以“量”為核心，多元科教融合培養創新型分析化學人才的實踐

張卓旻，余忠寧，陳穎詩，代寒冰，李攻科

中山大學化學學院，廣州 510275

分析化學是以量為核心的科學，是重要的化學專業基礎課程，也是專業化學人才培養不可或缺的內容。目前，在建設創新型國家的新征程上，需要解決許多重大國計民生領域“卡脖子”的關鍵核心技術問題，分析化學發揮著重要的作用。分析化學在本科化學專業教育中一般依托化學分析和儀器分析兩個課程模塊(含實驗)進行人才培養，如果從“量”的維度上看，其教學內容是逐漸從“常量”分析向“痕量”“超痕量”分析過渡[1]。從常量分析向痕量分析的知識學習過程，是從分析化學經典知識向更廣闊前沿領域深入學習的過程，若僅依托有限學時的課程教學，學生往往無法對現代分析化學的方法、技術、策略及前沿有全面的了解和深入的認識。目前，國內許多高校化學學科都積極將相對成熟的科研實驗與本科教學相結合[2,3]，開拓科教融合的本科人才培養新模式[4]。

中山大學化學學院是首批擁有國家理科基礎科學研究與教學人才培養基地和國家實驗教學示范中心的單位，在人才培養工作上，一直以來認真落實國家“立德樹人”的教育方針，努力踐行學校“德才兼備、領袖氣質、家國情懷”的“十二字”人才培養目標及“興趣驅動、自主實踐”的原則。尤其近年來，分析化學學科根據學科特點，針對不同層次的本科生，以“量”為核心，注重開展科研訓練與課程教學相融合的多元“科教融合”人才實踐，使學生收獲全景化的分析化學視野，扎實培養學生的創新創造能力。現將初步獲得的一些經驗撰寫成文與讀者分享。

1 多元科教融合人才培養方法簡介

科教融合人才培養模式首先依托分析化學學科完整的課程體系進行基礎知識及實驗技能的傳授。中山大學化學學院分析化學課程體系貫穿于本科教學的全過程，包括大一的化學分析及實驗，大二的儀器分析及實驗，大三的現代分離與分析，大四的綜合化學實驗及本科畢業論文，期間還穿插化學進展、科研技能訓練及化學前沿等科教融合課程。學生通過完整修讀完分析化學相關主干課程，將清晰地建立以“量”為核心的學科概念，并系統掌握從常量分析到痕量分析的分析化學基礎知識及相關實驗技能，為進行各階段的科研訓練打下堅實基礎；通過科教融合課程的學習，學生將獲取分析化學的前沿知識，進一步激發學生的科學探索熱情和創新意識。

除了完備的課程體系，中山大學化學學院分析化學學科形成了形式多樣、覆蓋本科培養全過程的課外多元科研訓練體系，與本科各階段的課程教學充分融合，為培養學生的創新創造能力提供強大助力。首先，中山大學化學學院面向全體本科生實行全程導師制，學生在進入本科學習階段之初就由匹配的專任導師引導本科生明確學業發展目標，做好學業發展規劃。大一所有本科生均配備導師，由導師對本科生大學四年的學業及人生規劃進行指導，使學生能順利地由高中學習階段向大學學習階段過渡。在課程學習上，指導學生專業課程的學習方法，引導學生了解專業前沿知識，促進學生將所學專業知識與社會需求結合進行創新融合，培養學生的創新實踐能力。在科研能力培養上，導師結合自身研究方向，指導學生進入實驗室開展科學研究，并對學生參加各類科研項目或學術競賽給予專業指導。分析化學全程導師通過引導學生分析化學相關課程學習，結合小組討論等形式，將所學知識與食品安全分析、疾病診斷分析、環境分析等社會實際需求關聯，為學生打下初步的“量”的概念。

從大二開始，中山大學化學學院設立了各類本科生科研訓練項目，如大學生創新創業訓練計劃項目、實驗室開放基金項目等，依托項目和導師組，進一步規范培養學生的科研思維、創新意識、實驗技能等，提升學生的創新實踐能力，促進學生對所學理論知識的拓展與應用。分析學科老師在這一階段引導學生將所學的化學分析及儀器分析課程知識與分析科學前沿或社會需求相結合，進行科研訓練項目申報。近年來，分析學科學生申報的本科生科研訓練項目涵蓋了食品、藥品、生物、環境等復雜樣品的分析方法研究及應用，如“ZnO@Au@Ag陣列表面增強拉曼基底的構建及其在食品安全分析中的應用研究”“手性多孔材料在手性藥物分離分析中的應用”“基于三螺旋修飾DNA探針的microRNA靈敏檢測方法研究”“基于智能手機和微流控芯片的快速檢測裝置的研制及應用”等。學生在這一階段對“量”的認識將逐步從化學分析的常量維度向儀器分析的微/痕量維度過渡。在項目申報過程中，學生凝練科學問題和研究方案時需充分考慮各種方法對于解決實際分析檢測問題的有效性和可行性，有效加強了學生對各種維度“量”的概念的理解。在項目實施過程中，學生會碰到各種各樣“量”的問題，比如條件優化過程的濃度水平是否合適，加標回收濃度水平如何設定等。通過與導師組討論，學生在解決實驗具體問題的同時，進一步深化了對分析化學“量”的核心概念的理解。

在科研訓練項目結束后，學生如果對導師組研究方向感興趣，還可以通過申請“提前進入實驗室”項目，繼續在導師組指導下深入開展科學研究。比如，有的學生經過科研訓練項目的研究，對食品或日化品安全快檢技術產生濃厚的興趣，并且具備一定的科研背景知識及實驗基礎。為此，導師組引導學生對相關快檢技術研究進展進行文獻資料調研，經過調研及討論，學生逐步了解到發展適于快檢技術的微型化分離富集技術，對于提高快檢技術實際應用過程的靈敏度、準確度具有重要意義。隨后，學生基于導師組科研項目的背景框架及導師的指導，選擇一個具體、力所能及的體系開展后續的定量快檢技術研究[5,6]。“提前進入實驗室”項目是科研訓練項目的延伸，在科研訓練項目階段，側重專業知識的夯實及實驗技能的訓練；而在“提前進入實驗室”項目階段，學生因為已具備相應的專業知識及科研實驗技能，一般會在導師組指導下參與導師組相關科研項目如國家基金、省部級項目的前沿研究，進一步提升科研能力。

通過大一到大三全體系的科研訓練，學生已具備一定的科研能力，進入大四后，學生就會通過選題進入相關方向的導師團隊開展本科畢業論文研究。本科畢業論文既是本科階段的最后一門必修課，也是幾年科研訓練結果的集中展示。在這一階段，學生會在導師的指導下，獨立經歷文獻資料調研–選題–討論形成研究方案–實驗研究–論文撰寫–答辯的完整科研過程，將本科階段所學的專業知識及所獲得的科研能力進行實際應用。在此過程中，導師組將引導學生獨立開展綜述文獻資料調研，發現科學問題，了解同類研究工作的國內外研究現狀，明確研究意義與目的，從而確定選題。隨后，討論形成具體研究方案，并引導學生安全科學規范地開展實驗研究，在研究過程中定時與導師交流進展，調整方案并嘗試獨立解決實驗難題，從而引導學生在獨立開展實驗的同時，及時總結研究進展，并完成論文撰寫與答辯，給本科學業畫下完美的句號。

除了科研訓練項目及相關課程，在本科四年的學習過程中，學院也通過舉辦化學實驗技能大賽、化學節活動及各類學術講座，為學生提供更多提升科研興趣及能力的機會。化學實驗技能大賽作為平時實驗教學的延伸，是化學類本科生教育教學的實踐環節之一。多年來，分析化學學科通過化學實驗技能大賽，將“量”的核心概念融入競賽環節，加深學生對課堂所學理論知識的理解并能在實驗中加以正確應用，有效提升學生的實驗動手能力，開發學生的科研潛質。如“四種金屬離子混合液的定性和定量分析”實驗要求學生根據所學知識在限定時間內確證混合液中Fe3+、Cu2+、Ni2+、Pb2+的存在，并采用絡合滴定分析測定各組分含量。此外，學院還組織了化學節的相關活動，主要包括科研樓開放日、文獻閱讀大賽、本科生科研交流會等，為學生切實感受學院的科研、學風環境提供了機會，為培養和提高學生創新意識和創新能力，激發學生研究興趣提供了良好的平臺。

根據不同本科學業階段專業知識的教學進程及本科生專業能力發展要求，開展因材施教的多元“科教融合”人才培養，可以有效幫助學生從分析化學基礎課程學習掌握“量”的核心概念，并通過系列科研訓練進一步深化并應用“量”的核心概念，提升創新精神和實踐能力，為分析化學創新型人才培養打下堅實的基礎。以“量”為核心，多元科教融合培養創新型分析化學人才的實踐方法，如圖1所示。

圖1 以“量”為核心，多元科教融合人才培養模式示意圖

2 人才培養模式的實踐經驗總結

中山大學分析化學學科以“量”為核心，開展多元“科教融合”創新型人才模式已有超過20年的實踐過程。選取8位本科階段參與過分析學科多元“科教融合”創新型人才培養的畢業生或繼續深造學生進行回訪，調查統計歸納于表1中，具體調查結果如下。

表1 分析化學多元科教融合歷屆參與學生回訪調查結果統計

案例1：2007屆本科畢業生，2013屆分析化學博士畢業生。在本科階段，作為負責人完成開放性實驗項目，并在分析化學方向完成本科畢業論文。分析化學博士畢業后，“跨界”成為一名公共衛生與預防醫學學科的教師。目前從事衛生檢驗檢疫方向的教學、科研和服務工作，同時也是具備法醫毒物和微量物證鑒定資質的司法鑒定人。該生認為，衛生檢驗檢疫是公共衛生的“眼睛”，為公共衛生安全問題的解決提供重要的數據支撐。這一過程必須貫徹“量”的概念，準確獲取數據，控制數據質量，并科學有效地挖掘和運用數據，讓結論判斷有據可依，讓應對策略有章可循。司法鑒定對“量”的要求非常嚴苛，一旦偏頗，容易使不法分子逃出法網，出現冤假錯案。該生對于“量”的理解源于分析化學的課程學習和科研訓練，在參加工作后進一步認識到“量”是非常核心和基礎的概念，蘊含了“方法論”的原理，為許多實際問題的解決提供了很好的思路和支撐。

案例2：2011屆本科畢業生，2013屆分析化學碩士畢業生，2019屆博士畢業生。本科階段在分析化學方向完成本科畢業論文，目前在高校食品科學與工程學院從事脂類科學與酶工程領域的研究工作。該生認為，分析化學中對復雜樣品的前處理與定量分析，是深入開展脂類研究及酶工程研究的重要前提。他認為，以“量”為核心的分析化學是科學技術的“眼睛”，化學及其他相關學科在開展研究工作時往往需要借助分析化學的思路、技術和手段。本碩階段分析化學多元科教融合的人才培養方法，不僅令他系統掌握了科學研究的方法與技能，塑造了他嚴謹求實的科學態度、細致踏實的工作作風，更提高了他從事交叉學科科學研究的綜合素質與創新能力，對他現在的工作起到強有力的支撐作用。

案例3：2011屆本科畢業生，2014屆分析化學碩士畢業生。本科階段曾參加學院實驗技能大賽，并組隊參加“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽，在分析化學方向完成本科畢業論文。該生目前從事科技情報研究與服務工作，主持廣東省軟科學項目，并作為骨干參與完成了多項省市級項目。該生認為經過本科階段分析化學的課程學習及科研訓練，深植“量”的概念。在分析化學研究中，必須通過系統科學的定性定量分析才能獲得最終的研究結論，這培養了該生從準確獲取數據出發，通過嚴謹的大數據分析，提取關鍵信息的工作思路及方法。從“量”出發，通過“量”的現象看本質，不僅是分析化學的重要內涵，也是其他領域(如情報研究領域)科研創新工作的中心思想。

案例4：2014屆本科畢業生，2016屆分析化學碩士畢業生。在分析化學方向完成本科畢業論文，建立了基于原子熒光光譜法的汞元素形態分析方法；在攻讀碩士學位階段，開展了衍生化表面增強拉曼光譜技術在食品安全分析中的應用研究。本碩階段的學習及研究，使他認識到分析方法盡管原理各不相同，但是對“量”的準確測定目標卻始終相同。該生目前在疾病預防控制機構從事化學污染物與放射性檢測工作。工作期間，他不僅接觸到了更多方法學上的“量”(如有證標準物質標準值、不確定度等)，還接觸到了許多公共衛生、食品安全等應用方面的“量”(如限值、指導值、合格率等)。該生認為，從本科課程學習產生“量”的初印象，到畢業論文研究對“量”的親身實踐，再到攻讀碩士學位時期望在“量”的指標上有所突破，直至工作中對“量”的深度學習與研究，“量”的概念貫穿其所有經歷，在經歷中不斷豐富和完善，并將繼續伴隨其前行。

案例5：2018屆本科生，2018級分析化學碩博連讀研究生。本科階段參加實驗室開放基金項目，在分析化學方向完成本科畢業論文。研究生階段開展復雜樣品化學發光快速分析方法研究，目前已以第一作者身份在Anal. Chem.等期刊發表文章。該生認為，分析化學學科完整的“科教融合”人才培養模式為其后續繼續深造、開展分析化學前沿研究奠定了良好的專業基礎。由于本科階段參加科研訓練項目，積累了一定的實驗技能，對“量”的概念有了更加深入的了解，使其具備獨立完成課題的能力。在博士深造過程中，該生科學運用“量”的概念，將循環化學發光法應用于區分鑒定復雜的混合物，通過系統計算新方法與傳統色譜方法之間的相對誤差，對新方法可靠性進行了深入論證。

案例6：2018屆本科畢業生，2021屆分析化學碩士畢業生。本科階段參加實驗室開放基金項目，在分析化學方向完成本科畢業論文。碩士期間，開展復雜樣品中痕量危害因子快速分析方法研究。畢業后，將從事石化油品質量管理工作，須深度學習石油行業中各項“量”的指標，包括控制油品質量的“6σ”法則及各類質量管理標準，建立和完善質量保障體系，對采購、儲存、配送和銷售等環節的油品嚴把質量關，并對售后質量問題認真分析調查，妥善解決。該生認為，本碩階段分析學科的多元科教融合培養使其對“量”的認識逐漸深入，塑造了細致入微、嚴謹求真的工作風格。對“量”的概念的嚴格把握，為其在未來工作中嚴把“質量”關，對易疏忽的質量安全問題及時查漏補缺，提供了良好的專業背景及技能，并最終形成就業核心競爭力。

案例7：2019屆本科畢業生，2020級分析化學碩士研究生。該生大二暑假進入課題組，學習了多種實驗操作與儀器使用，之后參與了實驗室開放基金項目，并在分析化學方向完成本科畢業論文。本科階段系統的多元科教融合培養過程使該生對分析化學的科研方法及規范有了更深刻的認識。該生在科研訓練中遇到氣相色譜分離目標峰時分離度不高且基線噪聲大的問題，采用常規措施仍難以解決，后來通過分析化學課程所學的傅里葉變換法處理數據成功降低噪聲，既提高了檢測靈敏度，也使寬峰信息得到有效利用。該生在此過程中深刻體會到科教融合的科研訓練既加深了對課堂中所學“量”的概念的認識，又通過實踐將分析化學基礎知識更高層次地應用于前沿研究并取得突破，為繼續深造帶來科研方法學的有力支撐。

案例8：2021屆本科畢業生。在分析化學方向完成本科畢業論文，研究生階段轉方向至市場營銷專業。該生認為看似跨度很大的兩個專業其實有很多共通的地方。分析化學研究目標主要是采用各種方法針對物質進行準確定性定量分析，而市場營銷則是通過分析產品及消費者行為提供重要的商業參考信息。對于量的概念初識于大一化學分析及實驗課，而本科畢業論文研究則進一步加深了該生對“量”的理解。其畢業論文研究了煙草產品售賣期氣味成分含量的變化，讓該生聯想到在市場營銷學中可以通過分析廣告投放時間與觀眾的新鮮感和關注度之間的關系，以確定最佳廣告投放期，既可產生好的推廣效果，又避免了投放期過長成本高的情況。該生認為學習分析化學不僅提高了自己分析問題、解決問題的能力，也提供了很多創新的研究思路，可以用于未來市場營銷學的研究。

從上述較長時間跨度的對畢業生的調查說明，以“量”為核心，多元“科教融合”的人才培養模式，對分析化學創新型人才培養具有良好的效果。學生通過分析化學本科基礎課程的學習，初步建立了“量”的概念，進而通過多元科研訓練項目及畢業論文的研究，進一步加深了對分析化學各維度“量”的認識，鍛煉了科研創新能力。根植于心的“量”的概念及所獲得的創新實踐能力，為學生畢業后進一步深造或從事各種類型的工作提供了強大助力。

3 總結與展望

二十多年來，中山大學分析化學學科堅持以“量”為核心，在本科教學的各個階段采用相應的多元科教融合方式，培養創新型分析化學人才。通過本科各階段的分析化學課程學習，使學生獲得并建立“量”的概念；在多元的科研訓練中，學生通過發展各種靈敏、準確的分析方法，準確測量各維度的“量”，印證課堂教學中的“量”的概念，并進一步深化對“量”的認識，對提升學生的科研動手能力及培養學生的創新、創造精神具有重要意義。經過多元科教融合培養的學生大多具備扎實的專業基礎知識和嚴謹的“量”的概念，在畢業后進一步深造或從事各種工作時，展現出良好的創新實踐能力，為深造及就業打下良好的基礎。綜上所述，以“量”為核心，多元“科教融合”的分析化學人才培養模式，可使學生收獲全景化的分析化學視野，較好地培養了本科生的創新創造能力。今后，可以進一步發揮分析化學學科特色，將以“量”為核心，多元科教融合人才培養方法結合國家需求，為建設創新型國家培育更多優秀人才。