基于創新能力培養的化學專業本科實驗教學新體系的構建與實踐

章文偉，蘆昌盛，淳遠，俞壽云，朱成建

南京大學化學化工學院，化學國家級實驗教學示范中心，南京 210023

化學是一門理論與實驗并重、富有創造性的中心學科，其內容涵蓋物質的合成與反應、分離與提純、分析與鑒定、物質與功能、結構與形態、剪裁與組裝等[1]。隨著化學學科的發展，化學各主干二級學科之間，以及化學與生命、材料、環境、能源、信息、醫學、藥學等學科之間相互交叉融合，形成了一系列前沿交叉學科和領域，淡化了化學二級學科之間以及化學與其他相關學科之間的界限。因此，在科學技術高度發展的今天，需要化學工作者更多地在一級學科層面形成系統、連貫的學科思維，在傳統和經驗性研究模式的基礎上，能夠通過模擬、設計和控制合成，實現對物質特定功能的優化和調控[1]。

課程體系是人才培養的載體。化學實驗教學是化學專業人才培養過程中貫穿始終、不可缺少的重要組成部分，是提高人才培養質量的重要環節。傳統的本科化學實驗課程體系通常按照化學二級學科展開，顯然，這一傳統的實驗教學體系已經適應不了當前化學學科的發展和社會對人才需求模式的改變，實驗課程體系改革已迫在眉睫。

為了讓學生能夠緊跟學科前沿，建立起統籌全面的化學觀，有意識地培養學生在化學及相關領域的“大視野”和“大胸懷”，使他們能夠更好地根據自身特點和志趣，布局自身資源、實現自我價值，南京大學化學化工學院對實驗課程體系進行了變革，并在“拔尖計劃”和“強基計劃”學生中實施，初顯成效。

1 化學實驗課程新體系的構建

為了培養杰出的科學家，創建世界一流大學，從2009年開始，教育部聯合中組部、財政部等部門先后啟動“拔尖計劃”、“雙一流”建設、“強基計劃”等。所有的計劃歸根到底都是圍繞本科人才培養這一主題。

本科人才培養依托課程體系進行。培養一流的拔尖創新人才，需要適合一流拔尖創新人才培養的課程體系作為支撐。實踐教學是本科人才培養工作的重要組成部分。隨著科學技術的進步和化學學科的發展，近幾年，國外一些知名高校對化學實驗課程體系進行了較大幅度的改革。比如加州理工大學化學實驗課程由“實驗化學基礎技術”“太陽能轉化實驗方法”“有機和無機化合物的合成與分析”“高等合成和分析技術”“現代合成化學實驗”“高等生物有機化學實驗”“化學平衡與分析”和“物理化學和生物物理化學實驗”構成；劍橋大學的實驗課程調整為“I A化學實驗”“化學A實驗”“化學B實驗”“現代化學合成技術”和“物理與理論化學課程實驗”[2-4]。這些改革順應了化學學科的發展，部分課程設置反映了化學研究前沿，體現了學科間的融合。目前國內很多高校化學類實驗課程體系按照“基礎→綜合”這一模式開展，在基礎化學實驗課程中，按照二級學科依次開設無機化學實驗、分析化學實驗(或大學化學實驗、普通化學實驗)、有機化學實驗、儀器分析實驗、物理化學實驗；在綜合化學實驗中，則盡可能融合多個二級學科內容。南京大學近二十年來一直沿用這一教學體系(表1)。顯然，這一教學體系相對于當前化學學科發展而言，顯得過于傳統，已經不能適應當前化學學科的發展和社會對人才的實際需求、尤其是對研究型創新人才的需求。

2018年作為科學研究導向的國家自然科學基金化學科學部資助方向也發生了重大變化，由過去的按照二級學科改為以下八個方向：1) 合成化學；2) 催化與表界面化學；3) 化學理論與機制；4) 化學測量學；5) 材料化學與能源化學；6) 環境化學；7) 化學生物學；8) 化學工程與工業化學[5]。這表明新的科學規范正在形成，學科交叉融合更加緊密，創新驅動發展已經成為全球共識，基礎研究正面臨著重要的發展機遇和挑戰。如果繼續按照以前化學學科內各二級分支學科分立的教學模式來展開教學，難以讓學生建立起統籌全面的化學觀，難以實現以培養杰出科學家為目標的拔尖人才培養，難以培養出適應現代社會和學科發展的全才和大家，和國外差距會進一步拉大。

為培養適應學科發展和社會需要的創新人才，實施“最好本科”教育，在全面貫徹南京大學“三三制”本科教學改革的方針下，我們以創新人才培養為目標，通盤考慮化學一級學科的整體性和關聯學科的交叉性，根據化學研究的特點和規律，以科學內容內在聯系為主線，按照“基礎素養課程→核心專業課程→功能研究課程”三個層次逐步推進，構建了“化學實驗基礎→化學合成與表征+化學原理與測量→化學功能子實驗+化學生物學綜合實驗+基于項目的研究實驗”(簡稱“一基二核三功能”)實驗課程新體系(表1，圖1)。這一實驗課程體系的構建源于化學知識體系邏輯結構，三個階段的實驗課程逐層遞進，能夠較好體現現代化學學科知識、技術和發展趨勢，更好促進化學和相關學科知識交叉融合，著力培養學生在化學一級學科層面形成系統、連貫的科學思維，更加符合現代化學人才培養和成長規律。這一新課程體系于2017年構建，先后在化學專業拔尖計劃學生和強基計劃學生中實施。

表1 南京大學化學實驗課程體系

2 實驗課程和實驗教學平臺建設

課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量[6]。對標實驗課程新體系，我們在南京大學“三三制”本科教學總體方案下，按照“重視基礎、加強綜合、趨向前沿、突出設計和科研訓練”的課程建設目標，著重加強了實驗課程內容改革和多元化實驗教學平臺建設。對每一門課程的人才培養目標定位和教學方案進行了精心梳理，對教學內容和教學方法進行了優化設計和構架，努力提升課程的“高階性、創新性和挑戰度”，打造實驗教學“金課”(圖1)。具體如下：

圖1 南京大學化學實驗課程新體系課程目標

(1) 化學實驗基礎：該課程定位為基礎素養課程，屬于大類培養課程，在大一上開設。該課程著重訓練學生規范的實驗操作技能，培養學生細心觀察、善于思考、求真質疑等基本科研素養，同時還肩負提升學生對化學的興趣和熱愛，展示化學魅力的重任。我們精選了一些基本操作全面、與實際生活相關的實驗項目，如：抗胃酸藥中鋁、鎂含量的測定，由易拉罐制備明礬及其純度測定等，希望通過該課程，能夠激發學生的學習興趣，使學生具備基本的實驗技能，培養學生創新意識。

(2) 化學合成與表征：該課程是化學專業學生必修的第一門實驗類核心專業課程，屬于專業培養課程，分別在大一下、大二上和大二下開設。眾所周知，合成是化學的基石，我們以合成技術為出發點，力爭做到無機、有機合成技術和學科知識的交叉融合，按照基礎-綜合-研究三段遞進式方式，將分析和表征貫穿于實驗的全過程，努力促進學生理論和實踐的綜合應用和融會貫通，培養學生全面的化學觀，并為今后的科學研究打下堅實的實驗基礎。開設代表性實驗項目有：Ni配合物的合成及其溶劑熱致變色行為研究，模板合成銅配合物及其含量測定，直流電為驅動能源的有機合成研究，Proline催化的醛不對稱α-位氨基化反應等。

(3) 化學原理與測量：該課程亦歸屬于核心專業課程，分別在大二下、大三上和大三下開設。以測量技術為關聯來融合構建該課程。通過該課程，進行化學原理辨析，傳授先進的測量技術和方法，讓學生與時俱進、多維度了解化合物和材料的結構表征和性質測量原理和方法，培養學生扎實的專業實踐能力，加強學術專業類人才培養。如：在本課程中，將科研成果納米孔道電化學技術測量單個生物分子技術轉化為實驗教學內容，實現化學、生物和信息等學科的知識交叉融合。這一成果發表于美國化學會J. Chem. Educ.上[7]。

(4) 化學功能分子實驗：該課程定位為功能研究課程，屬于多元培養課程，在大三上開設。有別于偏重化學學術專業類人才培養的“化學合成與表征”和“化學原理與測量”實驗課程，該課程更為偏重交叉復合型人才培養。著重以分子功能為目標導向，引導學生通過合理的分子設計與組裝復合，開展多種功能分子體系(催化與精準合成、光電磁等功能材料、納米結構及納米復合、高分子及智能材料、化學生物學及生物醫學應用)的研究，并探究其在催化、光電磁材料、能源、環境以及生物醫藥等領域的可能應用潛力。相關實驗項目如：光氧化還原與Ni協同催化C(sp2)―O交叉偶聯反應，聚集誘導發光AIE側鏈聚合物的可控合成，MOF@ZnO納米復合探針的設計及其在光電生物分析中的應用，高分子柔性儲能與應力傳感器件制備及性能測試，DNA樣品的制備、結構鑒定和性質研究，等等[8]。實驗內容接軌科研前沿，具有高階性，并具一定的創新性和挑戰度，有利于提升學生的跨界實踐能力和知識遷移能力，加強交叉復合型人才培養。以該課程教學內容為藍本的《化學功能分子實驗》獲得“十三五”江蘇省高等學校重點教材，于2021年由高等教育出版社出版。

(5) 化學生物學綜合實驗：該課程亦歸屬于功能研究課程，在大三下開設。化學生物學作為一門多學科交叉的新興學科，主題是用小分子去干預、調控生命過程，進而揭示生命過程的機理。基于化學生物學領域的研究前沿，構建了集合成、分離、結構表征、理化性能測試、細菌及細胞培養、生物正交反應、生物活性表征等基礎的實驗課程體系，加強學生對化學與生命學科前沿交叉技術手段方法的認知。作為多元培養階段的一門重要課程，該課程著重培養學生在化學和生命交叉領域的跨學科研究素養和能力。

(6) 基于項目的研究實驗：該課程以研究項目為載體，著重培養學生綜合運用學科知識、技術與方法獨立發現、分析、解決問題的綜合實踐能力，以及跨學科交叉復合基礎上的跨界實踐能力，形成科學的研究思維方式，提升學生的科創能力。

實驗課程建設必須有相應的實驗條件作為支撐。近幾年，實驗教學中心通過中央高校改善基本辦學條件專項和南京大學教學實驗室建設提升計劃共計2400萬元，購置了一系列與科研接軌的儀器設備，如：微波多肽固相合成儀、蛋白質純化儀、顯微共焦拉曼系統、原子力顯微鏡、全自動庫倫滴定儀、表面張力測定儀、電子萬能材料試驗機、全光譜電致化學發光檢測儀、比表面及微孔孔隙分布測量儀、制備高效液相色譜等，搭建與實驗課程新體系相匹配的“大類培養”“專業培養”和“多元培養”多層次實驗教學平臺(圖2)，使得新開發的接軌科研前沿、多學科交叉的實驗教學項目能夠順利開展，相應教學目標能夠得以實現。

圖2 南京大學化學實驗教學平臺

除了課程理念創新和內容創新之外，教學模式和學業評價方式也力求不斷創新。通過信息化技術，開發慕課、虛擬仿真實驗、實驗預習檢測系統等多種實驗教學資源和手段[9-11]；通過線下、線上/線下混合式及虛擬仿真實驗教學，結合翻轉課堂、設計實驗、小組研究等多種形式，開展啟發式、研究型教學，提升學生自主學習、思考提問、討論合作、質疑探究等多方面的能力，多模式、多維度培養拔尖創新人才。在學生實踐和成長過程中，摒棄以往“重結果輕過程”的單一評價模式，注重學生的學業過程管理，加強過程性評價，探索增值性評價，從認知過程、實踐結果、匯報答辯、學生個體進步等多方面，建立以學生創新能力和批判性思維提高為導向的綜合性多元學業評價體系。開發的虛擬仿真實驗“腦部神經遞質：共軛高分子熒光探針識別”獲得首批國家級虛擬仿真實驗教學一流課程，“化學實驗基礎”獲得首批國家級線上線下混合式一流課程。

實驗課程新體系實施以來，通過逐年對學生進行問卷調查，了解學生對課程實際需求和滿意度。學生普遍認為新課程體系相對于傳統課程體系，在強化實驗技能、拓寬學術視野、培養科學思維、提升科研能力等方面，具有顯著的優勢，收獲良多。

3 結語

實驗教學是本科人才培養工作的重要組成部分。為了更好地適應當前學科發展，培養滿足社會實際需求的拔尖創新人才，南京大學化學國家級實驗教學示范中心深化實踐育人教學改革，完善實驗教學體系，基于化學一級學科的整體性和關聯學科的交叉性,構建并實施了“基礎素養課程(化學實驗基礎)→核心專業課程(化學合成與表征+化學原理與測量)→功能研究課程(化學功能分子實驗+化學生物學綜合實驗+基于項目的研究實驗)”實驗課程新體系。對標實驗課程新體系，按照“金課”建設要求，深化實驗教學內容改革，加強“兩性一度”建設，在培養本科生專業實踐能力、跨界實踐能力、綜合實踐能力和創新實踐能力方面取得良好成效。