基于認(rèn)知能力培養(yǎng)的研究生“儀器分析”課程改革

張毅 孫秀蘭 王文龍

[摘 要] 高校研究生“儀器分析”課程具有理論性強、實踐性強、綜合性強、創(chuàng)新性強且涉及面廣等特點，由此帶來了教學(xué)安排困難和課程內(nèi)容滯后等問題。并且，隨著相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，這些問題日益凸顯。在教學(xué)實踐中的改革探索主要體現(xiàn)在：創(chuàng)新性嘗試碩博士同堂授課及學(xué)分互認(rèn)，在教學(xué)內(nèi)容和考核方式上以培養(yǎng)認(rèn)知能力重于傳播知識的理念進行設(shè)計，破除學(xué)生的記憶依賴，以及在教學(xué)過程中融入中國傳統(tǒng)文化中的哲學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生的分析和創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞] 認(rèn)知能力培養(yǎng);研究生教育;“儀器分析”課程

[基金項目] 2020年度江南大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究與實踐課題“《高級儀器分析》碩博共享課程體系的構(gòu)建與優(yōu)化研究”

[作者簡介] 張 毅（1982—），女，黑龍江綏化人，博士，江南大學(xué)食品學(xué)院分析食品安全學(xué)研究所副教授，主要從事食品質(zhì)量與安全、分析化學(xué)研究;孫秀蘭（1976—），女，山東聊城人，博士，江南大學(xué)食品學(xué)院副院長，教授，博士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事食品科學(xué)和食品質(zhì)量與安全研究;王文龍（1982—），男，遼寧撫順人，碩士，江南大學(xué)食品學(xué)院分析食品安全學(xué)研究所工程師，主要從事食品質(zhì)量與安全、有機化學(xué)研究。

[中圖分類號] G423 ? [文獻標(biāo)識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）49-0064-05 ? ?[收稿日期] 2021-01-19

一、研究生“儀器分析”課程現(xiàn)狀分析

（一）研究生教育與“儀器分析”課程

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，科學(xué)和教育取得了長足的進步，國家對研究生教育日益重視，投入也不斷加大。習(xí)近平總書記強調(diào)，研究生教育在培養(yǎng)創(chuàng)新人才、提高創(chuàng)新能力、服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展、推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化方面具有重要作用;李克強總理也批示，研究生教育肩負(fù)著高層次人才培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)造的重要使命，是國家發(fā)展、社會進步的重要基石[1]。研究生是科研工作的一線工作者，是研究生教育的核心，對其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)已成為高等教育的一項重要目標(biāo)[2]。研究生教學(xué)應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、解決問題的能力、對前沿技術(shù)的洞察力等。“儀器分析”作為分析化學(xué)學(xué)科的重要分支，對基礎(chǔ)化學(xué)、食品科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科發(fā)展具有非常重要的促進作用[3]，各種大型高價值的精密儀器也已經(jīng)大量應(yīng)用于科研工作[4]，因此，多所高校已開設(shè)了“儀器分析”課程，甚至列為研究生教育的學(xué)位課程[3-5]。

（二）研究生“儀器分析”課程特點

與其他專業(yè)課程相比，“儀器分析”課程具有鮮明的特點[2，3]：一是具有很強的理論性與實踐性，儀器原理抽象且各不相同，且儀器操作復(fù)雜，不同種類甚至相同種類不同品牌型號的儀器，其操作方法也可能差別巨大;二是綜合性、交叉滲透性強，儀器種類繁多且需要物理學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、計算機等學(xué)科知識作支撐，并涉及電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、數(shù)據(jù)處理、自動化等學(xué)科的技術(shù);三是創(chuàng)新性強，新技術(shù)、新方法不斷涌現(xiàn)，儀器更新?lián)Q代迅速。而研究生階段的“儀器分析”課程與本科階段相比，具有如下特點[2-6]：首先，學(xué)生經(jīng)過本科階段相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，掌握了一定的知識基礎(chǔ);其次，經(jīng)歷過本科畢業(yè)論文的歷練，甚至在一些學(xué)生已經(jīng)開始參與科研的情況下，學(xué)生對新知識的理解、領(lǐng)悟，以及將所學(xué)應(yīng)用于實踐的能力均強于本科課程學(xué)習(xí)階段;再次，研究生來自不同的高校，知識結(jié)構(gòu)和基本實驗技能差別較大，而研究生階段的研究領(lǐng)域和方向等學(xué)術(shù)背景也各有不同，故而學(xué)生本身的學(xué)習(xí)需求也不盡相同。

（三）研究生“儀器分析”課程存在的問題

研究生“儀器分析”課程的特點致使其與傳統(tǒng)的教學(xué)理念和課程組織方式產(chǎn)生矛盾，進而導(dǎo)致課程教學(xué)存在一些問題，引起了一線教師的關(guān)注與研究。

1.課程綜合性強、知識面寬、儀器各類繁多的特點與課時有限之間的矛盾，給授課內(nèi)容篩選帶來挑戰(zhàn)[7-9]。若求全則勢必?zé)o法深入，而如果要深入講解則內(nèi)容范圍會大大受限，難以滿足學(xué)生多維度、個性化的學(xué)習(xí)需求。

2.儀器更新快速的特點和課程內(nèi)容滯后之間的矛盾，給課程的實用性帶來挑戰(zhàn)[7，8]。一些學(xué)校的課程，尤其是實驗課，在內(nèi)容上仍與本科生課程相差無幾，而即使一些教師能夠在課上引入最新的、前沿的內(nèi)容，待學(xué)生進行畢業(yè)課題研究及畢業(yè)工作時，仍會面臨跟不上儀器及技術(shù)的更新問題。

3.儀器復(fù)雜龐大且數(shù)量有限的特點與學(xué)生規(guī)模不斷擴大及實驗課少之間的矛盾，給學(xué)生動手能力的培養(yǎng)帶來挑戰(zhàn)。學(xué)生上機機會不足，操作生疏，甚至所學(xué)與所用相脫節(jié)。

4.研究生“儀器分析”課程的教學(xué)側(cè)重于知識講授而輕視認(rèn)知能力培養(yǎng)[8]。學(xué)生應(yīng)對課程考核仍以死記硬背為主，遺忘率高。這與上述三點矛盾相互作用、相互影響。

5.缺少適用于研究生“儀器分析”課程的教材。市場上的相關(guān)教材多適用于本科生課程或為綜合性大學(xué)所著，內(nèi)容滯后、以解題為目標(biāo)，且對研究領(lǐng)域的針對性不強。

二、研究生“儀器分析”課程教改成果

研究生“儀器分析”課程所存在的問題在近年研究生教育快速發(fā)展的背景下日益突顯。隨著研究生教育改革的不斷深入及教學(xué)資源的日益豐富，很多從事研究生“儀器分析”教學(xué)工作的教師對課程改革進行了大量的探索。

（一）更加強調(diào)技術(shù)的發(fā)展歷程與應(yīng)用

傳統(tǒng)的“儀器分析”課程重在講解儀器原理與數(shù)據(jù)解析，而對于儀器和技術(shù)的發(fā)展歷史、相應(yīng)的儀器分析技術(shù)在社會生活中的應(yīng)用等方面只是簡單提及。而對于儀器和技術(shù)的發(fā)展歷程和實際應(yīng)用的講解不應(yīng)只局限于科普性的介紹，更應(yīng)該使學(xué)生認(rèn)識到所學(xué)知識對與生產(chǎn)生活密切相關(guān)的諸多領(lǐng)域的迫切性和重要性，進而引發(fā)學(xué)生的好奇心，增強學(xué)生的責(zé)任感，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情。在課程內(nèi)容的調(diào)整過程中，通過個性化教學(xué)大綱設(shè)計處理授課內(nèi)容繁多與課時有限的矛盾是研究的重點[9]。

（二）多媒體教學(xué)技術(shù)的應(yīng)用更加靈活多樣

信息和電子技術(shù)日新月異的發(fā)展對教育行業(yè)的變革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。多媒體教學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于從小學(xué)到大學(xué)、從學(xué)歷教育到課外輔導(dǎo)培訓(xùn)、從線下教育到線上教育的各個方面。由于多媒體的介入，很多儀器原理抽象、實物不便于課堂展示、操作方法動態(tài)性強、圖譜不便于板書等制約傳統(tǒng)課堂教學(xué)效果的問題得到了很好的解決，圖像、視頻錄像、動畫、專業(yè)軟件、虛擬技術(shù)等在“儀器分析”課程中早有介入[5，9，10 ]。

（三）組合授課模式日益受到青睞

教師有各自的研究領(lǐng)域，面對知識面寬泛的課程內(nèi)容難以精通所有方面，并且對于具體的儀器操作技巧和注意事項等內(nèi)容可能認(rèn)識略有欠缺。一些學(xué)校嘗試多位教師合作授課的方式，將教師只分班不分課時的授課方案改為分別講授自己最精通的領(lǐng)域，并啟用管理儀器的實驗專業(yè)技術(shù)人員參與教學(xué)活動中，在學(xué)生中均獲得了很好的反響[ 11 ]。

三、課程組對課程改革的創(chuàng)新性探索實踐

（一）碩博同堂授課，學(xué)分互認(rèn)

本課程組所在的江南大學(xué)食品學(xué)院面向研究生開設(shè)“高級儀器分析”課程，作為碩士生和博士生的學(xué)位課程。由于課程大綱相同、內(nèi)容相近，難免使在本校攻讀碩士學(xué)位的博士研究生重復(fù)聽課，出現(xiàn)上課積極性差、考勤困難的現(xiàn)象。于2019年起，在學(xué)院和學(xué)校研究生院的支持下，本課程組試點嘗試將碩士生和博士生課堂合并，并推進研究生院對二者的學(xué)分互認(rèn)工作，即碩士階段獲得本課程學(xué)分后，若在本校繼續(xù)攻讀博士學(xué)位，仍然認(rèn)可本門課程的學(xué)分，以此提高學(xué)生的學(xué)習(xí)時間利用效率。

（二）培養(yǎng)認(rèn)知能力重于傳播知識

進行碩博同堂授課所面臨的最大挑戰(zhàn)是：我們到底要教學(xué)生什么？通過對目前國內(nèi)研究生“儀器分析”課程所存在問題的分析：課程綜合性強、知識面寬、儀器種類繁多的特點與課時有限之間的矛盾，儀器更新快速的特點和課程內(nèi)容滯后之間的矛盾，儀器復(fù)雜龐大且數(shù)量有限的特點與學(xué)生規(guī)模不斷擴大及實驗課少之間的矛盾。這些問題共同導(dǎo)致教學(xué)仍側(cè)重知識講授而輕視認(rèn)知能力培養(yǎng)，試圖在有限的課程條件下向?qū)W生傳授盡量多的知識點，然而學(xué)生在應(yīng)試思維的慣性下，雖然能通過課程考試，但在未來的科研實踐中仍難免不知所措。因此，本課程組認(rèn)為，相比于傳授知識點，授課重點應(yīng)更側(cè)重于對學(xué)生認(rèn)識能力的培養(yǎng)和視野的拓展，而所謂的知識點只是載體而不應(yīng)成為學(xué)習(xí)的主體。認(rèn)知能力是創(chuàng)造力的基礎(chǔ)，而創(chuàng)造力是對研究生能力培養(yǎng)的重點。達(dá)沃斯世界經(jīng)濟論壇在2018年發(fā)布了未來5年的人才趨勢報告《未來的工作》，匯總了全球各行業(yè)的領(lǐng)軍人物對未來人才核心能力的投票預(yù)測。在2018年被選為第一大能力的“分析和創(chuàng)新能力”在2020年依然位居首位[ 12 ] （P177）。另外，課堂上的知識點可能無法應(yīng)用于學(xué)生日后的科研工作中，即使用到也很可能是“過時”的;而在學(xué)生進行科研工作時，如果具備較強的認(rèn)識能力，即使遇到課上沒講到的知識也能夠進行自主學(xué)習(xí)，即使用到更新型的儀器或技術(shù)也能夠迅速掌握，即使面對從零開始的實驗操作也能夠很快熟練。

（三）破除記憶依賴

為使學(xué)生轉(zhuǎn)換多年以來養(yǎng)成的應(yīng)試學(xué)習(xí)思維，在教學(xué)時本課程組明確不要求學(xué)生死記硬背。

1.學(xué)生學(xué)習(xí)知識是為了應(yīng)用。而基于儀器的特點，將來在應(yīng)用這些知識時不會處于閉卷考試的狀態(tài)，而是具備充分查閱信息的條件。現(xiàn)如今，依托高度發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)和學(xué)生獲取信息的能力，課堂上死記硬背并非必要。

2.隨著科學(xué)技術(shù)和相關(guān)知識體系的發(fā)展，所講授的內(nèi)容會不斷進行動態(tài)調(diào)整。未得到充分理解的記憶，反而可能會給學(xué)生在知識運用方面帶來不利的影響。

3.對于學(xué)生個體而言，課程特點決定了一些儀器知識在以后的工作中并不會用到，僅為課程考核而強行記憶并無必要。

4.對于學(xué)生確有必要記住的底層知識點，要求任課教師做到多次提及、前后呼應(yīng)、多維解讀，使學(xué)生在不斷加深理解的過程中自然而然地記住知識。

5.在評閱試卷過程中，對于涉及基礎(chǔ)知識、基本概念的題目，如果學(xué)生作答與教師課上所講完全一致，并不會給予學(xué)生高分，而對于加入個人理解的作答，則會給予較高的分?jǐn)?shù)。這一評分原則在開課之初即明確告知學(xué)生。

（四）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

基于上述教學(xué)目的和教育思路，我們對教學(xué)大綱的內(nèi)容安排進行了大膽改進。

首先，對相關(guān)課程進行整合并大量縮減儀器種類。將原學(xué)術(shù)型碩士研究生學(xué)位課“圖譜解析”和“色譜分析”合并為“高級儀器分析”，并選取最具代表性的色譜、質(zhì)譜、光譜儀器及相關(guān)技術(shù)為依托，通過所講儀器和分析技術(shù)，使學(xué)生掌握儀器分析的一般思路，并培養(yǎng)舉一反三的能力。

其次，涉及儀器及技術(shù)原理的內(nèi)容大多枯燥抽象，不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[ 13 ]，因此，在講授相關(guān)內(nèi)容時，引入大量歷史小故事以吸引學(xué)生的興趣，并引發(fā)學(xué)生對科學(xué)家如何將科學(xué)思想和創(chuàng)新意識應(yīng)用于新工具、新方法的思考。雖然技術(shù)會“過時”，但這種科學(xué)思維和解決問題的思路卻不會過時，幾十年甚至幾百年前的故事依然能帶給學(xué)生很大的觸動。正如王立群教授所言，歷史，不論是用現(xiàn)在解釋過去，還是用過去解釋現(xiàn)在，與現(xiàn)在都脫不了干系，歷史從來就沒有離開當(dāng)下[ 14 ]。自然科學(xué)的歷史亦是如此。

再次，在課上分享往屆學(xué)生的科研實例。作為一門應(yīng)用性課程，“高級儀器分析”在學(xué)生日后的科研生涯中發(fā)揮著巨大的作用。學(xué)生在科研實踐中遇到問題也非常愿意和任課教師探討解決之道。這種剝繭抽絲般揭開謎團的過程對科學(xué)思維的培養(yǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了刷題的效果，是非常寶貴的教學(xué)素材。將近幾屆學(xué)生解決科研實際問題的案例在課上與學(xué)生進行分享，既使學(xué)生感到親切，又能使學(xué)生體會到課程的價值并不僅僅是為了考試，培養(yǎng)了學(xué)生“不唯書、不唯上”的辯證思維和方法論，對研究生將來更好地參與科研工作具有非常積極的意義。

最后，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。為解決課上講授知識有限的問題，要求學(xué)生準(zhǔn)備一個多媒體課件作為平時作業(yè)，并抽取一定比例的學(xué)生在課上對自己的課件進行展示。課件內(nèi)容僅要求與課程相關(guān)而并不局限于教師所講的內(nèi)容，因此，學(xué)生可以通過查閱資料、請教師長等途徑，對課上教師沒有講授但自己可能會用到的儀器及技術(shù)進行自主學(xué)習(xí)。而這種通過講給別人而學(xué)習(xí)的效果，要大大好于被動接受式的學(xué)習(xí)[ 12 ] （P13）。

（五）中國傳統(tǒng)文化的科學(xué)哲學(xué)思想

近現(xiàn)代自然科學(xué)知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)建立于西方，中國傳統(tǒng)文化體系雖與之大相徑庭，但傳統(tǒng)文化中有很多哲學(xué)思想對于科學(xué)研究工作仍具有指導(dǎo)意義。教育部在高校招生改革措施中所推出的“強基計劃”[ 15 ]大力提升人文科學(xué)的分量、加速建設(shè)文化強國。近年來，國內(nèi)很多學(xué)者在科學(xué)研究中不忘中國傳統(tǒng)文化，在世界一流期刊發(fā)表的科研論文用中國古代傳說作為封面文章[ 16-20 ]，努力向世界講好中國故事。

本門課程雖是工科研究生學(xué)位專業(yè)課程，但對學(xué)生人文素養(yǎng)的培養(yǎng)非常重視。對于課程中涉及的一些費解的現(xiàn)代物理學(xué)知識，嘗試引入中國傳統(tǒng)文化中的部分哲學(xué)思想。比如，將現(xiàn)代物理學(xué)概念與程朱理學(xué)思想進行對比;在講授量子力學(xué)時，引用《老子》第四十一章的“上士聞道，勤而行之;中士聞道，若存若亡;下士聞道，大笑之。不笑，不足以為道”以幫助學(xué)生正確面對不理解的內(nèi)容;在講解測不準(zhǔn)原理時，介紹諸子百家“飛鳥之景未嘗動也”的辯題引發(fā)學(xué)生思考;通過《莊子·齊物論》“其分也，成也;其成也，毀也。凡物無成與毀，復(fù)通為一”的思想，幫助學(xué)生正確面對實驗失敗及數(shù)據(jù)異常等問題，既能調(diào)節(jié)課堂氣氛，又能幫助學(xué)生多維度地理解科學(xué)精神與科學(xué)思想。

（六）課程考核

本課程的考核以平時成績和期末考試相結(jié)合的方式進行，平時成績重在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和提升自我價值，對這三種學(xué)生給予加分：一是在平時作業(yè)中能夠認(rèn)真思考并有獨到見解的學(xué)生;二是能夠?qū)處熤v授內(nèi)容提出質(zhì)疑并能進行論證的學(xué)生;三是積極參加公益活動對社會有所貢獻的學(xué)生。

期末考試采取閉卷筆試的形式。我們認(rèn)為學(xué)生對開卷考試往往不夠重視，不利于認(rèn)知型培養(yǎng)理念的落實。但如前文所述，為破除學(xué)生的記憶依賴，我們應(yīng)在命題和閱卷過程中遵循以下兩點：一是命題以開放性題目為主，不設(shè)標(biāo)準(zhǔn)答案，給予學(xué)生發(fā)揮的空間;二是對于涉及的基本定義、概念解釋等內(nèi)容，對能自己組織語言作答者的給分將高于完美背誦者的分?jǐn)?shù)。以上兩點需在考前輔導(dǎo)課上均充分、明確地告知學(xué)生，這樣才能在整個教學(xué)過程的最后一環(huán)依然貫徹“認(rèn)知能力重于知識點”的教學(xué)理念。

四、結(jié)語

本課程組對本單位研究生學(xué)位課“高級儀器分析”基于認(rèn)知能力培養(yǎng)的教學(xué)理念進行了大膽的改革，使授課過程能夠幫助學(xué)生理解、引發(fā)學(xué)生思考，改變學(xué)生依賴于記憶的應(yīng)試學(xué)習(xí)習(xí)慣。在此基礎(chǔ)上精心設(shè)計授課內(nèi)容和考核方式，突出科學(xué)歷史、研究實踐和傳統(tǒng)文化哲學(xué)在授課中的作用，并創(chuàng)新性地嘗試碩士生和博士生同堂授課及學(xué)分互認(rèn)。這些改革措施較好地解決了研究生“儀器分析”課程中一直存在并日益凸顯的問題。比如，內(nèi)容寬泛與課時有限、更新快速與內(nèi)容滯后、實踐性強與實驗課不足、能力培養(yǎng)與應(yīng)試慣性等矛盾問題，為未來科研人才的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)，做出了積極的貢獻。

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Course Reform of Instrumental Analysis for Postgraduates Based on the Cultivation of Cognitive Ability

ZHANG Yi， SUN Xiu-lan， WANG Wen-long

（School of Food Science and Technology， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214122， China）

Abstract： The Instrument Analysis course for graduate students in colleges and universities has the characteristics of strong theory， practicality， comprehensiveness， innovativeness and covering a wide range， which causes difficulties in teaching arrangement and leads to outdated course content. With the rapid development of science and technology in related fields， similar problems have been increasingly emerging. The reform and exploration in teaching practice are mainly embodied in the following aspects： the innovative attempt to teach master and doctoral students in the same class and the mutual recognition of their credits; the design of the teaching content and evaluation methods following the concept that cultivating cognitive ability should be more emphasized than spreading knowledge so as to help students get rid of their dependence on memory; integrating the philosophy of Chinese traditional culture into the teaching process and cultivating students’ analysis and innovation ability.

Key words： cognitive ability cultivation; graduate student education; Instrumental Analysis course

3172501908278