分析化學(一)教學與科研互促的實踐探索

譚亮，陳超，魏琳，譚月明，馬銘

湖南師范大學化學化工學院，長沙 410081

黨的十九大以來，我國高等教育進入內(nèi)涵式發(fā)展新階段。教育部陸續(xù)推出“四新”建設、“六卓越一拔尖”計劃2.0、一流專業(yè)建設“雙萬計劃”、一流課程建設“雙萬計劃”等一系列舉措，打響新一輪全面振興本科教育攻堅戰(zhàn)[1]。2019年，教育部印發(fā)《關于深化本科教育教學改革 全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，推出22項措施深化本科教學改革，落實學生忙起來、教師強起來、管理嚴起來、效果實起來的系統(tǒng)部署。文件明確提出“全面提高課程建設質(zhì)量，推動科研反哺教學”，要求教師加強課程體系整體設計，提高課程建設規(guī)劃性、系統(tǒng)性，及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，激發(fā)學生專業(yè)學習興趣[2]。

分析化學是化學專業(yè)的專業(yè)核心課程之一。根據(jù)教學內(nèi)容該課程一般分為分析化學(一)和分析化學(二) (或上、下)兩部分，分別講授化學分析和儀器分析基本原理和基礎知識[3,4]。我?；瘜W專業(yè)分析化學課程目標包括：1) 學生掌握分析化學基本理論、基礎知識和計算方法，了解常用儀器的構(gòu)造；2) 能夠根據(jù)分析任務選擇合適的方法；3) 形成發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、研究問題的綜合能力；4) 具有嚴格的“量”的概念，培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度、嚴謹務實的工作作風和良好的創(chuàng)新精神。分析化學第一次變革催生了化學分析知識體系的建立，第二、三次變革促成了儀器分析方法的涌現(xiàn)和迅速發(fā)展。現(xiàn)代分析化學科學研究建立在各種靈敏、快速的儀器分析方法基礎之上，因此，分析化學(二)教學與科研的相互促進得以實現(xiàn)，一些研究成果相繼推出[5–8]。分析化學(一)的講授內(nèi)容多為基礎知識和經(jīng)典理論，通常認為與目前研究熱點的關聯(lián)程度不高，教師將該課程的教學與科研有機結(jié)合存在一定的難度，學生容易產(chǎn)生“知識過時”或“知識無用”的誤解。

1 分析化學(一)教學與科研互促的可行性

筆者所在的分析化學(一)課程教學團隊由中青年教授、博士組成，大部分教師承擔該課程教學多年，教學經(jīng)驗豐富，對課程目標和知識體系有較深刻的了解。教師的科學研究涉及電分析、光分析和色譜分離分析等領域。因此，實現(xiàn)課程教學與科研的相互促進具有良好的人員基礎。

在高等教育課程教學中，將科研成果融入/轉(zhuǎn)化教學內(nèi)容一直是培養(yǎng)學生科研思維和創(chuàng)新能力的有效手段[9,10]。另一方面，一些教師在備課和教學過程中能夠產(chǎn)生研究靈感[11]，教師通過教學可以深入了解學科發(fā)展前沿及其動態(tài)，有助于理清科研思路[12]。分析化學(一)雖然主要講授化學分析基礎知識，但后者對于開展分析化學科學研究不可或缺。不少依托儀器分析的科研創(chuàng)新在局部工作中涉及分析化學經(jīng)典理論和基礎知識(如平衡理論、誤差和數(shù)據(jù)處理等)，這為開展教學與科研相互促進的探索提供了條件。

2 分析化學(一)教學與科研互促的實踐探索

教學團隊秉承“學生中心”理念，針對分析化學理論課和實驗課開展了教學模式和教學方法改革[13,14]。為了實現(xiàn)分析化學(一)教學與科研的相互促進，教學團隊進行了積極探索。

2.1 科研成果融入教學內(nèi)容

筆者在分析化學(一)課程教學過程中精心挑選了一批分析化學科研論文作為教學素材和課外閱讀資料，其中以刊載教師本人科研成果的論文為主，賦予了該課程明顯的特征。

在講解“酸堿緩沖溶液”以及“配位滴定滴定劑EDTA性質(zhì)”知識點時，教師展示了三篇文獻[15–17]。這些文獻報導了筆者近年來在血管內(nèi)皮細胞損傷標志物血栓調(diào)節(jié)蛋白(TM)、血管性血友病因子(vWF)和內(nèi)皮素-1 (ET-1)檢測方面的研究工作，涉及壓電傳感、電化學測量等不同的分析方法。教師以pH 7.4生理磷酸鹽緩沖溶液(PBS)開場引入酸堿緩沖溶液的概念，推導緩沖溶液pH計算公式后，要求學生討論并設計一定體積0.1 mol·L?1pH 7.4 PBS配制的實驗方案，教師進行點評和總結(jié)，讓學生知曉無論是在化學分析還是儀器分析中緩沖溶液都是最常用的試劑之一。在講授EDTA性質(zhì)時，以“細胞消化液中為何含有EDTA”為題給學生布置課外閱讀作業(yè)，要求查閱相關科研文獻撰寫微報告，豐富了平時考核的方式。上述實例的運用，目的在于使學生了解基礎知識的實際應用價值，培養(yǎng)探索精神，也給學生傳遞了重要的理念：現(xiàn)代科學研究的基礎是不同學科知識的交叉融合。

在講解“物質(zhì)對光的選擇性吸收”知識點時，教師選擇報導熒光檢測TM的文獻[18]。在該研究中，筆者的研究小組分別合成了納米金和抗體修飾納米金并測量了兩者分散液的紫外-可見吸收光譜。課堂教學中，教師首先展示了酒紅色納米金溶液和紫紅色的抗體-納米金復合物溶液的圖片，要求學生基于互補色原理預測兩者吸收峰的大致位置(500–560 nm)，之后教師展示實驗測量的吸收曲線。隨后，教師組織學生分組討論為何抗體-納米金復合物相對于納米金其吸收峰位置會發(fā)生紅移。通過預測–驗證–討論–總結(jié)等一系列師生高效互動環(huán)節(jié)，營造活躍的課堂氛圍，實現(xiàn)課堂教學由“教師中心”到“學生中心”的轉(zhuǎn)變。

在講解“回歸分析法”知識點時，教師介紹回歸方程相關公式后，提供上述四篇文獻[15–18]中諧振頻率變化值(Δf0)、熒光強度差值(ΔF)、電流強度差值(ΔI)和檢測物TM、vWF和ET-1的濃度c等實驗數(shù)據(jù)，要求學生現(xiàn)場計算截距、斜率以及相關系數(shù)，確定一元線性回歸方程，并將利用Excel/Origin/Sigmaplot等軟件進行線性擬合作為課后作業(yè)布置。在教學中采用真實科研實驗數(shù)據(jù)，旨在拉近低年級學生與科學研究的距離，經(jīng)典公式和計算機技術(shù)的先后使用有望加深學生對知識點的掌握程度。

為了考查科研成果融入教學內(nèi)容對學習效果的影響，筆者對73位同學發(fā)放了調(diào)查問卷，收回有效問卷72份，調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 科研成果融入教學內(nèi)容對學習效果影響的調(diào)查結(jié)果

調(diào)查結(jié)果顯示，肯定“能夠加深對知識點的理解”和“有助于培養(yǎng)創(chuàng)新精神”的學生比例超過94%，肯定“能夠提升學習興趣”的學生比例接近96%，肯定“能夠初步了解科學研究的方向和內(nèi)容”和“討論環(huán)節(jié)體現(xiàn)了‘學生中心’理念”的學生比例超過97%，超過98%的學生希望在今后教學中加強科研成果的融入。這表明學生對科研成果融入教學內(nèi)容的做法持積極肯定態(tài)度。

筆者基于平時成績、期中成績和期末成績計算了近年來兩個年級該課程的課程目標達成度，結(jié)果見圖1。相對于2018級學生，實施了科研成果融入教學內(nèi)容改革的2019級學生的課程目標1、2和4達成度均有一定程度提高，特別是課程目標4 (具有嚴格的“量”的概念，培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度、嚴謹務實的工作作風和良好的創(chuàng)新精神)達成度由原先的低于預期值轉(zhuǎn)變?yōu)槁愿哂陬A期值，證明上述教學改革對學生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)具有良好的促進作用。

圖1 2018級和2019級分析化學(一)課程目標達成度結(jié)果

2.2 教學內(nèi)容啟發(fā)研究靈感

筆者講授分析化學(一)課程多年，一直在思考教學內(nèi)容能否為科學研究提供線索。近來筆者開展了痕量重金屬離子檢測研究，“配位化合物穩(wěn)定常數(shù)”知識點為筆者提供了靈感，為上述思考提供了突破口。在基于Fenton型反應電化學檢測Hg2+的研究論文中，制備了聚硫堇(PTH)和氨基化石墨烯量子點(af-GQDs)共同修飾的玻碳電極，基于配位化合物穩(wěn)定常數(shù)的差異性，利用Hg2+破壞Cu2+-硫脲絡合物、奪取硫脲配體從而釋放銅離子，導致Fenton效應恢復，實現(xiàn)了痕量Hg2+的間接電化學檢測[19]。在基于熒光檢測的研究論文中，合成了af-GQDs熒光探針，利用該熒光探針與Cu2+-PAN絡合物之間較強的熒光共振能量轉(zhuǎn)移導致的af-GQDs熒光猝滅，開展了痕量銅離子檢測，基于EDTA破壞Cu2+-PAN絡合物導致的af-GQDs熒光恢復，完成了EDTA的靈敏測量[20]。這些研究工作繼而被筆者作為知識點應用實例用于分析化學(一)的教學，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維，較好地實現(xiàn)了教學與科研的融合。

3 結(jié)語

教師在分析化學(一)教學中將科研成果融入教學內(nèi)容，并根據(jù)教學內(nèi)容產(chǎn)生了科學研究的靈感。除了本文研究涉及的知識點外，包括“質(zhì)量保證與質(zhì)量控制”和“常用的分離富集方法”等章節(jié)在內(nèi)的其他一些教學內(nèi)容與分析化學科學研究有著密切的關系。教師將選擇更多優(yōu)秀的科研成果作為知識點應用實例用于教學，同時根據(jù)教學內(nèi)容積極拓展科研思路。在“學生中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進”的課程建設理念指導下，教學團隊計劃創(chuàng)建一批基于教學科研互促的教學案例，努力打造一流課程，服務于新時代創(chuàng)新人才培養(yǎng)。