国重大科学和技术进展，讲解其中的分析化学元素，增强学生对分析化学的理解。我们根据各章节教学内容，积极融入思政案例，实现价值引领(表1)，以激发学生的学习兴趣、家国情怀和使命担当，引导学生树立正确的世界观和价值观。

表1 分析化学(2)思政案例

2.2 知识传授融入实际案例，提升理论联系实际能力

针对分析化学(2)理论教学和实验实践难以同步而造成理论知识与实践结合不够紧密的难题，我们不断改进教学方式和丰富教学内容，根据教学知识点引入社会热点案例，增强学生对仪器的掌握和理解，培养学生根据检测对象灵活运用知识设计实验的能力，提升学生理论联系实际的能力。

2.2.1 授课方式多样化，增强学生对分析仪器和分析方法的掌握

通过多方式、多层次、多场所的教学方式，不断丰富教学内容，激发学生兴趣。充分利用线上学习资源，将课本中简单、抽象的仪器生动地展示给学生(图1a)[6,7]。同时，将实验室的紫外分光光度计、原子吸收光谱仪、荧光光谱仪、HPLC等仪器向本科生开放(图1b)，为学生提供课后实践场所，进一步加深学生对仪器的认知和理解，增强学生对分析仪器和分析方法的掌握。

图1 (a) 线上学习资源的利用；(b) 实验室仪器向本科生开放

2.2.2 授课内容紧密联系实际，培养学生运用理论知识解决实际问题的能力

在教学过程中注重理论和实践的联系，结合社会热点、科技进展和环境安全类事件等，引导学生思考，培养学生运用理论知识解决实际问题的能力。例如，2020年12月17日，嫦娥5号返回器成功降落，带回了1731 g珍贵的月球土壤。月球土壤分析不但为探讨月球起源与演化历史提供了重要参考，还为未来月球矿产资源开发利用提供了依据。在分析化学(2)最后一章分析过程的教学实践中，我们引入月球土壤分析实例，让学生设计分析月球土壤的方案。学生通过查阅文献资料，归纳出无损→少损→有损的分析过程，使有限的样品尽可能给出最大的科学产出；并发挥集体智慧总结了月球土壤分析的检测内容和分析方法(表2)。我们还结合其他教学内容，引入不同实际案例，以问题为导向，培养学生运用理论知识，解决实际问题的能力(表3)。

表2 月球土壤分析案例

表3 实际案例与分析化学(2)相关知识点

2.3 经典教学内容与学科前沿相结合，提升学生创新能力

分析化学(2)是分析化学长期科学研究和高水平应用成果的结晶，蕴含着丰富的科学思维和创新思维，与此同时，分析化学(2)的发展具有鲜明的时代特征，各种先进的分析原理、方法和仪器不断涌现。在分析化学(2)教学中，我们在注重挖掘经典内容中的创新思维的同时，积极融入最新科学进展，培养学生科学创新能力。

2.3.1 深挖经典内容，培养学生科学创新能力

在荧光分光光度法教学中，首先向学生介绍斯托克斯爵士发现斯托克斯位移的实验装置，然后向学生介绍荧光光谱仪的基本部件和光路，通过分析两者的相似之处，引导学生积极思考经典教学内容中蕴含的科学创新思维，了解经典教学内容对科学技术发展的推动作用。同时，成立了研究兴趣小组，指导学生利用荧光光谱仪和共聚焦激光扫描荧光显微镜进行课外科学研究。例如，胶体金作为一种广谱的荧光猝灭剂广泛用于球形核酸荧光探针的构建，并成功用于细胞中各种生物分子的分析。基于此，我们向研究兴趣小组提出问题：能否发展不含胶体金的球形核酸荧光探针，用于细胞内生物物质的检测，组织学生展开广泛讨论。小组成员通过深入了解经典教学内容中激发态分子的去激发过程，通过查阅文献和与课题组研究生交流，利用核酸组装策略和荧光共振能量转移原理，发展了一种简单、智能、无胶体金的球形核酸探针用于细胞内三磷酸腺苷(ATP)的检测[8]。同时，我们积极引导研究兴趣小组根据经典教学内容进行文献调研和实验设计，通过新冠病毒检测与中和等课题的研究实践，培养了本科生的科学创新能力[9-12]。

2.3.2 紧密联系学科前沿，培养学生科学创新思维

在荧光光谱分析法中融入2008年诺贝尔化学奖——绿色荧光蛋白质的发现、表达和发展，和2022年诺贝尔化学奖——点击化学与生物正交化学知识点，向学生介绍了绿色荧光蛋白技术和生物正交化学两种方法的基本原理及其在生命科学研究中的应用。前者是基于基因重组技术将荧光蛋白与目标蛋白相连，为目标蛋白的定位、迁移、构象变化以及分子间的相互作用提供可观察的标签；后者是通过在生物环境中发生的一组对生物分子影响微小或对生化过程干扰微小的化学反应，从而在目标蛋白上精准修饰小分子标签。在讲解的基础上，通过分析案例与学生讨论荧光蛋白技术和生物正交化学技术在细胞分析中有哪些不同点，通过学习，学生归纳出两者主要的不同点包括：(1) 基本原理不同。前者是基因重组技术，后者是化学方法。(2) 标签大小不一样。荧光蛋白分子量大，影响目标蛋白结构和功能，从而影响分析结果。生物正交化学工具分子量小，对分析对象干扰小。(3) 应用范围不一样。与荧光蛋白技术相比，生物正交化学反应种类多，应用范围广泛，如疾病精准治疗等。我们进一步留出课后作业：荧光蛋白技术在2008年获得诺贝尔化学奖后，为什么生物正交化学反应在2022年还能获得诺贝尔化学奖？它解决了哪些荧光蛋白标记技术不能解决的问题？引导学生思考，培养学生创新思维。其他知识点与科学前沿进展结合的案例见表4。为了阐明案例与经典教学内容的结合，我们以图谱的形式展示了案例和经典内容之间的关联(图2)。

表4 科学前沿进展案例与分析化学(2)相关知识点

图2 教学实践案例与知识点关联图谱

3 综合教学案例与思考

青蒿素是抗疟疾的特效药，具有速效、低毒等优点。但因溶解度小而难以制成注射剂液，口服生物利用度低和复发率高等不足限制了青蒿素的应用。为了解决上述问题，中国科学家们相继发展了双氢青蒿素及其醚类、羧酸酯类和碳酸酯类衍生物。双氢青蒿素是蒿甲醚在体内主要活性代谢产物。探讨青蒿素、双氢青蒿素和蒿甲醚的保留时间，有助于研究蒿甲醚在体内的代谢。因此，在反相高效液相色谱法教学实践中，我们以青蒿素、双氢青蒿素和蒿甲醚为例，引导学生分析三种物质在结构上的不同(图3)，讨论官能团的变化对物质极性的影响，并得出结论：极性从大到小依次为双氢青蒿素、青蒿素和蒿甲醚。因此，在反相高效液相色谱中，保留时间从小到大依次为双氢青蒿素、青蒿素和蒿甲醚。当减少乙腈-水流动相中乙腈含量时，流动相非极性减少，导致组分在流动相中分配系数变小，从而增加了组分在反相高效液相色谱中的保留时间。通过上述案例，学生总结了影响反相高效液相色谱分离因素主要有以下两点：(1) 组分与固定相之间的相互作用越强，组分保留时间越长；(2) 流动相极性越强，组分在反相高效液相色谱中保留时间越长。另外，双氢青蒿素向蒿甲醚的转化涉及了化学衍生技术知识点。因此，在此教学案例中，我们将青蒿素这一思政元素与反相高效液相色谱分离影响因素、化学衍生技术等知识点有机融合，引导学生逐步得出结论，并与文献[13]对比，加强了学生对相关知识点的掌握和灵活应用。

图3 青蒿素、双氢青蒿素和蒿甲醚的化学结构式

4 结语

通过不断丰富教学内容和改进教学方法，精选思政案例、社会热点案例和学科前沿进展案例，探索和设计案例与相关教学内容有机融合的方式，运用现代化信息技术手段，丰富教学内容和改善教学方法，注重知识传授和价值引领相统一、理论知识与实际问题相统一，经典教学内容和科学研究新进展相统一，激发学生的学习兴趣和积极性，培养学生的科学创新思维和科学创新能力，推进分析化学(2)课程科学育人和思政育人的双重育人功能，在培养德才兼备拔尖创新人才方面取得了积极成效。