大学化学, 2022, 37(2): 2108092-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202108092

专题

基于创新能力培养的化学专业本科实验教学新体系的构建与实践

章文伟, 芦昌盛, 淳远, 俞寿云, 朱成建,

Construction and Practice of a New Experimental Teaching System for Undergraduate Chemistry Specialty Based on the Cultivation of Innovative Ability

Zhang Wenwei, Lu Changsheng, Chun Yuan, Yu Shouyun, Zhu Chengjian,

通讯作者: 朱成建, Email: cjzhu@nju.edu.cn

收稿日期: 2021-08-30   接受日期: 2021-09-3  

基金资助: 南京大学“十三五”实验教学改革研究重点课题.  SY201703
南京大学“十三五”实验教学改革研究重点课题.  SY201903
南京大学中央高校改善基本办学条件专项设备购置项目.  2017–2021
南京大学教学实验室建设提升计划.  2018–2021
2021年基础学科拔尖学生培养计划2.0课题

Received: 2021-08-30   Accepted: 2021-09-3  

Abstract

Curriculum system is the carrier of talent training. In order to better cultivate top-notch innovative talents, according to the characteristics and development tendency of chemistry discipline, a new experimental curriculum system of "Chemical Experiment Basis to Chemical Synthesis and Characterization plus Chemical Principle and Measurement to Experiments on Chemical Functional Molecules plus Comprehensive Experiments of Chemical Biology and Project-based Research Experiment" is constructed based on the internal connection and research law of scientific content in the National Demonstration Center for Experimental Chemistry Education at Nanjing University. The experimental teaching content is optimized as requested by first-class curriculum construction (high order, innovation and challenge), and the corresponding experimental teaching platform is established. The new curriculum system comprehensively considers the integrity of the first-level discipline of chemistry and the intersections of related disciplines, and is implemented to the students of "National basic subject talent training plan" and "Strengthening basic disciplines plan" at the School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University, with remarkable teaching effect.

Keywords: Undergraduate chemistry experiment teaching system ; Chemical experiment basis ; Chemical syntheses and characterization ; Chemical principle and measurement ; Experiments on chemical functional molecules ; Comprehensive experiments of chemical biology ; Project-based research experiment ; Innovation ability training

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章文伟, 芦昌盛, 淳远, 俞寿云, 朱成建. 基于创新能力培养的化学专业本科实验教学新体系的构建与实践. 大学化学[J], 2022, 37(2): 2108092-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202108092

Zhang Wenwei. Construction and Practice of a New Experimental Teaching System for Undergraduate Chemistry Specialty Based on the Cultivation of Innovative Ability. University Chemistry[J], 2022, 37(2): 2108092-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202108092

编者按:化学是一门实验科学,实验教学质量对化学人才培养质量有着重要的影响。化学实验教学在传授化学实验基础知识和基本原理、训练基本技能的同时,还可以培养学生分析和解决问题的能力,养成规范严谨的实验习惯和实事求是的科学态度,有助于培养学生分工协作的团队精神、坚韧不拔的意志品质、勇于探索的创新精神,在本科化学类专业人才培养中发挥着基础性、关键性作用。为了进一步深化大学化学实验教学改革,促进实验教学内容、教学方法、管理模式和教学实验室建设等的不断创新,以第十二届全国大学生化学实验邀请赛暨第三届全国高校化学实验技术交流会为契机,《大学化学》编辑部组织了“化学实验教学和管理”专刊。

本专刊共收录论文43篇,分别为实验教学方法研究与改革(15篇)、教学实验室管理和建设(4篇)、实验安全及教辅相关工作(5篇)、新创以及综合实验相关设计(15篇)、实验邀请赛试题分析(4篇)。希望这些论文能为广大高校开展实验教学建设提供一些借鉴,共同推动我国化学实验教学改革与建设迈上新台阶、取得新发展!

化学是一门理论与实验并重、富有创造性的中心学科,其内容涵盖物质的合成与反应、分离与提纯、分析与鉴定、物质与功能、结构与形态、剪裁与组装等[1]。随着化学学科的发展,化学各主干二级学科之间,以及化学与生命、材料、环境、能源、信息、医学、药学等学科之间相互交叉融合,形成了一系列前沿交叉学科和领域,淡化了化学二级学科之间以及化学与其他相关学科之间的界限。因此,在科学技术高度发展的今天,需要化学工作者更多地在一级学科层面形成系统、连贯的学科思维,在传统和经验性研究模式的基础上,能够通过模拟、设计和控制合成,实现对物质特定功能的优化和调控[1]

课程体系是人才培养的载体。化学实验教学是化学专业人才培养过程中贯穿始终、不可缺少的重要组成部分,是提高人才培养质量的重要环节。传统的本科化学实验课程体系通常按照化学二级学科展开,显然,这一传统的实验教学体系已经适应不了当前化学学科的发展和社会对人才需求模式的改变,实验课程体系改革已迫在眉睫。

为了让学生能够紧跟学科前沿,建立起统筹全面的化学观,有意识地培养学生在化学及相关领域的“大视野”和“大胸怀”,使他们能够更好地根据自身特点和志趣,布局自身资源、实现自我价值,南京大学化学化工学院对实验课程体系进行了变革,并在“拔尖计划”和“强基计划”学生中实施,初显成效。

1 化学实验课程新体系的构建

为了培养杰出的科学家,创建世界一流大学,从2009年开始,教育部联合中组部、财政部等部门先后启动“拔尖计划”、“双一流”建设、“强基计划”等。所有的计划归根到底都是围绕本科人才培养这一主题。

本科人才培养依托课程体系进行。培养一流的拔尖创新人才,需要适合一流拔尖创新人才培养的课程体系作为支撑。实践教学是本科人才培养工作的重要组成部分。随着科学技术的进步和化学学科的发展,近几年,国外一些知名高校对化学实验课程体系进行了较大幅度的改革。比如加州理工大学化学实验课程由“实验化学基础技术”“太阳能转化实验方法”“有机和无机化合物的合成与分析”“高等合成和分析技术”“现代合成化学实验”“高等生物有机化学实验”“化学平衡与分析”和“物理化学和生物物理化学实验”构成;剑桥大学的实验课程调整为“I A化学实验”“化学A实验”“化学B实验”“现代化学合成技术”和“物理与理论化学课程实验”[24]。这些改革顺应了化学学科的发展,部分课程设置反映了化学研究前沿,体现了学科间的融合。目前国内很多高校化学类实验课程体系按照“基础→综合”这一模式开展,在基础化学实验课程中,按照二级学科依次开设无机化学实验、分析化学实验(或大学化学实验、普通化学实验)、有机化学实验、仪器分析实验、物理化学实验;在综合化学实验中,则尽可能融合多个二级学科内容。南京大学近二十年来一直沿用这一教学体系(表 1)。显然,这一教学体系相对于当前化学学科发展而言,显得过于传统,已经不能适应当前化学学科的发展和社会对人才的实际需求、尤其是对研究型创新人才的需求。

表1   南京大学化学实验课程体系

年级学期原课程体系(化学)新课程体系I–拔尖 & 强基班(化学)
大学化学实验(3)化学实验基础(2)
大学化学实验(3)化学合成与表征I (3)
有机化学实验(4)化学合成与表征II (3)
有机化学实验(2)
仪器分析实验(2)
化学合成与表征III (1.5)
化学原理与测量I (2.5)
物理化学实验(3)
综合化学实验(4) (选)
化学原理与测量II (2.5)
化学功能分子实验(3)
物理化学实验(2)
化工基础实验(1) (选)
化学原理与测量III (1.5)
化学生物学综合实验(4) (选)
化工基础实验(1) (选)
备注大类培养(3)
专业培养(3 + 6 + 2 + 5)
多元培养(4) (选) + (1) (选)
基于项目的研究(1–3) (可在任一学期完成)
大类培养(2)
专业培养(8 + 6)
多元培养(3) (必) + (4) (选) + (1) (选)

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2018年作为科学研究导向的国家自然科学基金化学科学部资助方向也发生了重大变化,由过去的按照二级学科改为以下八个方向:1) 合成化学;2) 催化与表界面化学;3) 化学理论与机制;4) 化学测量学;5) 材料化学与能源化学;6) 环境化学;7) 化学生物学;8) 化学工程与工业化学[5]。这表明新的科学规范正在形成,学科交叉融合更加紧密,创新驱动发展已经成为全球共识,基础研究正面临着重要的发展机遇和挑战。如果继续按照以前化学学科内各二级分支学科分立的教学模式来展开教学,难以让学生建立起统筹全面的化学观,难以实现以培养杰出科学家为目标的拔尖人才培养,难以培养出适应现代社会和学科发展的全才和大家,和国外差距会进一步拉大。

为培养适应学科发展和社会需要的创新人才,实施“最好本科”教育,在全面贯彻南京大学“三三制”本科教学改革的方针下,我们以创新人才培养为目标,通盘考虑化学一级学科的整体性和关联学科的交叉性,根据化学研究的特点和规律,以科学内容内在联系为主线,按照“基础素养课程→核心专业课程→功能研究课程”三个层次逐步推进,构建了“化学实验基础→化学合成与表征+化学原理与测量→化学功能子实验+化学生物学综合实验+基于项目的研究实验”(简称“一基二核三功能”)实验课程新体系(表 1图 1)。这一实验课程体系的构建源于化学知识体系逻辑结构,三个阶段的实验课程逐层递进,能够较好体现现代化学学科知识、技术和发展趋势,更好促进化学和相关学科知识交叉融合,着力培养学生在化学一级学科层面形成系统、连贯的科学思维,更加符合现代化学人才培养和成长规律。这一新课程体系于2017年构建,先后在化学专业拔尖计划学生和强基计划学生中实施。

图1

图1   南京大学化学实验课程新体系课程目标


2 实验课程和实验教学平台建设

课程是人才培养的核心要素,课程质量直接决定人才培养质量[6]。对标实验课程新体系,我们在南京大学“三三制”本科教学总体方案下,按照“重视基础、加强综合、趋向前沿、突出设计和科研训练”的课程建设目标,着重加强了实验课程内容改革和多元化实验教学平台建设。对每一门课程的人才培养目标定位和教学方案进行了精心梳理,对教学内容和教学方法进行了优化设计和构架,努力提升课程的“高阶性、创新性和挑战度”,打造实验教学“金课”(图 1)。具体如下:

(1) 化学实验基础:该课程定位为基础素养课程,属于大类培养课程,在大一上开设。该课程着重训练学生规范的实验操作技能,培养学生细心观察、善于思考、求真质疑等基本科研素养,同时还肩负提升学生对化学的兴趣和热爱,展示化学魅力的重任。我们精选了一些基本操作全面、与实际生活相关的实验项目,如:抗胃酸药中铝、镁含量的测定,由易拉罐制备明矾及其纯度测定等,希望通过该课程,能够激发学生的学习兴趣,使学生具备基本的实验技能,培养学生创新意识。

(2) 化学合成与表征:该课程是化学专业学生必修的第一门实验类核心专业课程,属于专业培养课程,分别在大一下、大二上和大二下开设。众所周知,合成是化学的基石,我们以合成技术为出发点,力争做到无机、有机合成技术和学科知识的交叉融合,按照基础–综合–研究三段递进式方式,将分析和表征贯穿于实验的全过程,努力促进学生理论和实践的综合应用和融会贯通,培养学生全面的化学观,并为今后的科学研究打下坚实的实验基础。开设代表性实验项目有:Ni配合物的合成及其溶剂热致变色行为研究,模板合成铜配合物及其含量测定,直流电为驱动能源的有机合成研究,Proline催化的醛不对称α-位氨基化反应等。

(3) 化学原理与测量:该课程亦归属于核心专业课程,分别在大二下、大三上和大三下开设。以测量技术为关联来融合构建该课程。通过该课程,进行化学原理辨析,传授先进的测量技术和方法,让学生与时俱进、多维度了解化合物和材料的结构表征和性质测量原理和方法,培养学生扎实的专业实践能力,加强学术专业类人才培养。如:在本课程中,将科研成果纳米孔道电化学技术测量单个生物分子技术转化为实验教学内容,实现化学、生物和信息等学科的知识交叉融合。这一成果发表于美国化学会J. Chem. Educ.[7]

(4) 化学功能分子实验:该课程定位为功能研究课程,属于多元培养课程,在大三上开设。有别于偏重化学学术专业类人才培养的“化学合成与表征”和“化学原理与测量”实验课程,该课程更为偏重交叉复合型人才培养。着重以分子功能为目标导向,引导学生通过合理的分子设计与组装复合,开展多种功能分子体系(催化与精准合成、光电磁等功能材料、纳米结构及纳米复合、高分子及智能材料、化学生物学及生物医学应用)的研究,并探究其在催化、光电磁材料、能源、环境以及生物医药等领域的可能应用潜力。相关实验项目如:光氧化还原与Ni协同催化C(sp2)-O交叉偶联反应,聚集诱导发光AIE侧链聚合物的可控合成,MOF@ZnO纳米复合探针的设计及其在光电生物分析中的应用,高分子柔性储能与应力传感器件制备及性能测试,DNA样品的制备、结构鉴定和性质研究,等等[8]。实验内容接轨科研前沿,具有高阶性,并具一定的创新性和挑战度,有利于提升学生的跨界实践能力和知识迁移能力,加强交叉复合型人才培养。以该课程教学内容为蓝本的《化学功能分子实验》获得“十三五”江苏省高等学校重点教材,于2021年由高等教育出版社出版。

(5) 化学生物学综合实验:该课程亦归属于功能研究课程,在大三下开设。化学生物学作为一门多学科交叉的新兴学科,主题是用小分子去干预、调控生命过程,进而揭示生命过程的机理。基于化学生物学领域的研究前沿,构建了集合成、分离、结构表征、理化性能测试、细菌及细胞培养、生物正交反应、生物活性表征等基础的实验课程体系,加强学生对化学与生命学科前沿交叉技术手段方法的认知。作为多元培养阶段的一门重要课程,该课程着重培养学生在化学和生命交叉领域的跨学科研究素养和能力。

(6) 基于项目的研究实验:该课程以研究项目为载体,着重培养学生综合运用学科知识、技术与方法独立发现、分析、解决问题的综合实践能力,以及跨学科交叉复合基础上的跨界实践能力,形成科学的研究思维方式,提升学生的科创能力。

实验课程建设必须有相应的实验条件作为支撑。近几年,实验教学中心通过中央高校改善基本办学条件专项和南京大学教学实验室建设提升计划共计2400万元,购置了一系列与科研接轨的仪器设备,如:微波多肽固相合成仪、蛋白质纯化仪、显微共焦拉曼系统、原子力显微镜、全自动库伦滴定仪、表面张力测定仪、电子万能材料试验机、全光谱电致化学发光检测仪、比表面及微孔孔隙分布测量仪、制备高效液相色谱等,搭建与实验课程新体系相匹配的“大类培养”“专业培养”和“多元培养”多层次实验教学平台(图 2),使得新开发的接轨科研前沿、多学科交叉的实验教学项目能够顺利开展,相应教学目标能够得以实现。

图2

图2   南京大学化学实验教学平台


除了课程理念创新和内容创新之外,教学模式和学业评价方式也力求不断创新。通过信息化技术,开发慕课、虚拟仿真实验、实验预习检测系统等多种实验教学资源和手段[911];通过线下、线上/线下混合式及虚拟仿真实验教学,结合翻转课堂、设计实验、小组研究等多种形式,开展启发式、研究型教学,提升学生自主学习、思考提问、讨论合作、质疑探究等多方面的能力,多模式、多维度培养拔尖创新人才。在学生实践和成长过程中,摒弃以往“重结果轻过程”的单一评价模式,注重学生的学业过程管理,加强过程性评价,探索增值性评价,从认知过程、实践结果、汇报答辩、学生个体进步等多方面,建立以学生创新能力和批判性思维提高为导向的综合性多元学业评价体系。开发的虚拟仿真实验“脑部神经递质:共轭高分子荧光探针识别”获得首批国家级虚拟仿真实验教学一流课程,“化学实验基础”获得首批国家级线上线下混合式一流课程。

实验课程新体系实施以来,通过逐年对学生进行问卷调查,了解学生对课程实际需求和满意度。学生普遍认为新课程体系相对于传统课程体系,在强化实验技能、拓宽学术视野、培养科学思维、提升科研能力等方面,具有显著的优势,收获良多。

3 结语

实验教学是本科人才培养工作的重要组成部分。为了更好地适应当前学科发展,培养满足社会实际需求的拔尖创新人才,南京大学化学国家级实验教学示范中心深化实践育人教学改革,完善实验教学体系,基于化学一级学科的整体性和关联学科的交叉性, 构建并实施了“基础素养课程(化学实验基础)→核心专业课程(化学合成与表征+化学原理与测量)→功能研究课程(化学功能分子实验+化学生物学综合实验+基于项目的研究实验)”实验课程新体系。对标实验课程新体系,按照“金课”建设要求,深化实验教学内容改革,加强“两性一度”建设,在培养本科生专业实践能力、跨界实践能力、综合实践能力和创新实践能力方面取得良好成效。

参考文献

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