面向拔尖創新人才培養的儀器分析課程建設與改革實踐

吳碩，郭慧敏，董校，宋波，潘玉珍，楊成

1大連理工大學化工學院，遼寧 大連 116024

2大連理工大學計算機科學與技術學院，遼寧 大連 116024

基礎學科拔尖創新人才培養是提升國家核心競爭力的關鍵，是一流大學肩負的歷史使命。為回答“錢學森之問”，教育部聯合多部委于2009年和2018年先后啟動了基礎學科拔尖學生培養試驗計劃1.0和2.0基地建設，旨在培養中國自己的學術大師[1]。2021年，在全國人才工作會議上，習近平總書記強調深入實施新時代人才強國戰略，要求高校特別是“雙一流”大學要發揮培養基礎研究人才主力軍作用[2]。大連理工大學應用化學(理)專業于2019年入選首批國家級一流本科專業建設點，2020年先后入選教育部“強基計劃”首批改革招生試點專業和基礎學科“拔尖計劃2.0”建設基地，肩負著培養應用化學(理)專業拔尖創新人才的光榮使命。本文主要總結了大連理工大學應用化學(理)專業依托儀器分析課程在拔尖創新人才培養方面實施的改革舉措，以期與同行交流，碰撞出更多思想火花，為國家培養出更多德才兼備的拔尖創新人才。

1 學情分析和改革思路

儀器分析是面向我校應用化學“拔尖計劃”和“強基計劃”大三學生開設的專業基礎課程。這兩個班的學生基礎較好，很多學生在高中階段參加過化學競賽，并取得了優異的成績，對化學學習的興趣和熱情要高于普通班學生。進入大學后，經過在數學、物理、化學基礎課程和實驗實踐方面的強化訓練，學生普遍具有扎實的數理基礎、活躍的思維和比較開闊的眼界[3]。然而，經歷了大一和大二學年的高強度學習和動態淘汰管理，學生進入大三后只要必修課全部及格即可獲得保研資格，不再面臨被淘汰壓力，容易出現學習態度松懈和學習動力不足的問題。因此，為了激發學生持久的學習動力，大三學年的課程需要在知識的深度、廣度、前沿性方面進行內涵建設，同時需要強化對學生科研創新能力的培養。

儀器分析以物質的物理、化學性質為基礎，利用測量儀器對物質進行定性、定量和形態分析，并發展與化學相關的測量策略、原理、方法與技術，以精準獲取物質組成、分布、結構與性質的時空變化規律。面向解決化學、材料、信息、能源、環境、生命、醫學和藥學等諸多學科領域的關鍵問題，儀器分析越來越多地呈現出多學科交叉融合發展的特征，是一門建立在數學、物理學、化學、計算機科學、精密儀器制造等學科基礎上的綜合性課程，以知識更新速度快、與生產實際和科學前沿聯系緊密而著稱[4]。這些特性使得儀器分析課程在培養學生創新能力方面具有得天獨厚的優勢。然而，在具體教學過程中，儀器分析課程的高度交叉和發展迅速的屬性又使學生常常感到課程內容的雜、多、散，難以把握邏輯主線；而核心知識點和基本理論多涉及微觀層次上物質之間的相互作用，物質內部電子的運動規律，光、電與分子或分子中電子的相互作用等，無法通過肉眼直接觀測或在生活中接觸不到，內容相對抽象、生澀[5]，學生感覺“難”。兩者結合，使得傳統課堂常常疲于知識傳授，無暇顧及對學生創新能力的培養(圖1)。

圖1 課程教學改革整體思路

針對以上痛點問題，課程以拔尖創新人才培養為目標，實施了“思政引領、資源保障、科教協同、多元融合”的教學改革實踐。具體舉措包括：(1)通過科學發展史、經典科學前沿文獻和重大科技事件為牽引串講知識點，強化知識之間的內在邏輯。借助知識的發現、總結和迭代過程使學生感受科研創新過程，促進學生整體思考，進而達到逐步升華的效果；(2)以3D動畫、理論計算軟件、虛擬仿真軟件等形象呈現物理原理和大型儀器內部流程，深化學生對抽象知識的理解，解決教學難點；(3)以線上自學、思維導圖、案例研討、翻轉課堂、文獻調研、方案設計、實驗實證等“多元融合”的教學手段提高學生自學能力和發現問題、解決問題的能力，促進知識的內化遷移，幫助學生完成知識的自我建構和創新能力的提升。同時，通過思政元素的無聲滲透幫助學生樹立正確的價值觀、人生觀、世界觀。

2 課程數字資源建設

優質豐富的教學資源是課程教學改革得以順利實施的前提保障。為此，課程團隊在知識點視頻、3D動畫、虛擬仿真軟件、電子習題、思政案例、科研案例等方面進行了全方位建設。全部數字資源在大工超星金課平臺上線，服務于儀器分析課堂教學。

2.1 知識點視頻和配套習題庫

課程共完成了166個重難點知識點視頻的建設，內容涵蓋電化學分析、色譜、原子光譜、分子發光、X-ray分析法、紅外、核磁、質譜等核心章節，為學生線上自學提供保障。此外，課程同步建設了多層次的習題資源，配套了典型和易錯習題講解視頻，保證學習者在每學完一個知識點、一個小節，以及一個章節后都可以通過相應習題的練習來鞏固所學。針對典型和易錯習題所開發的習題講解視頻則可以有的放矢地糾正學生理解知識點過程中的偏差，起到強化和深入知識理解的目的。

2.2 思政案例庫

基于儀器分析課程特點，凝練成“家國情懷”“科技創新”“職業素養”“朋輩友情”四大主題的思政案例，把思政教育潛移默化地滲透到課程教學的各個環節，充分發揮專業課程的育人功能。在教授學生專業知識的同時，培養學生勇于創新的科學精神、嚴謹的科學態度，引導學生形成正確的人生觀和價值觀。

2.3 科研案例庫

科研案例庫包含三方面內容：(1)知識的發現、理論形成和迭代過程中的關鍵歷史事件和科學家故事，以科學發展為主線建立知識點間的內在邏輯，培養學生創新思維；(2)發表于Nature、Science等權威期刊的科學發現和典型應用；(3)重大科技進展事件。通過最新科研成果中關鍵科學問題解決思路和舉措的分析討論進一步深化學生對基本概念的理解，啟發學生創新思維。

2.4 虛擬仿真等教學軟件

建設了覆蓋主要章節核心知識點和儀器結構的3D動畫庫、大型精密儀器虛擬仿真實驗、譜圖查詢軟件等軟件資源。3D動畫可以將晦澀難懂的知識內容簡單直觀地呈現在學生面前，高沉浸感的虛擬實驗可以鍛煉學生的操作能力，降低學習難度，同時彌補部分大型儀器實驗無法實做的缺憾；譜圖查詢軟件收納了近百個常見化合物的紅外、核磁和質譜圖和解析思路。學生輸入關鍵詞即可觀察到對應譜圖的標準譜，點擊特征峰即可觀察到譜峰所對應的基團信息和譜圖解析過程，幫助學生提高解譜能力。

3 課程教學內容及組織實施情況

依托優質教學資源、超星“一平三端”教學平臺和QQ在線交流軟件，開展“思政引領、科教協同、資源保障、多元融合”的教學改革。將課前、課中、課后各環節打通。課前，通過學習通發布導學任務引導學生自學，同時通過線上習題和視頻完成情況監測學情，通過問卷收集學生自學過程中遇到的難點問題；課中，重構教學內容，多元融合各種教學手段開展案例研討和翻轉課堂等教學改革；課后，布置思維導圖、文獻調研、方案設計等綜合性題目促進學生完成知識的自我建構和對儀器分析課程內容的活學活用。具體實施舉措如下。

3.1 科學發展視角下的“案例化”教學，知識傳輸與科研思維訓練、創新能力培養并重

針對儀器分析課程內容雜、多、散，知識體系系統性不強的問題，重構課程內容，以科研思維為主線串聯知識原理。圍繞科研創新過程，結合經典分析方法的發現、理論的形成和迭代過程，以及分析方法在生產實際和科學前沿中的進一步應用中的典型事件設置系列問題展開研討。通過重大科研成果研究過程的經典重現帶領學生感受科研，同時通過環環相扣和層層遞進的問題設置引發學生深入思考，從而更好地建立知識點之間的內在關聯。

以電位分析法為例，首先以中國年輕學者高偉等[6]在Nature發表的全集成可穿戴電位傳感器方面的工作導入課程，指明電位分析方法在生命健康檢測、環境保護、公共安全等方面具有廣闊的應用前景，引發學生興趣。基于科研案例設置系列問題：電極電位的本質是什么？電極電位為什么能有選擇性？作為最早的電位傳感器，pH電極是怎么被發現和應用于生產實踐的？pH電極的構造和各部分組成具有什么特點？玻璃電極為什么在氫離子檢測中具有選擇性，具有怎樣的構效關系？如何發展其他類型的選擇性電極？電極的選擇性該如何評價？將離子選擇性電極應用于柔性器件、單細胞分析、床旁血氣等檢測時，又有哪些關鍵問題需要解決？問題環環相扣，層層遞進，既包含知識發現過程，又涉及方法在科學前沿和生產實際中的典型應用。在問題導向式的教學過程中，學生不再是被動地、零散地接受知識，對知識的理解也不再停留在表面，而是能更好地建立知識體系和利用知識體系解決問題。值得一提的是，基于pH電極發現過程和現象背后原理的探討不僅可以引領學生感受科研過程，還可以深化學生對基礎知識的理解。1906年，M. Cremer在研究液接電位時發現了玻璃膜電位對氫離子的反常響應[7]。為了使輸出的電動勢只與液接電位有關，Cremer使用兩根參比電極用于電動勢輸出。這一實驗設計很好地解釋了為什么玻璃電極內部通常要嵌入一個內參比電極的原因——穩定和輸出電位，從而可以幫助學生更好地理解玻璃電極的構造組成。基于這一問題可以進一步引申到目前的研究熱點——全固態離子選擇性電極。為了滿足器件便攜和穿戴方面的需求，離子選擇性電極需要制成全固態結構，避免內參比溶液和內參比電極的使用。那么在實際應用時，固態離子選擇性電極的電位能否穩定？要提高電位的穩定性，有哪些問題需要解決？進一步還可以引申討論，如果玻璃膜很薄，水分子可以滲透，會不會對膜電位測量結果的準確性產生影響？那么電極微型化到單細胞需要的微米水平，是否可行？通過當前科研中遇到問題的深入探討，不僅可以深化學生對知識的理解，而且可以進一步激發學生的創造力，鍛煉學生思維。

在儀器分析課程內容中，這樣的例子比比皆是。選擇案例研討時，可以針對創新人才培養的不同層面有所側重，既關注科研邏輯的訓練、創新能力的培養，也注重思政元素的滲透和品格的塑造。比如，在極譜分析法中，極譜現象的發現也是一個偶然。1903年科塞拉在研究表面張力隨電位的變化規律時發現了幾次信號極大現象。海洛夫斯基重復了該現象，發現這種電解過程更加具有測量特性，并總結了電流-電極電位曲線，指出根據這種曲線的位置和形狀可以作為對被電解物質進行定性和定量測定的基礎[8,9]。通過該事件提示學生不要忽視實驗中的反常現象，反常往往是創新的來源。而后，經典極譜的發展又遇到了靈敏度方面的問題，制約靈敏度的關鍵因素是充電電流。要降低充電電流，就需要深入理解充電電流和電解電流之間的關系。通過對充電電流和電解電流的討論，分析影響其變化的因素，找到充電電流隨時間快速衰減的特點，提煉出現代極譜分析法通過脈沖和方差的方式減小充電電流影響的思路，使學生明白科學研究中抓主要矛盾、提煉關鍵科學問題的重要性。比如，在色譜分析法中，馬丁和辛格借鑒分餾和萃取理論推出了色譜流出曲線的數學表達式，并建立了塔板理論[10]。這一點可以引申出新理論的建立，往往需要跳出固有的思維框架，充分借鑒其他學科的既有成果。因此，創新需要具有比較寬的知識面，這樣才能不“困于一隅”，跳出固有的思維范式，交叉融合。而通過理論建立過程中前提條件的分析，即分配過程時刻處于熱力學平衡、流動相脈沖進入色譜柱等，指出塔板理論在忽略動力學因素方面的局限性，這也為后續速率理論的發展進行了鋪墊，也使得學生感受到理論不斷完善的過程。再比如，在介紹唐本忠院士發現的聚集誘導發光現象時，與學生探討什么是引起四苯乙烯聚集態發光的真正原因。不具備剛性共軛結構的四苯乙烯，為什么在固態下就能發光[11]？要解釋這些問題，你有什么思路？目前，唐本忠院士自己又開展了哪些深入的研究，分子態發光理論是否適用于聚集態？通過這些問題的研討可以使學生明白勇于質疑的必要性，但質疑的前提是對已有理論的深入理解和分析。科研案例的系統研討不僅可以向學生傳授知識，幫助學生建立知識之間的內在聯系，更重要的是可以向學生展示知識的發現、總結和迭代過程，以及解決問題過程中的思維方式，從而實現啟發學生創新思維的目的。

3.2 軟件直觀呈現微觀相互作用，解決教學難點

儀器分析的核心理論多涉及微觀層次上物質之間的相互作用，物質內部電子的運動規律，光、電與分子或分子中電子的相互作用等，無法通過肉眼直接觀測或在生活中接觸不到，內容相對抽象、生澀。缺乏對基礎理論的深入理解無疑將限制學生的創造力。針對這一問題，課程團隊開發了系列3D動畫，并引入了理論模擬計算結果，通過將抽象的原理和理論教學內容形象化，加深學生對基本原理的理解。比如，通過3D動畫演示了液接電位的形成過程、色譜兩相分配過程、X-ray產生過程、拉莫爾進動、偶極子在交變電場中的運動等，將抽象的原理形象化，降低理解難度；利用密度泛函理論模擬了甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇與高分子微球和硅膠兩種吸附劑的相互作用來源(誘導力、色散力、偶極力、氫鍵中的一種或幾種)和相互作用過程中的電荷分布，計算得到不同醇系物在兩種吸附劑表面的吸附能，并與實驗結果進行比對，強化學生對分離過程的理解[5]；針對部分大型儀器分析實驗實做困難的問題，將核磁、能譜等大型精密儀器開發成虛擬仿真實驗。虛擬實驗既包含儀器工作原理，也提供實操演練。通過虛擬實驗的模擬實做可以讓學生在熟悉實驗流程的基礎上加深對儀器分析方法的理解和應用能力，開闊學生視野。

3.3 強調歸納比較，突出課程重點

針對分析方法眾多的特點，通過對各種分析方法的對比分析，引導學生歸納總結內在聯系，抽取共性、辨析差異的方式突出重點。如，在光譜分析方法中，注重比較原子光譜和分子光譜在原理、儀器、應用上的異同。再如，針對三種原子光譜方法讓學生思考：為什么有了原子發射，還要發展原子吸收和原子熒光方法，每個方法各自的特點和不足是什么？通過多次對比，可以使學生不僅理解各種分析方法的基本原理，也能區分不同方法，以及根據分析任務選擇合適的分析方法。

3.4 多元融合教學手段，促知識內化遷移，創新能力提升

通過思維導圖、文獻調研、方案設計、實驗實踐等多種舉措促進學生知識的內化和遷移，以及知識的自我建構和創新能力的升華。例如，將科研過程中的實際問題交由學生分析，引導學生設計解決方案。選取的問題需要具有一定的綜合性和挑戰度。例如，在課題組的科研過程中發現銀離子與氨基四苯乙烯(TPE-NH2)混合可以改變原始染料TPE-NH2的顏色，使溶液從無色變成墨綠色，紫外吸收光譜顯示混合物在400-600 nm波段出現了3個特征吸收峰。同時，熒光光譜顯示與銀離子反應后，體系的熒光發射強度急劇降低，請學生分析光譜產生變化的原因，究竟是電荷轉移光譜？是由于氧化還原的產物的吸收？還是可能存在其他原因？請學生分析原因并寫出分析流程和步驟解析。問題來源于實際科研，而且分析問題的過程需要多種儀器分析方法的聯合使用，方案設計靈活性強，不僅能激發學生興趣，而且可以鍛煉學生對知識的活學活用能力和解決問題的能力。

除了布置科研實例供學生分析外，同時在每一章節結束后，根據科研熱點指定研究方向，布置學生自選領域并查詢相應領域內近5年的研究論文并撰寫文獻總結。文獻報告內容需包含：創新點提煉、文獻要解決的問題以及解決思路，方法是否存在問題，針對文獻不足提出解決方案等。根據文獻調研主題分組討論，并選派代表項目答辯。通過翻轉課堂調研、討論、總結、答辯等多環節訓練，促進學生發現問題和解決問題能力的提升，以及批判和創新思維的養成。

4 課程成績評定方式和教學改革成效

期末占比60%-70%，平時成績占比30%-40%，充分考慮線上自學完成情況(5%-10%)、隨堂測試(10%)、討論參與情況(5%-10%)和案例設計作業(10%)完成情況綜合給出。課程得到了專家和學生的一致好評。近3年，學生評教分數分別為99.1、99.4和99.7；學生課業優良率顯著提升，解決復雜問題能力得到提高。調查問卷顯示學生：“喜歡儀器分析課程”“喜歡科教協同的教學方式”“對閱讀文獻從事科創很有幫助”。學生的探究興趣得到提升，多位學生課后進入課題組從事分析化學方向的科研創新，創新成果在國家和省部級實驗競賽中多次獲獎。多名學生學習儀器分析后，熱愛上了儀器分析方向的科學研究，畢業后進入國內外知名高校分析化學專業繼續深造。

5 結語

多種教學資源和教學手段的融合有效促進了“思政引領、資源保障、科教協同、多元融合”教學改革實踐的順利實施，解決了儀器分析課程面向拔尖創新人才培養過程中的痛點問題，提升了課程的“兩性一度”，激發了學生的學習興趣，深化了學生對知識和知識體系的理解，鍛煉了學生的創新能力。學生并沒有因為任務多而感到反感，反而覺得課上所學內容很有意思，對他們很有幫助，課程也獲得學校推薦申報第二批一流線下課程的資格。然而，要持續激發學生的學習動力，仍需要課程在教學內容的深度、廣度、前沿性，課后案例設計的質量和可操作性，考核評價方式等方面進行持續建設和改進。