大学化学, 2019, 34(10): 90-94 doi: 10.3866/PKU.DXHX201905077

教育专题

创新化学实验教学平台的建设及拔尖人才培养实践

李一峻,, 邱晓航, 韩杰, 何尚锦

Construction of Innovative Laboratory Teaching Platform and Practice on the Cultivation of Top Talents

LI Yijun,, QIU Xiaohang, HAN Jie, HE Shangjin

通讯作者: 李一峻,Email: yijunli@nankai.edu.cn

收稿日期: 2019-05-28   接受日期: 2019-07-5  

基金资助: 基础学科拔尖学生培养计划研究课题.  20181003
基础学科拔尖学生培养计划研究课题.  20180206
基础学科拔尖学生培养计划研究课题.  20180303
基础学科拔尖学生培养计划研究课题.  20170109

Received: 2019-05-28   Accepted: 2019-07-5  

Fund supported: 基础学科拔尖学生培养计划研究课题.  20181003
基础学科拔尖学生培养计划研究课题.  20180206
基础学科拔尖学生培养计划研究课题.  20180303
基础学科拔尖学生培养计划研究课题.  20170109

摘要

实验教学不仅有利于提高学生的学习兴趣,而且能培养学生严谨求实的科学态度,更能培养学生的动手能力和创新能力,是培养拔尖人才不可替代的重要环节。化学国家级实验教学示范中心(南开大学)通过建设创新实验教学平台,开展化学实验竞赛,建设高水平的实验教学团队等措施在培养拔尖学生创新意识和解决问题的能力等方面进行了有益的尝试。

关键词: 创新实验教学平台 ; 创新意识 ; 能力

Abstract

Laboratory teaching not only enhances the students' interest for learning but also cultivates the scientific attitude of preciseness and ability for operation and innovation. It is the indispensable part for cultivation of top talented students. National Demonstration Center for Experimental Chemistry Education (Nankai University) attempted to cultivate the innovation sense and the ability to solve problems by construction of innovative laboratory teaching platform, organization of chemistry experiment competition and construction of high-level laboratory teaching team.

Keywords: Innovative laboratory teaching platform ; Innovative sense ; Ability

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李一峻, 邱晓航, 韩杰, 何尚锦. 创新化学实验教学平台的建设及拔尖人才培养实践. 大学化学[J], 2019, 34(10): 90-94 doi:10.3866/PKU.DXHX201905077

LI Yijun. Construction of Innovative Laboratory Teaching Platform and Practice on the Cultivation of Top Talents. University Chemistry[J], 2019, 34(10): 90-94 doi:10.3866/PKU.DXHX201905077

实验教学不仅有利于提高学生的学习兴趣,而且能培养学生严谨求实的科学态度,更能培养学生的动手能力和创新能力,是培养拔尖人才不可替代的重要环节。早在2009年,南开大学2号文件《关于加强实验教学全面提高本科教学质量的若干意见》指出:“一流大学要有一流的本科教育为支撑,而一流的本科教育也必须有一流的实验教学做支撑”。但是,由于种种原因,实验教学在大学化学教学中并没有受到应有的重视,还存在着这样或那样的问题[1]。实验内容和形式也并不完全适应拔尖学生创新意识和创新能力培养的需要。为此,国内各高校做出了很多努力,从大到实验教学体系,小到某个具体的实验项目都进行了卓有成效的改革,取得了很好的效果[2-9]。化学国家级实验教学示范中心(南开大学) (以下简称“中心”)在“强化基础,注重综合,突出创新,培养能力,提高素质”实验教学方针指导下,积极开展实验教学改革,努力探索适应拔尖人才培养的实验教学体系,也取得了很好的成果[10-14]。目前,中心开设的各门实验课程中,综合化学实验为国家级示范精品课,基础化学实验为天津市精品课。2010年中心基础化学实验教学团队被评为国家级教学团队。

1 建设创新实验教学平台,深化实验教学内容改革

中心在多年实验教学改革与实践的基础上建设了“一体化、三层次、多形式”的化学实验教学体系,以培养创新型化学人才为出发点,立足于实验教学的系统性、基础性、综合性和创新性。从2010年开始,针对拔尖人才培养的需要,对实验教学计划和实验内容进行了深入改革。为学生搭建一个接触学科发展前沿的实验教学平台,燃起学生探究未知化学世界的激情。

1.1 将新技术、新方法引入实验教学中

例如,在有机化学实验中将微波反应仪、超声波合成仪、偏光显微镜等仪器引入实验教学中,将有机学科前沿进展引入教学内容,设计开发了一系列新实验;同时将绿色合成方法引入有机实验中,设计开发了固相研磨合成实验。这些新技术不仅可以减少污染、缩短反应时间、提高产率,还为探索不同反应条件对产物的影响创造了条件。此外,在以往有机化学实验中,由于条件所限,学生对合成的产品仅仅通过外观特征和熔点测定进行定性表征,缺乏定量分析的内容,既不利于培养学生发现问题和解决问题的能力,也不利于教师对学生的实验操作进行客观评判。为此,中心在有机化学实验中配备了桌面型核磁共振波谱仪,学生完成合成实验后可对产品进行核磁共振氢谱表征,并对产品进行结构鉴定和纯度分析。在实验过程中,还可以对反应物随时取样测定其核磁谱图,动态追踪反应进程,为探索反应条件对反应的影响提供了可能,大大丰富了有机化学实验内容。新技术、新方法的引入实现了“合成、结构表征、分析讨论”整个过程,使每次实验成为一次完整的科研训练。教师也可对学生实验操作进行更为合理的评估。近年来,有机化学实验教学改革研究获得了教育部基础学科拔尖学生培养试验计划研究课题立项资助,取得了显著教学成果,增强了学生的实验操作和创新思维能力,提高了有机化学实验教学质量。开发的一个新实验项目“苯甲酸乙酯制备的‘讲一练二考三’教学模式”还成功入选教育部高等学校实验教学指导委员会编辑出版的《高等学校实验教学典型案例汇编》[15]

1.2 改进实验内容,提高学生做实验的兴趣

随着化学学科的不断发展,大量新技术新方法的出现使得一些沿续多年的化学实验内容显得陈旧过时,很难再引起学生们的兴趣。例如滴定分析实验中总会有学生问到:滴定分析实验还有用吗?抱着这样怀疑的态度,学生做实验的积极性不高,上课效率也难以提高。虽然滴定分析在以后的工作中可能很难再用到,但作为旨在培养学生树立严谨的“量”的概念和基本操作技能的一项实验内容,滴定分析实验还是有存在的必要性。为提高学生做实验的兴趣,只能从实验内容上想办法。传统的分析化学实验是由教师发放样品,学生测定某个成分的含量。在实验过程中,学生始终处于被动地位,只是机械地完成必要的实验步骤,很少会有学生认真思考从这个实验项目能学到什么知识,究竟能解决什么实际问题。为此,中心改变了教师发样的传统做法,改由学生自行选择待测样品进行分析,并根据不同的样品修订实验步骤或实验方案。鼓励学生从日常生活中选取样品进行分析,如宿舍、教学楼等处饮水机中水样硬度测定、食用醋中总酸度测定、钙片中含钙量测定、河水中化学需氧量(COD)测定、鸡蛋壳中钙含量测定、生理盐水中氯含量测定等。实验完成后,学生根据不同地点、不同批次样品的测定结果展开分析与讨论,极大地激发了学生做实验的兴趣,调动了学习的积极性,实验课学习效率显著提高。此项实验方法改革的研究也获得了教育部基础学科拔尖学生培养试验计划研究课题立项资助。

1.3 紧跟国际学科研究前沿,开设石墨烯相关系列实验

石墨烯是当今材料科学领域一颗璀璨的明星,经常出现在电视、网络等各种媒体上,学生也对此抱有极大的兴趣。如果将石墨烯的相关实验引入本科实验教学中,可以让学生亲身感受到明星材料带来的神奇功能,引导他们进入科学研究的前沿领域。为此中心在综合化学实验中开设了一个新的关于石墨烯的实验项目。实验中首先要求学生阅读石墨烯在超导、超级电容、锂-硫电池、导电功能材料、光催化剂、传感器等领域中应用的高水平学术论文,并以组会的形式进行深入讨论。然后由学生亲手制备、表征、改性、应用这种神奇材料。在实验项目中设置了五个挑战项目:(1)高浓度(≥10 mg∙mL−1)、单层、稳定的氧化石墨烯的水分散液的制备;(2)利用家用微波炉实现气体保护下氧化石墨烯的高温(≤1000 ℃)还原反应;(3)将烘箱干燥的氧化石墨烯完美地重新分散于水中;(4)石墨烯类碳材料的全反射(ATR)红外表征方法;(5)大面积石墨烯纸(80 mm × 60 mm)制备方法。这些项目没有标准答案,也没有直接的参考文献。这些挑战项目的设置促使学生通过发散思维,以及对已有知识(不局限于化学知识)的融会贯通来应对挑战。每位学生都有机会提出自己的解决方案,并付诸实践。实验项目完成后学生会进行总结与讨论。此项实验开设以来,吸引了许多学生的关注,他们查阅文献、设计实验方案、总结结果得失,体现出极大的兴趣。有的学生甚至为此选定了纳米材料作为未来的研究方向。

1.4 拓展学科交叉内容,开设化学生物学实验项目

近年来化学与生物学科之间的相互融合、相互促进,取得了许多重大突破,诺贝尔化学奖已多次颁发给了在化学生物学领域内做出突出贡献的科学家。以化学方法解决生物学领域的问题已愈发显示出其重要性。为使学生了解化学生物学的方法和发展前景,中心在综合实验中开设了化学生物学实验课程。经过多年的建设与经验摸索,化学生物学实验课程已经成为化学类专业学生掌握生物基础知识的重要课程之一。目前课程设置主要分为三个模块:一是基础模块,重点完善基础技能型实验的设计,训练学生的操作技能;二是综合模块,增加了综合型实验的比例,使学生充分掌握化学生物学实验中各种技术的综合应用;三是拓展模块,进一步强化和引入设计型实验,将科研成果适时转化到教学实验之中。例如小分子调控DNA复制、基因突变的整体步骤、小分子调控酶功能等实验项目。三个模块的内容均有所穿插交融,实验内容涵盖了化学分子与生物活性物质(蛋白质/酶、核酸)的识别、相互作用及调控等,可以使学生充分理解化学生物学实验的设计原则和操作技巧。实验自开设以来就受到学生的极大关注,选课人数居高不下,受场地、经费等条件所限,每年不得不强制限制选课人数。通过这个实验项目的开设,学生不但了解了化学生物学的基础知识、基本操作技能,还对此交叉学科的发展也产生了极大的兴趣。

2 定期开展化学实验竞赛,培养学生的学习兴趣和动手能力

坚持开展化学实验竞赛是中心多年的传统。中心定期举办大学生化学实验竞赛,极大地提高了学生对化学实验的兴趣。根据培养拔尖人才的需要,我们对竞赛的形式进行了改革,改变了以往只进行实验操作的比赛形式,更加注重分析问题、解决问题的能力考查。2014年、2016–2019年中心陆续举办了南开大学化学实验技能大赛,每届均有来自化学学院和物理学院、生命科学学院、环境科学与工程学院、医学院、药学院等100余名本科生参加比赛。比赛形式分为初赛(笔试)、复赛(实验操作)、决赛(分组进行,统一答辨)三个阶段,历时一个月。决赛为命题实验,如“晶体之美”,学生自主设计实验内容,合成各式各样的晶体,组成不同的创意图案以展示化学之美。决赛以答辩形式进行,着重考查学生的团队协作能力、科研创新能力、自主学习能力及实验安全意识。通过实验技能大赛,加深学生对实验室安全知识的了解,激发学生参与科研工作的兴趣,提高动手能力和科研创新能力,培养了学生严谨的学习态度、科学的研究方法和团队协作意识。

3 建设一支高水平的实验教学团队

要提高实验教学水平和人才培养质量,教师是第一要素。没有高水平、高素质的教师队伍,就培养不出高水平、高素质的人才。在实验课上,实验教师不仅承担着指导实验、回答问题的授课任务,还肩负着培养学生的创新意识和参与实验教学改革的重任。因此,加强实验教师队伍建设,提高实验教师队伍的水平和业务素质是高等学校实验教学改革发展中的永恒课题。

3.1 解决实验教师数量严重不足的问题

由于高校长期普遍存在的重科研、轻教学,重理论课教学、轻实验课教学的错误观念,导致部分教师不愿承担实验教学任务。中心每年25万人时数的工作量需要大量的教师承担实验教学任务,也曾经面临实验教师数量严重不足的窘境,影响了本科实验教学质量的提高。为从根本上解决实验教师数量不足的问题,中心采取了一系列措施,包括:(1)实行教学最低工作量制度,“强迫”教师承担实验教学任务;(2)大幅度提高实验教学工作量评分标准,鼓励教师参与实验教学。这些措施极大地提高了教师从事实验教学的积极性,许多教师主动要求参与实验教学工作,实验教师数量不足的问题已不再是制约本科实验教学质量提高的瓶颈。

3.2 提高实验教师队伍的整体水平

南开大学化学实验系列课程教学团队2010年被批准为国家级教学团队。从团队成立的第一天起,中心就把提高实验教师水平放在团队建设的首位,具体做法包括:(1)注重理论课教学和实验课教学相互融合,鼓励实验课教师开设理论课;(2)注重科学研究与实验教学相结合,鼓励实验课教师承担省部级以上科研项目,将科研成果转化为实验项目,促进实验教学内容改革;(3)对中青年实验教师进行业务培训和技能考核。这些做法对提高实验教师队伍的整体业务水平起到了至关重要的作用。

3.3 建立高效的运行机制和管理体制

为保证实验教学顺利进行,中心建立了如下制度:(1)加强领导。在校教学指导委员会、院教学指导委员会和实验教学指导委员会的领导下开展工作;(2)加强监督。实验教学督导组深入实验室观摩实验,进入实验室听课,召开座谈会听取教师和学生的意见,及时反馈意见,加强监督工作;(3)加强管理。院主管教学副院长、各实验室主任组成工作组,定期研究、检查、讨论、总结实验教学情况。(4)政策和经费支持。学院在制定职称晋升、仪器购置等有关政策时,尽可能向实验教学倾斜,给予优先考虑。

目前,化学实验中心实验教师数量充足、专业水平高、而且热爱实验教学、教学水平一流、教学成果突出,已经成为提高本科教学质量、培养拔尖化学人才的重要保障。

4 取得的成果

2010–2018年,中心发表实验教学研究论文49篇,获校级以上教学成果奖26项。2006年中心被评为天津市模范集体,2010年化学实验系列课程教学团队被评为国家级教学团队,2017年中心被评为天津市“三八”红旗集体。

实验教学质量的提高不仅体现在学生的动手能力得到了提升,在创新能力的培养方面也取得了显著效果。从2010年至今,化学院学生每年获国家大学生创新实验计划、天津市大学生创新项目和南开大学“百项工程”资助近百项,参加学生人数达200余人。仅2013–2018年本科生署名发表学术论文近400篇,其中本科生为第一作者论文50余篇。2014年化学学院“功能分子材料”团队入选团中央首批100支小平科技创新团队。2015年徐子晨等同学获第十四届“挑战杯”三等奖;2017年黄庐山等同学和王晨彪等同学分别获得第十五届挑战杯二等奖和三等奖;张卓晨同学与来自生命科学学院的学生一起组队代表南开大学参加了2017年11月8日至13日于美国波士顿举办的国际遗传机器设计大赛(iGEM),并获得金奖。

从2015年开始,每年有约50名本科生到世界一流大学从事科研训练,本科生的科研能力在出国交流过程中得到了国外导师的高度评价,有导师主动提出给学生生活补助和邀请学生留在课题组攻读博士学位,提高了南开大学化学学科的国际声誉。2017年,美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)化学学院的官方网站刊登了14级伯苓班学生常雪莹参加Laboratory Research Experience Program的体会(https://chemistry.berkeley.edu/gold/lre)。作为项目的一部分,14级伯苓班王焜昱和常雪莹同学在海报展示中分别被评选为第一名和第三名。2018年,15级伯苓班汤天化同学参加了同样的项目,并在海报展示评比中再次获得第一名。

5 结语

依托化学国家级实验教学示范中心和南开大学化学学院的学科优势,建立创新实验教学平台,注重新技术、新方法、新内容在实验教学中的应用,利用举办化学实验竞赛的形式提高学生实验兴趣,同时建设一支高水平的实验教学队伍和教学质量监督机制,为实验教学水平的不断提高提供了保障。

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