化學(xué)計量學(xué)雙語教學(xué)的實(shí)踐與思考

易倫朝 梁逸曾

(中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 湖南長沙 410083)

化學(xué)計量學(xué)雙語教學(xué)的實(shí)踐與思考

易倫朝 梁逸曾

(中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 湖南長沙 410083)

在多年化學(xué)計量學(xué)雙語教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上,對雙語教學(xué)中的若干問題進(jìn)行了思考和總結(jié)。從教材建設(shè)與選擇、教學(xué)方法、教學(xué)手段等多個方面,對化學(xué)計量學(xué)雙語教學(xué)進(jìn)行了深入的分析,提出了改進(jìn)雙語教學(xué)的方法。

自 1972年瑞典科學(xué)家 SvanteWold提出化學(xué)計量學(xué)(chemometrics)后,在國際上得到了普遍認(rèn)同,現(xiàn)已列為分析化學(xué)的四大支柱 (波譜與光譜、色譜技術(shù)、化學(xué)生物傳感和化學(xué)計量學(xué))。化學(xué)計量學(xué)是化學(xué)量測的基礎(chǔ)理論與方法學(xué),在處理化學(xué)量測中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、信號解析與分辨、化學(xué)分類決策與預(yù)報等方面,解決了大量傳統(tǒng)的化學(xué)研究方法所難以解決的復(fù)雜化學(xué)問題,顯示了強(qiáng)大的生命力,已受到化學(xué)尤其是分析化學(xué)工作者的極大關(guān)注。近幾年,一些院校的化學(xué)及其相關(guān)專業(yè)已將化學(xué)計量學(xué)作為選修課或必修課納入本科生或研究生的教學(xué)計劃中。該課程的教學(xué)以及相應(yīng)的教學(xué)改革是一個需要不斷探索和討論的話題[1-2]。

由于這是一門新興交叉學(xué)科,大量的文獻(xiàn)和教材多由英文給出,所以,我們擬通過進(jìn)行雙語教學(xué),縮短學(xué)生從課程學(xué)習(xí)過渡到科學(xué)研究的準(zhǔn)備過程,提高學(xué)生的國際競爭能力,力爭達(dá)到既學(xué)好課程又提高英語的效果。本校的化學(xué)計量學(xué)課程于 2002年開始進(jìn)行雙語教學(xué),2008年被評為教育部雙語教學(xué)示范課程。本文就化學(xué)計量學(xué)課程雙語教學(xué)的探索和實(shí)踐進(jìn)行思考和總結(jié),并深入分析,提出了改進(jìn)雙語教學(xué)的方法。

1 教材建設(shè)與教材選擇

化學(xué)計量學(xué)是一門化學(xué)與統(tǒng)計學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)交叉產(chǎn)生的新興學(xué)科。它涵蓋了化學(xué)量測的全過程,包括采樣理論與方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計與化學(xué)化工過程的優(yōu)化控制、化學(xué)信號處理、分析信號的多元校正與分辨、化學(xué)模式識別、化學(xué)過程和化學(xué)量測過程的計算機(jī)模擬、化學(xué)定量構(gòu)效關(guān)系、化學(xué)數(shù)據(jù)庫與化學(xué)專家系統(tǒng)等主要分支。本課程負(fù)責(zé)人梁逸曾教授等人根據(jù)多年的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn),撰寫并出版了一系列化學(xué)計量學(xué)教材和專著,促進(jìn)了本課程的教材建設(shè)。主要教材和專著如下:

①梁逸曾,俞汝勤.化學(xué)計量學(xué) (九五規(guī)劃教材).高等教育出版社,2001

②梁逸曾(主編).分析化學(xué)計量學(xué) (十一五規(guī)劃教材).重慶大學(xué)出版社,2004

③梁逸曾,俞汝勤.分析化學(xué)手冊(第十分冊):化學(xué)計量學(xué).化學(xué)工業(yè)出版社,2001

④陳啟元,梁逸曾(主編).醫(yī)科大學(xué)化學(xué).化學(xué)工業(yè)出版社,2003

⑤梁逸曾.復(fù)雜有機(jī)多組分體系的定性定量解析及其應(yīng)用研究.389～400.分析化學(xué)新進(jìn)展.汪爾康主編.國家自然科學(xué)基金委員會化學(xué)科學(xué)部組,科學(xué)出版社,2002

⑥ Foo-tim Chau,Yizeng Liang,Junbin Gao,Xueguang Shao.Chemometrics:From Basics toWavelet Transfor mation.W iley-InterScience,2004

⑦YizengLiang,J.H.Jiang,Y.Ozaki.SelfModeling Curve Resolution(S MCR)-Principles and Its Application to N I R Spectroscopy.35～54.Useful and Advanced Infor mation in the Field ofNear Infrared Spectroscopy.Editor by S.Tsuchikawa,Research Signpost,Trivandrum, INDE(Monographie), 2003

⑧梁逸曾,徐峻,姚建華譯.化學(xué)信息學(xué)教程.Johann Gasteiger,Thomas Engel.Chemoinfor matics.化學(xué)工業(yè)出版社,2004

由于本課程向?qū)W生教授的不僅包括化學(xué)方面的知識,還包括統(tǒng)計學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)編程等基礎(chǔ)知識,不但需要選擇合適的化學(xué)計量學(xué)專業(yè)教材,還需要向?qū)W生推薦與本課程相關(guān)的關(guān)于矩陣論、統(tǒng)計學(xué)、計算機(jī)編程等領(lǐng)域的參考書籍。化學(xué)計量學(xué)學(xué)科發(fā)展迅速,不斷有大量的英文文獻(xiàn)出現(xiàn)。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,豐富學(xué)習(xí)內(nèi)容,滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,我們還在教學(xué)中將該課程所涉及的幾個主流英文國際刊物介紹給學(xué)生,以達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。通過多個國內(nèi)外化學(xué)計量學(xué)教材[3-5]的比較,本課程采用英文原版教材 Chem om etrics,from Basics toW avelet Transfor m。該書涵蓋了化學(xué)試驗(yàn)設(shè)計與優(yōu)化方法、分析儀器的化學(xué)信號處理、分析信號的多元校正與分辨、化學(xué)模式識別等化學(xué)計量學(xué)的核心內(nèi)容,并附有實(shí)例及程序的原代碼,以方便學(xué)生課后編程練習(xí),鞏固所學(xué)知識。雖然使用英文原版教材進(jìn)行雙語教學(xué),教師和學(xué)生都要付出比漢語教學(xué)多幾倍的努力,但是使用原版教材確實(shí)在各方面有很大的優(yōu)勢。不但可以拓寬學(xué)生的專業(yè)知識,還可以提高學(xué)生理解英文原始文獻(xiàn)的水平,幫助學(xué)生從網(wǎng)絡(luò)等渠道更快更廣泛地獲取新的現(xiàn)代科技信息,及早接觸學(xué)科的前沿信息,有利于培養(yǎng)他們的可持續(xù)學(xué)習(xí)能力和國際交往能力。此外,我們還綜合多個化學(xué)計量學(xué)教材,編寫了雙語教學(xué)所需的多媒體課件,其中 90%來自英文原版教材。

2 教學(xué)方法

盡管這是一門雙語教學(xué)課程,但我們?nèi)匀粓猿忠欢ㄒ箤W(xué)生在課程學(xué)習(xí)中“學(xué)有所得”的教學(xué)原則。既靈活使用英語教學(xué),盡量提高學(xué)生的專業(yè)英語水平和英語的聽說及理解水平,在必要時,也使用中文進(jìn)行進(jìn)一步解釋。盡量使學(xué)生在雙語教學(xué)中能專業(yè)、英語雙豐收。同時,在教學(xué)方法上注意重視以學(xué)生為主體的探究性,根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)生特點(diǎn),對教學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計。有效地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)能力的發(fā)展。

2.1 強(qiáng)調(diào)授之以漁的教學(xué)理念

從傳統(tǒng)的主要傳授知識改為重點(diǎn)放在傳授思考問題、解決問題的方法上。將過去“教師講、學(xué)生聽”的單一教學(xué)方法改為靈活多樣的教學(xué)方式。課堂教學(xué)突出重點(diǎn)、講透難點(diǎn)、講學(xué)穿插、學(xué)練結(jié)合。并結(jié)合學(xué)生自學(xué)、課堂討論、小論文等方式,著重學(xué)生能力的培養(yǎng),強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動性,變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”。

2.2 采用面向問題學(xué)習(xí)的新教學(xué)方式

生動的應(yīng)用事例往往可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且在加強(qiáng)學(xué)生對分析化學(xué)理論知識的理解方面有相當(dāng)好的促進(jìn)作用。如在講述分析化學(xué)中復(fù)雜體系的分析難題,如中藥復(fù)雜體系時,以茵陳揮發(fā)油、銀杏提取物等分析體系的色譜重疊峰為例,加深學(xué)生對化學(xué)計量學(xué)多元分辨技術(shù)的理解。

鼓勵學(xué)生自己動手解決其專業(yè)學(xué)科中的實(shí)際問題,學(xué)生以小組的形式進(jìn)行討論,讓學(xué)生掌握解決實(shí)際問題的知識與方法,體會創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的樂趣。

2.3 加強(qiáng)概念的導(dǎo)入

本課程在前幾次課堂教學(xué)中,給出了必要的有關(guān)矩陣運(yùn)算的基礎(chǔ)知識。我們認(rèn)為,先讓學(xué)生理解和熟悉矩陣運(yùn)算的符號系統(tǒng)及其化學(xué)和物理意義是學(xué)習(xí)這門課程的至關(guān)重要的一步。另外,我們在本課程教學(xué)中,主要強(qiáng)調(diào)化學(xué)計量學(xué)的基本概念和化學(xué)計量學(xué)方法的基本思路,而對于一些方法的數(shù)學(xué)推導(dǎo),均以簡潔的矩陣運(yùn)算形式和通過對其物理意義的強(qiáng)調(diào),來加強(qiáng)學(xué)生對它們的理解。

2.4 因材施教

為讓學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行一些有一定深度的學(xué)習(xí),在課堂教學(xué)中,有意引入一些可以讓學(xué)生主動編程的題目,并鼓勵學(xué)生參加研究生的科研。在國家、學(xué)校、學(xué)院三級大力支持開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的背景下,注重將最新的科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,提高學(xué)生的科研興趣與學(xué)習(xí)興趣。例如魚腥草指紋圖譜解析的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn),是將其在中藥指紋圖譜研究中的實(shí)際成果應(yīng)用于教學(xué),使學(xué)生對魚腥草采樣、揮發(fā)油的提取、GC-MS分析、數(shù)據(jù)解析、指紋圖譜的相似性比較分析一直到質(zhì)量控制的全過程有清晰的了解。這樣不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,而且對學(xué)生如何面對實(shí)際問題提出具體的解決方案的能力也有很好的培養(yǎng)作用。

3 教學(xué)手段

化學(xué)計量學(xué)是以計算機(jī)和近代計算技術(shù)為基礎(chǔ)的一門新興交叉學(xué)科,所用方法大多是基于矩陣運(yùn)算,這對于化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說,的確有很大難度。如按常規(guī)教學(xué)方法 (即依靠BASIC、FORTRAN等經(jīng)典計算機(jī)高級語言為工具,以講算法為內(nèi)容)來進(jìn)行,不但需要很多學(xué)時甚至很難組織好教學(xué),會使學(xué)生感到該課程支離破碎,不成系統(tǒng)。然而,化學(xué)計量學(xué)有其深刻的化學(xué)內(nèi)涵;而且,如果化學(xué)計量學(xué)離開了它得以生長的土壤——化學(xué)學(xué)科,就失去了它存在的必要性。我們認(rèn)為,進(jìn)行化學(xué)計量學(xué)研究的應(yīng)該是化學(xué)家,研究者所關(guān)心的問題應(yīng)該是化學(xué)問題,而不是計算機(jī)和數(shù)學(xué)問題。所以,如何從化學(xué)角度介紹化學(xué)計量學(xué),怎樣將化學(xué)計量學(xué)的全貌介紹給學(xué)生,使他們通過學(xué)習(xí)這門課程,充分理解化學(xué)計量學(xué)的內(nèi)涵,以及它為化學(xué)家提供了什么樣的新思路,可以解決什么樣的化學(xué)問題。這樣,才能使化學(xué)學(xué)科的本科生和研究生認(rèn)識到這門課程的重要性,激起他們對這門新興學(xué)科的學(xué)習(xí)熱情。為此,我們在實(shí)際教學(xué)過程中通過應(yīng)用多種教學(xué)手段,力圖達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。

3.1 注重引導(dǎo)啟發(fā)的互動式教學(xué)

教師在教學(xué)時要注重介紹課程發(fā)展史,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入角色。同時注重展開互動式教學(xué),不時提出一些有一定深度的問題,讓學(xué)生思考,進(jìn)行討論,打開思維。雖然這些問題有一定的深度和難度,但大多密切結(jié)合實(shí)際應(yīng)用,因而學(xué)生對這類問題有濃厚的興趣,有些學(xué)生給出的答案相當(dāng)好。通過對問題的討論和思考,不僅可以使學(xué)生對相關(guān)理論有更深刻的認(rèn)識,而且可以使學(xué)生在分析問題、解決問題的能力方面受到訓(xùn)練、得到提高。

3.2 網(wǎng)上實(shí)踐計算軟件

為使學(xué)生能很好地運(yùn)用所學(xué)知識,我們編制了分析化學(xué)計量學(xué)網(wǎng)上實(shí)踐計算課件。學(xué)生可以通過該課件,自行在計算機(jī)上做練習(xí),以鞏固課堂所學(xué)知識。該課件包括文字說明、Matlab演示和 GC-MS解析實(shí)用程序 3個部分。文字說明部分采用網(wǎng)頁的形式編輯,Matlab演示部分用Matlab編程完成,GC-MS解析是用Matlab編寫的解析氣相色譜-質(zhì)譜 (GC-MS)二維數(shù)據(jù)的實(shí)用程序。在文字說明部分,介紹課件各個章節(jié)的基本內(nèi)容并用Matlab加以演示。通常每章節(jié)用一個網(wǎng)頁,并且每一網(wǎng)頁都包含目錄,將章節(jié)之間用超鏈接連為一個整體;每章節(jié)都可以方便地轉(zhuǎn)到其他章節(jié)。Matlab演示部分一般是以例子的形式說明要介紹的內(nèi)容和演示算法的工作過程。學(xué)習(xí)者可以按要求輸入?yún)?shù),選擇自己感興趣的例子進(jìn)行演示。GC-MS解析實(shí)用程序是用Matlab編寫的一個圖形界面實(shí)用程序,該程序利用多元分辨方法-直觀推導(dǎo)式演進(jìn)特征投影法(HELP)解析 GC-MS二維數(shù)據(jù),內(nèi)容涵蓋了二維數(shù)據(jù)圖形顯示、背景校正、秩圖、滿秩分解、重疊峰剝離、質(zhì)譜圖定性等二維數(shù)據(jù)解析的各個環(huán)節(jié),是進(jìn)行 GC-MS二維數(shù)據(jù)多元分辨的有用工具。GC-MS解析實(shí)用程序不僅是一個學(xué)習(xí)軟件,更是一個功能齊全的實(shí)用程序,它已經(jīng)在作者的實(shí)驗(yàn)室使用多年,完全可以對實(shí)測的 GC-MS二維數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。

3.3 多媒體與虛擬實(shí)驗(yàn)的使用

課堂教學(xué)采用多媒體教學(xué)的方式,充分利用多媒體的豐富表現(xiàn)形式,以生動的實(shí)例向?qū)W生講述化學(xué)計量學(xué)的原理及應(yīng)用。并利用網(wǎng)上實(shí)踐計算軟件的交互性和情景化,以學(xué)生為主體,構(gòu)筑化學(xué)計量學(xué)課程學(xué)習(xí)的現(xiàn)代教學(xué)模式。

3.4 個性化學(xué)習(xí)與因材施教

通過對每個具體學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度,特別是針對一些優(yōu)秀學(xué)生學(xué)有余力的情況,有意識地鼓勵他們探討進(jìn)一步的研究內(nèi)容,為他們指定一些英語原文文獻(xiàn),鼓勵他們主動編程來實(shí)現(xiàn)一些新方法,從而引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮個性優(yōu)勢,達(dá)到因材施教的目的。同時注意分析學(xué)習(xí)較差的學(xué)生的具體困難,進(jìn)行有針對性的指導(dǎo)。

[1] 俞汝勤,梁逸曾.大學(xué)化學(xué),2000,15(1):1

[2] 堵錫華.湖州師范學(xué)院學(xué)報,2006,26(2):108

[3] 許祿,邵學(xué)廣.化學(xué)計量學(xué)方法.北京:科學(xué)出版社,2004

[4] Brereton R G.Chemometrics:Data Analysis for the Laboratory and Chemical Plant.New York;Chichester:W iley,2006

[5] SharafM A,Illman D L,KowalskiB R.Chemometrics.New York:W iley,1986