科研成果向實(shí)驗教學(xué)轉化的探索與實(shí)踐論文
隨著(zhù)社會(huì )對高校畢業(yè)生綜合素質(zhì)和創(chuàng )新意識要求的不斷提高，化學(xué)實(shí)驗(綜合性)的重要性也不斷地被強調�；瘜W(xué)綜合實(shí)驗是應用化學(xué)專(zhuān)業(yè)的核心課程，各大高校紛紛對該課程進(jìn)行調整以適應新形勢下的要求。如復旦大學(xué)在專(zhuān)項經(jīng)費的資助下大刀闊斧地修訂實(shí)驗項目，以實(shí)現“培養學(xué)生串聯(lián)、組裝各知識點(diǎn)、實(shí)驗技能，形成有效解決問(wèn)題的能力”的教學(xué)理念。西南科技大學(xué)的化學(xué)綜合實(shí)驗課程已經(jīng)發(fā)展成熟，向著(zhù)精品課程發(fā)展，形成了信息化平臺的教學(xué)資源。北京大學(xué)則是將綜合化學(xué)實(shí)驗教學(xué)延伸到科研學(xué)術(shù)組內，引導學(xué)生更多地參與到科研課題組。我校(西安交通大學(xué))化學(xué)綜合實(shí)驗的發(fā)展受資金限制，只能通過(guò)“節流”來(lái)實(shí)現跳躍式的改革�；瘜W(xué)綜合實(shí)驗課程處在學(xué)生修完基礎實(shí)驗與開(kāi)始畢業(yè)設計前這個(gè)關(guān)鍵的時(shí)期，其目的是對學(xué)生已學(xué)知識進(jìn)行總結、歸納、應用和延伸，使學(xué)生在修完化學(xué)綜合實(shí)驗課程之后，能夠更加順暢地過(guò)渡到隨后的科研訓練及畢業(yè)設計環(huán)節，循序漸進(jìn)地得到系統的研究訓練。針對這些限制和需求，將前沿領(lǐng)域科學(xué)研究中相對成熟的科研成果向教學(xué)實(shí)驗項目轉化是最快最有效的方式；而且，隨著(zhù)教師科研的進(jìn)展，隨時(shí)將教師新的成熟科研項目不斷地融入到化學(xué)綜合實(shí)驗的教學(xué)中，也保證了化學(xué)綜合實(shí)驗實(shí)現新技術(shù)、新應用、新視野的要求。
化學(xué)綜合實(shí)驗課程在新要求下應具備以下特點(diǎn)：①在內容上要體現“綜合”的特性；②使學(xué)生全面接觸大型測試儀器；③緊密聯(lián)系當前研究熱點(diǎn)。這樣設置課程內容不僅能改善實(shí)驗項目陳舊的問(wèn)題，引領(lǐng)學(xué)生直接關(guān)注研究熱點(diǎn)，同時(shí)也能系統地訓練學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。實(shí)驗的全面性也讓參與實(shí)驗的教師對自己的科研有了新的體會(huì )，實(shí)實(shí)在在地起到教學(xué)相長(cháng)的作用。
1實(shí)驗項目選擇
提高學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng )新能力和綜合素質(zhì)這一目標的實(shí)現需要從一點(diǎn)一滴做起，切實(shí)完成好一個(gè)個(gè)具體的實(shí)驗。因此，我們從以下幾個(gè)方面對實(shí)驗項目進(jìn)行了修訂。
(1)突出熱點(diǎn)和學(xué)科前沿。
學(xué)院調動(dòng)廣大優(yōu)秀教師對《化學(xué)綜合實(shí)驗》教材重新進(jìn)行了編寫(xiě)，所有實(shí)驗均精選自一線(xiàn)教師的教學(xué)積累、近期研究成果及前沿科學(xué)等相關(guān)課題，內容涉及鋰電池電極材料、熒光磷光材料、金屬有機配合物、表面活性劑等多個(gè)領(lǐng)域。
例如“氧化-還原法制備石墨烯”的實(shí)驗。由于石墨烯在電子運輸、導電性、機械特性等方面廣闊的應用前景，加上其在2010年成為諾貝爾物理獎的主題，受到廣大科研工作者的青睞，是目前國內外研究的熱點(diǎn)課題。本學(xué)院教師在科研基礎上將其轉化為一個(gè)成熟的綜合實(shí)驗。充分考慮實(shí)驗安全性和原料成本，以天然鱗片石墨為原料，運用Hummers法制備氧化石墨，通過(guò)超聲波剝離技術(shù)制備單層氧化石墨烯及還原石墨烯，并通過(guò)X射線(xiàn)衍射譜和拉曼光譜對比分析了原料和產(chǎn)品。再如磷光發(fā)光材料對未來(lái)新一代顯示技術(shù)及節能固態(tài)照明光源研發(fā)的意義重大，實(shí)驗“2-苯基吡啶Pt配合物磷光發(fā)光分子的合成與光物理表征”合成了一種磷光發(fā)光分子，它是一種金屬有機配合物，是在聚合物主鏈或支鏈通過(guò)化學(xué)鍵引入功能性金屬中心而生成的新型高聚物。金屬聚合物由于整合了金屬中心的導電、熒光、氧化還原、催化特性以及高分子材料優(yōu)良的溶解性能而備受關(guān)注，在催化、磁性材料、熒光材料等多方面都有很好的應用前景，也是當今化學(xué)研究領(lǐng)域的熱門(mén)課題之一。我校教師將其整合成一套適用于學(xué)生操作的綜合實(shí)驗。從前驅體的制備、目標分子的合成到產(chǎn)物的分離、提純，從方法的選擇到洗脫液的選擇配比，都進(jìn)行了深入的探討，讓學(xué)生對金屬配合物的合成方法以及柱層析分離有了更清晰的認識。
這些實(shí)驗既加強了學(xué)生化學(xué)專(zhuān)業(yè)必備的基本操作技能訓練，又能讓他們充分了解教師的科研內容和目前此研究方向的現狀與進(jìn)展，開(kāi)闊了眼界，達到了提高學(xué)生實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的目的。
(2)聯(lián)系實(shí)際，注重設計。
大多數基礎實(shí)驗內容與日常生活關(guān)系不大，學(xué)生在實(shí)驗過(guò)程中只是照方抓藥，這樣會(huì )有種紙上談兵的感覺(jué)。這次改革引入了一些和日常生活緊密相關(guān)的實(shí)驗，可以讓學(xué)生體會(huì )化學(xué)知識對人類(lèi)文明的推進(jìn)作用，提升他們的專(zhuān)業(yè)親切感和自豪感。如“兩性表面活性劑十二烷基二甲基甜菜堿(BS-12)的合成與評價(jià)”，學(xué)生自己從原料入手合成表面活性劑，進(jìn)行系統的性能評價(jià)后進(jìn)一步設計并配制自己專(zhuān)屬的洗手液和洗發(fā)水；鋁合金是日常生活中一種非常重要的裝飾材料，“鋁合金的圖紋化”實(shí)驗強調學(xué)生自行設計，在教師審閱保證安全的情況下給予學(xué)生最大的自由度，讓學(xué)生將�；�、自己的名字制作成銘牌留作紀念。這種寓教于樂(lè )的實(shí)驗能有效提高學(xué)生的興趣；實(shí)實(shí)在在的樣品更有視覺(jué)沖擊力，使學(xué)生對相關(guān)知識的印象更加深刻。
(3)緊密?chē)@“綜合”的主題。
整個(gè)教材的選題對于從單個(gè)實(shí)驗內容到各項目之間的關(guān)聯(lián)都進(jìn)行了通盤(pán)考慮。單個(gè)項目?jì)热萑�，從產(chǎn)品合成、優(yōu)化、修飾到表征是一個(gè)小“綜合”，各實(shí)驗項目之間從基礎性實(shí)驗、綜合型實(shí)驗到設計性實(shí)驗，逐級增加實(shí)驗難度，并且囊括了化學(xué)學(xué)科中的幾大分支，輻射到了無(wú)機合成、高分子、儀器分析等各方面，甚至對近化學(xué)學(xué)科(如材料、醫學(xué)、食品等)也有涉及，相當于一個(gè)大“綜合”�！痘瘜W(xué)綜合實(shí)驗》教材本身是一本很好的科研入門(mén)資料，雖然我們在課程設置上不能將所有實(shí)驗全部開(kāi)出，但是學(xué)生在平時(shí)的閱讀中也能有所收益�；瘜W(xué)綜合實(shí)驗將做成一個(gè)不斷開(kāi)發(fā)升級、滾動(dòng)發(fā)展的課程，逐步開(kāi)出更多新型的實(shí)驗，為科研成果向教學(xué)項目的轉化進(jìn)行有益的探索，為學(xué)生系統地接受科研訓練創(chuàng )建平臺。
2引入先進(jìn)大型儀器
大型儀器設備是高等院校重要的科技資源之一，隨著(zhù)國家對高等教育經(jīng)費的不斷增加，我校的儀器設備特別是大型精密儀器設備在數量上有了很大的提高。由于基礎實(shí)驗條件和目標的限制，學(xué)生接觸到大型精密儀器的機會(huì )很少，但在進(jìn)行畢業(yè)設計時(shí)又需要使用，造成了帶畢業(yè)設計教師的很大困擾。因此在化學(xué)綜合實(shí)驗課程中引入先進(jìn)實(shí)驗儀器的訓練很重要。
在化學(xué)綜合實(shí)驗課程中，學(xué)生有機會(huì )在老師的指導下親自操作大型儀器，可以提高他們參與實(shí)驗的興趣。同時(shí)使用大型儀器的經(jīng)歷使得他們對儀器的構造、使用及簡(jiǎn)單維修都有了很直觀(guān)的認識，也能更深刻地體會(huì )到先進(jìn)儀器設備對科研發(fā)展的促進(jìn)作用。改革后的化學(xué)綜合實(shí)驗課程中的所有實(shí)驗項目均涉及產(chǎn)品的鑒定分析，涵蓋了我中心大部分的大型儀器，如：X射線(xiàn)衍射儀(XRD)、核磁共振儀(NMR)、拉曼光譜儀(Raman)、紫外可見(jiàn)吸收光譜儀(UV-vis)、傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)、熒光光譜儀(AFS)、接觸角儀(CAT)等。每位教師可根據自己的科研內容，選擇最有代表性的幾種表征手段。教師對儀器的原理、具體的操作方法以及最后的譜圖分析都要進(jìn)行詳細的介紹，使學(xué)生在掌握儀器的使用方法后能夠自行進(jìn)行檢測。與傳統實(shí)驗相比較，學(xué)生的參與度更高。
如在實(shí)驗“金屬酞菁的合成及光譜特性研究”中，學(xué)生合成出含有鈷、鋁、鋅等金屬中心原子的酞菁配合物，分別研究了不同金屬中心、不同溶劑對酞菁紫外可見(jiàn)吸收光譜的影響，并針對同一溶劑的不同濃度、不同金屬中心的酞菁熒光光譜進(jìn)行了檢測對比。相較于基礎化學(xué)實(shí)驗單一的評價(jià)條件，在化學(xué)綜合實(shí)驗中系統地討論了各種變量之間的聯(lián)系和影響，對學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力都是很好的鍛煉。同時(shí)，學(xué)生對兩種譜圖進(jìn)行分析比較，對紫外可見(jiàn)吸收光譜及熒光光譜這兩種分析手段之間的聯(lián)系和區別也有了更深的認識。又如實(shí)驗“局部麻醉劑苯佐卡因的制備及表征”，由對甲基乙酰苯胺分四步反應最終合成出產(chǎn)品苯佐卡因，每合成出一種前驅體都要進(jìn)行相應的檢測(用熔點(diǎn)儀測熔點(diǎn)，用紅外光譜分析官能團等)，學(xué)生從檢測的數據和合成產(chǎn)品的產(chǎn)量，選擇下一步的投料量，最終對合成出的產(chǎn)品進(jìn)行核磁共振分析。由于每一步的成敗都直接影響最終的結果，可使學(xué)生意識到這是“自己”獨一無(wú)二的實(shí)驗，檢測時(shí)就不會(huì )走過(guò)場(chǎng)。
3調整教學(xué)方法及考核辦法
3.1教學(xué)方法的改進(jìn)
化學(xué)綜合實(shí)驗已從原來(lái)的32學(xué)時(shí)增加到64學(xué)時(shí)，時(shí)間的延長(cháng)有利于科研的系統性，同時(shí)也對這門(mén)課程提出了更高的要求。
傳統的實(shí)驗課一般都是教師根據教科書(shū)中的明確實(shí)驗目標對學(xué)生提出統一的要求；改革后的化學(xué)綜合實(shí)驗不但內容輻射面廣，而且與時(shí)俱進(jìn)，強調學(xué)生參與實(shí)驗設計，這更符合培養創(chuàng )新型人才的要求。課程內容則是教師給出實(shí)驗題目及基礎背景，由學(xué)生上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，在課堂上教師和學(xué)生相互探討；教師根據目前的研究水平進(jìn)行分析，并結合實(shí)驗室具體條件，和學(xué)生一起討論出最佳的合成路線(xiàn)、提純方法及相應的檢測手段；在實(shí)驗過(guò)程中，教師根據每個(gè)學(xué)生的實(shí)際情況給出解決辦法，直到最后報告的完成。學(xué)生每完成一個(gè)實(shí)驗就相當于完成了一個(gè)系統的小課題。
3.2師資配備的調整
化學(xué)綜合實(shí)驗課程的改革對帶實(shí)驗課的教師自身科研水平的要求有很大提高。以往科研水平高的資深教師較少參與實(shí)驗教學(xué)。此次除了對課程內容和結構上進(jìn)行很大的調整之外，另一個(gè)亮點(diǎn)就是科研一線(xiàn)的教授、副教授直接走進(jìn)實(shí)驗室，全程參與學(xué)生實(shí)驗中的討論、指導。同時(shí)，打破了一位教師主講一門(mén)課程的傳統。我們的實(shí)驗課是由一位教師總負責，6位資深教授、副教授分別指導自己編寫(xiě)的實(shí)驗項目。由最專(zhuān)業(yè)的教師講授自己最擅長(cháng)的實(shí)驗，能使學(xué)生在實(shí)驗過(guò)程中隨時(shí)接受到最有效的指導，這本身對學(xué)生來(lái)說(shuō)就有很強的吸引力，因此收效顯著(zhù)。
3.3考核制度的改進(jìn)
完善的考核體系能更好地檢驗教與學(xué)的效果，同時(shí)也能促進(jìn)教學(xué)內容的不斷完善。新的考核制度更注重對學(xué)生自身素質(zhì)、創(chuàng )新思維和創(chuàng )新能力的培養，既包括對平時(shí)操作技能的評價(jià)，也包括對實(shí)驗的積極性、主動(dòng)性，實(shí)驗設計能力，求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度等的評價(jià)。平時(shí)成績(jì)從原來(lái)占總成績(jì)的30%增加到70%。加大平時(shí)實(shí)驗的成績(jì)能使學(xué)生更注重在平時(shí)實(shí)驗過(guò)程中的表現，引導他們由過(guò)去的“學(xué)習、考試”型學(xué)生向“學(xué)習、探索、研究、創(chuàng )新”型學(xué)生轉變。
4以科研助教學(xué)、教學(xué)帶科研的循環(huán)滾動(dòng)式發(fā)展
經(jīng)過(guò)系統的綜合化學(xué)實(shí)驗課程訓練后，提高了學(xué)生科研訓練中分析問(wèn)題、解決問(wèn)題及實(shí)驗操作的能力，使他們對隨后進(jìn)行的畢業(yè)設計選題、考研方向和工作方向的選擇都變得更主動(dòng)、更有目的性，而且縮短了學(xué)生進(jìn)入畢業(yè)設計后的磨合期。同時(shí)，這門(mén)課程促進(jìn)了不同研究方向的交叉，更有利于激發(fā)創(chuàng )新思維，產(chǎn)生新的科研思路。
科研與教學(xué)是對立的統一體，二者相輔相成，相互促進(jìn)。以科研助教學(xué)，以教學(xué)促科研的循環(huán)滾動(dòng)式發(fā)展既能鍛煉學(xué)生的能力，又有利于教師的科研，是一項雙贏(yíng)的措施。
5結論和展望
科研成果向實(shí)驗教學(xué)轉化的實(shí)踐，得到了廣大師生的認可。學(xué)生的創(chuàng )新意識和創(chuàng )新能力方面有了明顯提高；查閱文獻、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，對大型儀器的認知及熟練操作都取得了很大的進(jìn)步，為他們進(jìn)行后續的學(xué)習和研究打下了堅實(shí)的基礎�；瘜W(xué)綜合實(shí)驗將不斷更新和調整，這對教學(xué)資源配套提出更高的要求，而且也需要教師傾注更多的心血、投入更多的力量。這種改革無(wú)疑會(huì )使教學(xué)和科研都充滿(mǎn)勃勃的生機�？蒲谐晒驅�(shí)驗教學(xué)轉化是高校教學(xué)科研相輔相成的正路，理應得到大力推廣。
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