大学化学, 2021, 36(9): 2106020-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202106020

教学研究与改革

以"量"为核心,多元科教融合培养创新型分析化学人才的实践

张卓旻,, 余忠宁, 陈颖诗, 代寒冰, 李攻科,

Practice of Cultivating Innovative Analytical Chemistry Talents through the Integration of Multiple Science and Education with "Quantity" as the Core

Zhang Zhuomin,, Yu Zhongning, Chen Yingshi, Dai Hanbing, Li Gongke,

通讯作者: 张卓旻, Email: zzm@mail.sysu.edu.cn李攻科, Email: cesgkl@mail.sysu.edu.cn

收稿日期: 2021-06-8   接受日期: 2021-07-5  

基金资助: 国家自然科学基金.  22074161
国家自然科学基金.  21976213
广东省基础与应用基础研究基金.  2019A1515010107
广州市科技计划项目.  202102080167
国家重点研发计划项目课题.  2019YFC1606101
广东省食品安全重点领域研发计划项目.  2019B020211001

Received: 2021-06-8   Accepted: 2021-07-5  

Abstract

Analytical chemistry is an important basic chemistry course with quantity as the core. In the process of undergraduate talent cultivation of analytical chemistry in Sun Yat-sen University, the "quantity" is taken as the core to carry out the practice of "science and education integration" through multiple scientific research training and curriculum teaching. It enables students to gain a panoramic view of analytical chemistry and cultivate their innovation and creativity.

Keywords: Quantity ; The integration of science and education ; Analytical chemistry ; Talents cultivating

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张卓旻, 余忠宁, 陈颖诗, 代寒冰, 李攻科. 以"量"为核心,多元科教融合培养创新型分析化学人才的实践. 大学化学[J], 2021, 36(9): 2106020-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202106020

Zhang Zhuomin. Practice of Cultivating Innovative Analytical Chemistry Talents through the Integration of Multiple Science and Education with "Quantity" as the Core. University Chemistry[J], 2021, 36(9): 2106020-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202106020

分析化学是以量为核心的科学,是重要的化学专业基础课程,也是专业化学人才培养不可或缺的内容。目前,在建设创新型国家的新征程上,需要解决许多重大国计民生领域"卡脖子"的关键核心技术问题,分析化学发挥着重要的作用。分析化学在本科化学专业教育中一般依托化学分析和仪器分析两个课程模块(含实验)进行人才培养,如果从"量"的维度上看,其教学内容是逐渐从"常量"分析向"痕量""超痕量"分析过渡[1]。从常量分析向痕量分析的知识学习过程,是从分析化学经典知识向更广阔前沿领域深入学习的过程,若仅依托有限学时的课程教学,学生往往无法对现代分析化学的方法、技术、策略及前沿有全面的了解和深入的认识。目前,国内许多高校化学学科都积极将相对成熟的科研实验与本科教学相结合[2, 3],开拓科教融合的本科人才培养新模式[4]

中山大学化学学院是首批拥有国家理科基础科学研究与教学人才培养基地和国家实验教学示范中心的单位,在人才培养工作上,一直以来认真落实国家"立德树人"的教育方针,努力践行学校"德才兼备、领袖气质、家国情怀"的"十二字"人才培养目标及"兴趣驱动、自主实践"的原则。尤其近年来,分析化学学科根据学科特点,针对不同层次的本科生,以"量"为核心,注重开展科研训练与课程教学相融合的多元"科教融合"人才实践,使学生收获全景化的分析化学视野,扎实培养学生的创新创造能力。现将初步获得的一些经验撰写成文与读者分享。

1 多元科教融合人才培养方法简介

科教融合人才培养模式首先依托分析化学学科完整的课程体系进行基础知识及实验技能的传授。中山大学化学学院分析化学课程体系贯穿于本科教学的全过程,包括大一的化学分析及实验,大二的仪器分析及实验,大三的现代分离与分析,大四的综合化学实验及本科毕业论文,期间还穿插化学进展、科研技能训练及化学前沿等科教融合课程。学生通过完整修读完分析化学相关主干课程,将清晰地建立以"量"为核心的学科概念,并系统掌握从常量分析到痕量分析的分析化学基础知识及相关实验技能,为进行各阶段的科研训练打下坚实基础;通过科教融合课程的学习,学生将获取分析化学的前沿知识,进一步激发学生的科学探索热情和创新意识。

除了完备的课程体系,中山大学化学学院分析化学学科形成了形式多样、覆盖本科培养全过程的课外多元科研训练体系,与本科各阶段的课程教学充分融合,为培养学生的创新创造能力提供强大助力。首先,中山大学化学学院面向全体本科生实行全程导师制,学生在进入本科学习阶段之初就由匹配的专任导师引导本科生明确学业发展目标,做好学业发展规划。大一所有本科生均配备导师,由导师对本科生大学四年的学业及人生规划进行指导,使学生能顺利地由高中学习阶段向大学学习阶段过渡。在课程学习上,指导学生专业课程的学习方法,引导学生了解专业前沿知识,促进学生将所学专业知识与社会需求结合进行创新融合,培养学生的创新实践能力。在科研能力培养上,导师结合自身研究方向,指导学生进入实验室开展科学研究,并对学生参加各类科研项目或学术竞赛给予专业指导。分析化学全程导师通过引导学生分析化学相关课程学习,结合小组讨论等形式,将所学知识与食品安全分析、疾病诊断分析、环境分析等社会实际需求关联,为学生打下初步的"量"的概念。

从大二开始,中山大学化学学院设立了各类本科生科研训练项目,如大学生创新创业训练计划项目、实验室开放基金项目等,依托项目和导师组,进一步规范培养学生的科研思维、创新意识、实验技能等,提升学生的创新实践能力,促进学生对所学理论知识的拓展与应用。分析学科老师在这一阶段引导学生将所学的化学分析及仪器分析课程知识与分析科学前沿或社会需求相结合,进行科研训练项目申报。近年来,分析学科学生申报的本科生科研训练项目涵盖了食品、药品、生物、环境等复杂样品的分析方法研究及应用,如"ZnO@Au@Ag阵列表面增强拉曼基底的构建及其在食品安全分析中的应用研究""手性多孔材料在手性药物分离分析中的应用""基于三螺旋修饰DNA探针的microRNA灵敏检测方法研究""基于智能手机和微流控芯片的快速检测装置的研制及应用"等。学生在这一阶段对"量"的认识将逐步从化学分析的常量维度向仪器分析的微/痕量维度过渡。在项目申报过程中,学生凝练科学问题和研究方案时需充分考虑各种方法对于解决实际分析检测问题的有效性和可行性,有效加强了学生对各种维度"量"的概念的理解。在项目实施过程中,学生会碰到各种各样"量"的问题,比如条件优化过程的浓度水平是否合适,加标回收浓度水平如何设定等。通过与导师组讨论,学生在解决实验具体问题的同时,进一步深化了对分析化学"量"的核心概念的理解。

在科研训练项目结束后,学生如果对导师组研究方向感兴趣,还可以通过申请"提前进入实验室"项目,继续在导师组指导下深入开展科学研究。比如,有的学生经过科研训练项目的研究,对食品或日化品安全快检技术产生浓厚的兴趣,并且具备一定的科研背景知识及实验基础。为此,导师组引导学生对相关快检技术研究进展进行文献资料调研,经过调研及讨论,学生逐步了解到发展适于快检技术的微型化分离富集技术,对于提高快检技术实际应用过程的灵敏度、准确度具有重要意义。随后,学生基于导师组科研项目的背景框架及导师的指导,选择一个具体、力所能及的体系开展后续的定量快检技术研究[5, 6]。"提前进入实验室"项目是科研训练项目的延伸,在科研训练项目阶段,侧重专业知识的夯实及实验技能的训练;而在"提前进入实验室"项目阶段,学生因为已具备相应的专业知识及科研实验技能,一般会在导师组指导下参与导师组相关科研项目如国家基金、省部级项目的前沿研究,进一步提升科研能力。

通过大一到大三全体系的科研训练,学生已具备一定的科研能力,进入大四后,学生就会通过选题进入相关方向的导师团队开展本科毕业论文研究。本科毕业论文既是本科阶段的最后一门必修课,也是几年科研训练结果的集中展示。在这一阶段,学生会在导师的指导下,独立经历文献资料调研–选题–讨论形成研究方案–实验研究–论文撰写–答辩的完整科研过程,将本科阶段所学的专业知识及所获得的科研能力进行实际应用。在此过程中,导师组将引导学生独立开展综述文献资料调研,发现科学问题,了解同类研究工作的国内外研究现状,明确研究意义与目的,从而确定选题。随后,讨论形成具体研究方案,并引导学生安全科学规范地开展实验研究,在研究过程中定时与导师交流进展,调整方案并尝试独立解决实验难题,从而引导学生在独立开展实验的同时,及时总结研究进展,并完成论文撰写与答辩,给本科学业画下完美的句号。

除了科研训练项目及相关课程,在本科四年的学习过程中,学院也通过举办化学实验技能大赛、化学节活动及各类学术讲座,为学生提供更多提升科研兴趣及能力的机会。化学实验技能大赛作为平时实验教学的延伸,是化学类本科生教育教学的实践环节之一。多年来,分析化学学科通过化学实验技能大赛,将"量"的核心概念融入竞赛环节,加深学生对课堂所学理论知识的理解并能在实验中加以正确应用,有效提升学生的实验动手能力,开发学生的科研潜质。如"四种金属离子混合液的定性和定量分析"实验要求学生根据所学知识在限定时间内确证混合液中Fe3+、Cu2+、Ni2+、Pb2+的存在,并采用络合滴定分析测定各组分含量。此外,学院还组织了化学节的相关活动,主要包括科研楼开放日、文献阅读大赛、本科生科研交流会等,为学生切实感受学院的科研、学风环境提供了机会,为培养和提高学生创新意识和创新能力,激发学生研究兴趣提供了良好的平台。

根据不同本科学业阶段专业知识的教学进程及本科生专业能力发展要求,开展因材施教的多元"科教融合"人才培养,可以有效帮助学生从分析化学基础课程学习掌握"量"的核心概念,并通过系列科研训练进一步深化并应用"量"的核心概念,提升创新精神和实践能力,为分析化学创新型人才培养打下坚实的基础。以"量"为核心,多元科教融合培养创新型分析化学人才的实践方法,如图 1所示。

图1

图1   以"量"为核心,多元科教融合人才培养模式示意图


2 人才培养模式的实践经验总结

中山大学分析化学学科以"量"为核心,开展多元"科教融合"创新型人才模式已有超过20年的实践过程。选取8位本科阶段参与过分析学科多元"科教融合"创新型人才培养的毕业生或继续深造学生进行回访,调查统计归纳于表 1中,具体调查结果如下。

表1   分析化学多元科教融合历届参与学生回访调查结果统计

案例毕业年份毕业去向参与的分析化学科教融合项目主要收获
12007高校/教师大学生创新创业训练项目/本科毕业论文"量"的概念蕴含"方法论"原理,为卫生检验检疫及司法鉴定工作提供支撑
22007高校/教师本科毕业论文分析化学是科学技术的"眼睛",交叉学科研究往往需要借助分析化学的思路、技术和手段
32011企事业单位/情报分析化学实验技能大赛/本科毕业论文培养从准确获取数据出发,通过严谨的大数据分析,提取关键信息的工作思路及方法
42014企事业单位/疾控检测本科毕业论文"量"的概念有助于疾控检测工作的深度学习与研究
52018深造/分析化学硕博连读实验室开放基金项目/本科毕业论文为前沿研究的开展奠定良好的专业基础
62018企事业单位/油品质控实验室开放基金项目/本科毕业论文塑造严谨细致的工作风格,助力严把"质量关"
72019深造/分析化学硕士在读实验室开放基金项目/本科毕业论文为继续深造带来科研方法学的有力支撑
82021深造/商科硕士计划本科毕业论文提高分析解决问题的能力,提供创新研究思路

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案例1:2007届本科毕业生,2013届分析化学博士毕业生。在本科阶段,作为负责人完成开放性实验项目,并在分析化学方向完成本科毕业论文。分析化学博士毕业后,"跨界"成为一名公共卫生与预防医学学科的教师。目前从事卫生检验检疫方向的教学、科研和服务工作,同时也是具备法医毒物和微量物证鉴定资质的司法鉴定人。该生认为,卫生检验检疫是公共卫生的"眼睛",为公共卫生安全问题的解决提供重要的数据支撑。这一过程必须贯彻"量"的概念,准确获取数据,控制数据质量,并科学有效地挖掘和运用数据,让结论判断有据可依,让应对策略有章可循。司法鉴定对"量"的要求非常严苛,一旦偏颇,容易使不法分子逃出法网,出现冤假错案。该生对于"量"的理解源于分析化学的课程学习和科研训练,在参加工作后进一步认识到"量"是非常核心和基础的概念,蕴含了"方法论"的原理,为许多实际问题的解决提供了很好的思路和支撑。

案例2:2011届本科毕业生,2013届分析化学硕士毕业生,2019届博士毕业生。本科阶段在分析化学方向完成本科毕业论文,目前在高校食品科学与工程学院从事脂类科学与酶工程领域的研究工作。该生认为,分析化学中对复杂样品的前处理与定量分析,是深入开展脂类研究及酶工程研究的重要前提。他认为,以"量"为核心的分析化学是科学技术的"眼睛",化学及其他相关学科在开展研究工作时往往需要借助分析化学的思路、技术和手段。本硕阶段分析化学多元科教融合的人才培养方法,不仅令他系统掌握了科学研究的方法与技能,塑造了他严谨求实的科学态度、细致踏实的工作作风,更提高了他从事交叉学科科学研究的综合素质与创新能力,对他现在的工作起到强有力的支撑作用。

案例3:2011届本科毕业生,2014届分析化学硕士毕业生。本科阶段曾参加学院实验技能大赛,并组队参加"挑战杯"大学生课外学术科技作品竞赛,在分析化学方向完成本科毕业论文。该生目前从事科技情报研究与服务工作,主持广东省软科学项目,并作为骨干参与完成了多项省市级项目。该生认为经过本科阶段分析化学的课程学习及科研训练,深植"量"的概念。在分析化学研究中,必须通过系统科学的定性定量分析才能获得最终的研究结论,这培养了该生从准确获取数据出发,通过严谨的大数据分析,提取关键信息的工作思路及方法。从"量"出发,通过"量"的现象看本质,不仅是分析化学的重要内涵,也是其他领域(如情报研究领域)科研创新工作的中心思想。

案例4:2014届本科毕业生,2016届分析化学硕士毕业生。在分析化学方向完成本科毕业论文,建立了基于原子荧光光谱法的汞元素形态分析方法;在攻读硕士学位阶段,开展了衍生化表面增强拉曼光谱技术在食品安全分析中的应用研究。本硕阶段的学习及研究,使他认识到分析方法尽管原理各不相同,但是对"量"的准确测定目标却始终相同。该生目前在疾病预防控制机构从事化学污染物与放射性检测工作。工作期间,他不仅接触到了更多方法学上的"量"(如有证标准物质标准值、不确定度等),还接触到了许多公共卫生、食品安全等应用方面的"量"(如限值、指导值、合格率等)。该生认为,从本科课程学习产生"量"的初印象,到毕业论文研究对"量"的亲身实践,再到攻读硕士学位时期望在"量"的指标上有所突破,直至工作中对"量"的深度学习与研究,"量"的概念贯穿其所有经历,在经历中不断丰富和完善,并将继续伴随其前行。

案例5:2018届本科生,2018级分析化学硕博连读研究生。本科阶段参加实验室开放基金项目,在分析化学方向完成本科毕业论文。研究生阶段开展复杂样品化学发光快速分析方法研究,目前已以第一作者身份在Anal. Chem.等期刊发表文章。该生认为,分析化学学科完整的"科教融合"人才培养模式为其后续继续深造、开展分析化学前沿研究奠定了良好的专业基础。由于本科阶段参加科研训练项目,积累了一定的实验技能,对"量"的概念有了更加深入的了解,使其具备独立完成课题的能力。在博士深造过程中,该生科学运用"量"的概念,将循环化学发光法应用于区分鉴定复杂的混合物,通过系统计算新方法与传统色谱方法之间的相对误差,对新方法可靠性进行了深入论证。

案例6:2018届本科毕业生,2021届分析化学硕士毕业生。本科阶段参加实验室开放基金项目,在分析化学方向完成本科毕业论文。硕士期间,开展复杂样品中痕量危害因子快速分析方法研究。毕业后,将从事石化油品质量管理工作,须深度学习石油行业中各项"量"的指标,包括控制油品质量的"6σ"法则及各类质量管理标准,建立和完善质量保障体系,对采购、储存、配送和销售等环节的油品严把质量关,并对售后质量问题认真分析调查,妥善解决。该生认为,本硕阶段分析学科的多元科教融合培养使其对"量"的认识逐渐深入,塑造了细致入微、严谨求真的工作风格。对"量"的概念的严格把握,为其在未来工作中严把"质量"关,对易疏忽的质量安全问题及时查漏补缺,提供了良好的专业背景及技能,并最终形成就业核心竞争力。

案例7:2019届本科毕业生,2020级分析化学硕士研究生。该生大二暑假进入课题组,学习了多种实验操作与仪器使用,之后参与了实验室开放基金项目,并在分析化学方向完成本科毕业论文。本科阶段系统的多元科教融合培养过程使该生对分析化学的科研方法及规范有了更深刻的认识。该生在科研训练中遇到气相色谱分离目标峰时分离度不高且基线噪声大的问题,采用常规措施仍难以解决,后来通过分析化学课程所学的傅里叶变换法处理数据成功降低噪声,既提高了检测灵敏度,也使宽峰信息得到有效利用。该生在此过程中深刻体会到科教融合的科研训练既加深了对课堂中所学"量"的概念的认识,又通过实践将分析化学基础知识更高层次地应用于前沿研究并取得突破,为继续深造带来科研方法学的有力支撑。

案例8:2021届本科毕业生。在分析化学方向完成本科毕业论文,研究生阶段转方向至市场营销专业。该生认为看似跨度很大的两个专业其实有很多共通的地方。分析化学研究目标主要是采用各种方法针对物质进行准确定性定量分析,而市场营销则是通过分析产品及消费者行为提供重要的商业参考信息。对于量的概念初识于大一化学分析及实验课,而本科毕业论文研究则进一步加深了该生对"量"的理解。其毕业论文研究了烟草产品售卖期气味成分含量的变化,让该生联想到在市场营销学中可以通过分析广告投放时间与观众的新鲜感和关注度之间的关系,以确定最佳广告投放期,既可产生好的推广效果,又避免了投放期过长成本高的情况。该生认为学习分析化学不仅提高了自己分析问题、解决问题的能力,也提供了很多创新的研究思路,可以用于未来市场营销学的研究。

从上述较长时间跨度的对毕业生的调查说明,以"量"为核心,多元"科教融合"的人才培养模式,对分析化学创新型人才培养具有良好的效果。学生通过分析化学本科基础课程的学习,初步建立了"量"的概念,进而通过多元科研训练项目及毕业论文的研究,进一步加深了对分析化学各维度"量"的认识,锻炼了科研创新能力。根植于心的"量"的概念及所获得的创新实践能力,为学生毕业后进一步深造或从事各种类型的工作提供了强大助力。

3 总结与展望

二十多年来,中山大学分析化学学科坚持以"量"为核心,在本科教学的各个阶段采用相应的多元科教融合方式,培养创新型分析化学人才。通过本科各阶段的分析化学课程学习,使学生获得并建立"量"的概念;在多元的科研训练中,学生通过发展各种灵敏、准确的分析方法,准确测量各维度的"量",印证课堂教学中的"量"的概念,并进一步深化对"量"的认识,对提升学生的科研动手能力及培养学生的创新、创造精神具有重要意义。经过多元科教融合培养的学生大多具备扎实的专业基础知识和严谨的"量"的概念,在毕业后进一步深造或从事各种工作时,展现出良好的创新实践能力,为深造及就业打下良好的基础。综上所述,以"量"为核心,多元"科教融合"的分析化学人才培养模式,可使学生收获全景化的分析化学视野,较好地培养了本科生的创新创造能力。今后,可以进一步发挥分析化学学科特色,将以"量"为核心,多元科教融合人才培养方法结合国家需求,为建设创新型国家培育更多优秀人才。

参考文献

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