“高等物理化學”教學中科教融合路徑研究

褚玉婷 邢曉平 嚴 新

(鹽城工學院 化學化工學院，江蘇 鹽城 224000)

改革開放以來，隨著經濟的飛速發展，社會對高素質人才的需求量也越來越大。在研究生進行擴招的同時，研究生培養也應該引起足夠的重視。如何培養與國家的經濟發展相適應，同時與社會發展相匹配的高素質人才，在研究生培養過程中，“科教融合”是其中的一個方面。所謂“科教融合”就是將科學研究成果融入教學過程，如何做到這一點，值得探討。

傳統的研究生教育存在一些問題，比如教學內容過于刻板、理論知識與實踐運用相分離、考核方式單一，這些都不利于為國家培養創新型人才[1，2]。在19世紀，德國教育家洪堡首次提出并實施“科教融合”的教育方式。21世紀以來，我國也頒布了一些關于創新型人才培養的綱領性文件，鼓勵在教學過程中實施科教融合[3]。相對于國外，我國科教融合的教學理念形成較晚。目前，在研究生培養過程中，科教融合的理念已經初步建立，但如何實施尚在探索階段，許多高校還僅僅停留在理論探討階段。

作者作為教授研究生“高等物理化學”的專業課教師，在教學過程中，對科教融合的具體路徑進行了初步的探討。“高等物理化學”是化工類研究生學習的一門專業基礎課，它在本科四大化學(“無機化學”“有機化學”“分析化學”和“物理化學”)的基礎上，難度和深度都有所提升。如何在教學過程中體現科教融合，作者根據對教學過程的研究，進行了如下幾種探索。

1 將教學內容與科研前沿有機融合

作為授課教師，我們首先要對教學內容有清晰的認知，能夠熟練地構建課程的知識框架，同時，自身也要多做科研，了解最新的科研前沿知識，將所教的內容與科研前沿相結合。

很多研究生在碩士畢業后，會繼續攻讀博士，或者進入高等學校、研究所、公司的研發部門工作，無論后續如何，都需要繼續搞研究，所以，科研在研究生教育教學中是非常重要的部分。因此，授課時，在緒論部分，給他們介紹國家自然科學基金的相關內容，讓學生了解國家自然科學基金委對學科代碼的劃分，例如，B03屬于物理化學分支，其下又可以分為結構化學(B0301)、理論與計算化學(B0302)、催化化學(B0303)、化學動力學(B0304)、膠體與界面化學(B0305)等，每一個分支下又細化為若干小分支，在撰寫國家自然科學基金申請書時，需根據自己的研究方向選擇合適的代碼。

“高等物理化學”的教學內容，有很多與科研前沿相通的部分。作為教師，要充分備課，將教學內容與科研前沿有機融合。比如講解到吸附時，一方面，講解吸附熱力學和吸附動力學，再延伸到自己對吸附材料的研究，同時介紹目前研究比較熱門的吸附材料，如農業廢棄物、改性黏土礦物、改性活性炭、有機金屬框架(MOF)材料等。將自己的研究成果分享給學生，并將自己論文中的實驗數據結合理論知識進行進一步探討，比如將吸附量與濃度的相關性數據代入朗繆爾吸附方程和費利希方程進行線性或者非線性模擬，驗證實驗數據和兩個方程的相關性。如果符合朗繆爾方程，就說明合成材料的表面吸附位點是相同的，極易形成均相材料；如果符合費利希方程，則說明所合成的材料表面吸附位點不相同。另外，再將時間對吸附量影響的實驗數據進行動力學模擬，根據不同反應級數的動力學方程進行線性或者非線性模擬，討論吸附速率的動力學特征，進一步探討吸附機理。另一方面，教學中可以聯系目前的環境污染問題，講講典型的環境污染事件，同時在此處融入思政元素，幫助學生樹立綠色化學的意識。提醒學生在搞好科研的同時，不能忘記保護環境，千萬不能做隨意排放實驗廢水等違法違紀的事情。

2 教學過程中體現理論知識與科研方法融合

“高等物理化學”課程公式多、理論性強，特別是量子化學中算符、薛定諤方程的求解推導過程較為復雜，很多同學只會動手推導公式，但對于這些公式的應用思路卻不清晰。因此，在注重講解理論知識的同時，也要強調這些公式推導所使用的計算方法。

比如，講解量子化學理論知識的同時，介紹量子化學計算方法——Gaussian軟件[4]的使用。作者在講解本門課程時就有4學時的課程用于介紹計算軟件的使用，并用電腦現場演示。先用GaussianView軟件創建分子結構，保存為.gjf文件，再對.gjf文件進行編輯，將編輯好的.gjf文件放入Gaussian軟件中進行結構優化計算，根據計算結果得到原子電荷、HOMO軌道能量、LUMO軌道能量、分子的鍵長、鍵角和二面角等數據，進而通過其他關鍵詞計算出其他有用的信息。另外，可以將Gaussian計算產生的.chk文件轉變為.fch文件，借助盧天老師的Multiwfn軟件[5]進行波函數分析，得到分子的靜電勢、離子局域化能、分子間弱相互作用等重要參數，為研究生所做的實驗研究提供理論指導。

另外，借助Multiwfn軟件和VMD軟件[6]畫出來的圖非常美觀，這也可以為將來論文的撰寫提升檔次。當然，學好計算方法僅僅靠幾節課是無法實現的，作為教師可以向學生推薦一些博文，比如盧天老師在北京科音上的博文就寫得非常好，關于計算都有詳細的教程，對于復雜的計算還提供了詳細的講解視頻，學生可以利用課余時間對自己感興趣的計算領域進行自主學習。理論計算可以推測反應活性位點，探討相互作用機理，同時對新材料的性能等方面進行預測，這非常有利于科研工作的開展。

3 構建導師協同育人機制

教學與科研相輔相成，不可分割。教學推動科研的發展，在教學中講解科技發展的前沿知識，讓學生掌握本專業的知識框架和研究方法，初步了解什么是科研。同時科研又反作用于教學，在科研的同時進一步加強對教學內容的理解。研究生除了學習課程知識，多數時間是在科研團隊和導師做科學研究工作。作為課程主講教師，可以和學生及他們的導師互相溝通，構建導師協同育人機制。

通過教師和導師協同育人的機制，了解研究生的研究方向以及待解決的技術問題，將科研滲入教學內容，做到科研資源與教學內容的深度融合。教師、導師和學生在科研平臺和教學平臺可以互相溝通，鼓勵學生做原創性研究，引導學生做好學術規范，培養學術誠信意識，加強專業培養，為社會發展培養創新型人才[7]。比如，作者所在的學院有電化學團隊、吸附材料團隊、有機合成團隊等，教師利用課間時間和每位學生溝通他們所在的團隊和研究方向，可以在講解理論知識的同時做到資源整合，有助于提高他們的科研效率。

4 鼓勵學生參加創新型大賽

目前，高校教育中有很多創新創業類項目，作為教師，應該鼓勵研究生積極參加此類項目，鍛煉自己的科研創新能力。比如作者所在的學校每年都會舉辦“挑戰杯”大學生創業計劃競賽、大學生創新創業項目申報等。鼓勵研究生參加創新型人才大賽，圍繞科技創新、脫貧攻堅、社會服務和生態環保等主題，可以鍛煉學生自主學習和探索的能力，讓學生了解社會發展的熱點問題，同時也注意團隊意識的培養。比如在環境治理領域，針對目前出現的重金屬污染問題，可以結合當地的具體情況，如皮革廠產生的含鉻污泥的處理、電池廠產生的廢水問題、污染農田的土壤修復問題，學生可以根據自己所學的知識和實驗技術進一步探索，做好科研項目。

5 多維度評價教學效果

研究生教學效果評價應該從多個方面進行考核[8]，要打破傳統的以單一的期末試卷分數定高低的模式。在平時的教學中，可以根據教學內容和各自的研究方向布置一些英文綜述文獻讓學生翻譯，讓學生可以充分了解科研前沿；還可以針對目前國內出現的能源問題、環境問題布置一些調查研究，撰寫研究報告；或者讓學生根據自己的研究方向，利用計算軟件計算自己所研究物質的相關結構數據，掌握計算軟件的簡單應用，比如算出所研究物質的電荷分布、靜電勢等數據。將這些材料作為平時考核的標準，根據達成度計算，對教學效果進行綜合判斷，提出教學改革措施。另外，可以建立研究生教學的慕課堂，將教學內容與科研前沿領域滲透部分在慕課堂中體現，做到線上教學和線下教學相融合[9，10]，將慕課堂知識的觀看時間、參與程度等也作為考核的一部分。從多個維度去評價教學效果，真正把科教融合的應用效果體現在教學成果中。

6 結語

結合“高等物理化學”的研究生教學經驗，作者作為專業課教師，認為將教學內容與科研前沿相融合、注重理論知識與科研方法融合、建立導師協同育人機制、鼓勵學生參加創新型大賽和項目申報、多維度評價教學效果，是研究生教育的科教融合的有效路徑。