面向拔尖创新人才培养的仪器分析课程建设与改革实践_吴硕.pdf

Univ.Chem.2023,38(2),6570 65 收稿：2022-05-30；录用：2022-07-11；网络发表：2022-08-19*通讯作者，Email: 基金资助：2021年辽宁省教改项目(面向拔尖创新人才培养的化学基础课建设的研究与实践；分析化学跨校修读学分课程建设与教学模式改革，2022.012023.12)教学研究与改革 doi:10.3866/PKU.DXHX202205104 面向拔尖创新人才培养的仪器分析课程建设与改革实践面向拔尖创新人才培养的仪器分析课程建设与改革实践 吴硕1,*，郭慧敏1，董校2，宋波1，潘玉珍1，杨成1 1大连理工大学化工学院，辽宁 大连 116024 2大连理工大学计算机科学与技术学院，辽宁 大连 116024 摘要：摘要：面向拔尖创新人才培养，针对仪器分析课程中存在的“知识杂、多、散，系统性不强；基本原理和仪器构造抽象复杂；学生解决实际问题能力不强”等教学痛点问题，结合数字资源和学习通等智慧教学工具，开展了“思政引领、资源保障、科教协同、多元融合”的教学改革实践。通过思政元素的无声渗透，科学发展史、经典科学前沿文献和重大科技事件创新过程的重现，虚拟仿真软件对基本原理的展示，以及教学手段的多元融合，全面深化学生对基本概念的理解，分析问题、解决问题能力的提升和科研创新能力的升华，培养其成为德才兼备的拔尖创新人才。关键词：关键词：拔尖创新人才；仪器分析；一流课程；科教协同；多元融合 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Construction and Reform Practice of Instrumental Analysis Course for Top Innovative Talents Cultivation Shuo Wu 1,*,Huimin Guo 1,Xiao Dong 2,Bo Song 1,Yuzhen Pan 1,Cheng Yang 1 1 School of Chemical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning Province,China.2 School of Computer Science and Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning Province,China.Abstract:The problems existing in the instrumental analysis course may influence the top innovative talent cultivation,ideas for reforming the curricula content.The teaching mode,examination,and evaluation standards are proposed to solve the problems.By updating the theoretical content of modern instrumental analytical chemistry,such as the discovery and progress of classical principles,students can master the basics to excel professionally,and learn how to discovery and create new methods and principles.Simultaneously,advanced techniques,such as 3D animation and virtual simulation software,are used to present more vividly the quantities and concepts for students to understand the principles easily.This investigation can successfully stimulate students to learn and understand chemical principles more comprehensively,cultivate their problem identification and resolution abilities,and promote their creative quality,thus benefiting the cultivation of top innovative talents in chemistry.Key Words:Top innovative talents;Instrumental analysis;First class course;Synergetic interaction of science and education;Integration of multiple teaching methods 基础学科拔尖创新人才培养是提升国家核心竞争力的关键，是一流大学肩负的历史使命。为回答“钱学森之问”，教育部联合多部委于2009年和2018年先后启动了基础学科拔尖学生培养试验计划1.0和2.0基地建设，旨在培养中国自己的学术大师1。2021年，在全国人才工作会议上，习近平总书66 大 学 化 学 Vol.38记强调深入实施新时代人才强国战略，要求高校特别是“双一流”大学要发挥培养基础研究人才主力军作用2。大连理工大学应用化学(理)专业于2019年入选首批国家级一流本科专业建设点，2020年先后入选教育部“强基计划”首批改革招生试点专业和基础学科“拔尖计划2.0”建设基地，肩负着培养应用化学(理)专业拔尖创新人才的光荣使命。本文主要总结了大连理工大学应用化学(理)专业依托仪器分析课程在拔尖创新人才培养方面实施的改革举措，以期与同行交流，碰撞出更多思想火花，为国家培养出更多德才兼备的拔尖创新人才。1 学情分析和改革思路学情分析和改革思路 仪器分析是面向我校应用化学“拔尖计划”和“强基计划”大三学生开设的专业基础课程。这两个班的学生基础较好，很多学生在高中阶段参加过化学竞赛，并取得了优异的成绩，对化学学习的兴趣和热情要高于普通班学生。进入大学后，经过在数学、物理、化学基础课程和实验实践方面的强化训练，学生普遍具有扎实的数理基础、活跃的思维和比较开阔的眼界3。然而，经历了大一和大二学年的高强度学习和动态淘汰管理，学生进入大三后只要必修课全部及格即可获得保研资格，不再面临被淘汰压力，容易出现学习态度松懈和学习动力不足的问题。因此，为了激发学生持久的学习动力，大三学年的课程需要在知识的深度、广度、前沿性方面进行内涵建设，同时需要强化对学生科研创新能力的培养。仪器分析以物质的物理、化学性质为基础，利用测量仪器对物质进行定性、定量和形态分析，并发展与化学相关的测量策略、原理、方法与技术，以精准获取物质组成、分布、结构与性质的时空变化规律。面向解决化学、材料、信息、能源、环境、生命、医学和药学等诸多学科领域的关键问题，仪器分析越来越多地呈现出多学科交叉融合发展的特征，是一门建立在数学、物理学、化学、计算机科学、精密仪器制造等学科基础上的综合性课程，以知识更新速度快、与生产实际和科学前沿联系紧密而著称4。这些特性使得仪器分析课程在培养学生创新能力方面具有得天独厚的优势。然而，在具体教学过程中，仪器分析课程的高度交叉和发展迅速的属性又使学生常常感到课程内容的杂、多、散，难以把握逻辑主线；而核心知识点和基本理论多涉及微观层次上物质之间的相互作用，物质内部电子的运动规律，光、电与分子或分子中电子的相互作用等，无法通过肉眼直接观测或在生活中接触不到，内容相对抽象、生涩5，学生感觉“难”。两者结合，使得传统课堂常常疲于知识传授，无暇顾及对学生创新能力的培养(图1)。图图1 课程教学改革整体思路课程教学改革整体思路 No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202205104 67 针对以上痛点问题，课程以拔尖创新人才培养为目标，实施了“思政引领、资源保障、科教协同、多元融合”的教学改革实践。具体举措包括：(1)通过科学发展史、经典科学前沿文献和重大科技事件为牵引串讲知识点，强化知识之间的内在逻辑。借助知识的发现、总结和迭代过程使学生感受科研创新过程，促进学生整体思考，进而达到逐步升华的效果；(2)以3D动画、理论计算软件、虚拟仿真软件等形象呈现物理原理和大型仪器内部流程，深化学生对抽象知识的理解，解决教学难点；(3)以线上自学、思维导图、案例研讨、翻转课堂、文献调研、方案设计、实验实证等“多元融合”的教学手段提高学生自学能力和发现问题、解决问题的能力，促进知识的内化迁移，帮助学生完成知识的自我建构和创新能力的提升。同时，通过思政元素的无声渗透帮助学生树立正确的价值观、人生观、世界观。2 课程数字资源建设课程数字资源建设 优质丰富的教学资源是课程教学改革得以顺利实施的前提保障。为此，课程团队在知识点视频、3D动画、虚拟仿真软件、电子习题、思政案例、科研案例等方面进行了全方位建设。全部数字资源在大工超星金课平台上线，服务于仪器分析课堂教学。2.1 知识点视频和配套习题库知识点视频和配套习题库 课程共完成了166个重难点知识点视频的建设，内容涵盖电化学分析、色谱、原子光谱、分子发光、X-ray分析法、红外、核磁、质谱等核心章节，为学生线上自学提供保障。此外，课程同步建设了多层次的习题资源，配套了典型和易错习题讲解视频，保证学习者在每学完一个知识点、一个小节，以及一个章节后都可以通过相应习题的练习来巩固所学。针对典型和易错习题所开发的习题讲解视频则可以有的放矢地纠正学生理解知识点过程中的偏差，起到强化和深入知识理解的目的。2.2 思政案例库思政案例库 基于仪器分析课程特点，凝练成“家国情怀”“科技创新”“职业素养”“朋辈友情”四大主题的思政案例，把思政教育潜移默化地渗透到课程教学的各个环节，充分发挥专业课程的育人功能。在教授学生专业知识的同时，培养学生勇于创新的科学精神、严谨的科学态度，引导学生形成正确的人生观和价值观。2.3 科研案例库科研案例库 科研案例库包含三方面内容：(1)知识的发现、理论形成和迭代过程中的关键历史事件和科学家故事，以科学发展为主线建立知识点间的内在逻辑，培养学生创新思维；(2)发表于Nature、Science等权威期刊的科学发现和典型应用；(3)重大科技进展事件。通过最新科研成果中关键科学问题解决思路和举措的分析讨论进一步深化学生对基本概念的理解，启发学生创新思维。2.4 虚拟仿真等教学软件虚拟仿真等教学软件 建设了覆盖主要章节核心知识点和仪器结构的3D动画库、大型精密仪器虚拟仿真实验、谱图查询软件等软件资源。3D动画可以将晦涩难懂的知识内容简单直观地呈现在学生面前，高沉浸感的虚拟实验可以锻炼学生的操作能力，降低学习难度，同时弥补部分大型仪器实验无法实做的缺憾；谱图查询软件收纳了近百个常见化合物的红外、核磁和质谱图和解析思路。学生输入关键词即可观察到对应谱图的标准谱，点击特征峰即可观察到谱峰所对应的基团信息和谱图解析过程，帮助学生提高解谱能力。3 课程教学内容及组织实施情况课程教学内容及组织实施情况 依托优质教学资源、超星“一平三端”教学平台和QQ在线交流软件，开展“思政引领、科教协同、资源保障、多元融合”的教学改革。将课前、课中、课后各环节打通。课前，通过学习通发布导学任务引导学生自学，同时通过线上习题和视频完成情况监测学情，通过问卷收集学生自学过程中遇到的难点问题；课中，重构教学内容，多元融合各种教学手段开展案例研讨和翻转课堂等教学68 大 学 化 学 Vol.38改革；课后，布置思维导图、文