創新人才培養目標下儀器分析“教研賽”教學模式研究

劉雪巖，張蕾，姜曉慶，許旭，邢志強，張鵬

遼寧大學化學院，沈陽 110036

2020年以來，我國已進入創新型國家行列，經濟社會進入到了“創新發展階段”，國家對高素質創新型人才的需求比以往任何時候都更為迫切。國家實施創新驅動發展戰略對高校人才培養提出了更高要求。然而，如何實現高素質創新型人才的培養，提升大學生的創新意識、創新思維和創新能力，是高等教育者們需要認真思考和探究的問題。

儀器分析是現代分析化學的重要分支，它是在化學分析基礎上，借助分析儀器研究物質的化學組成、物質含量及化學結構等信息的學科，是一門理論和技術含量都很高的應用性學科，也是一門具有多學科交叉性、發展性和前沿性的學科[1–3]。目前，儀器分析已成為研究各種化學理論和實際問題的重要手段，因此，在化工、醫藥、生物、環境及材料等多學科專業教學中，儀器分析課程均被列為重要的專業基礎課[4–6]。我院開設的儀器分析課程是化學相關專業的核心課，完整的教學體系包含理論課教學和實驗課教學兩大部分,二者相輔相成,理論課主要側重原理和方法,實驗課則側重實踐和應用。課程要求學生掌握現代化學分析儀器的原理和方法，能夠使用現代的分析儀器和手段解決化學問題，并且能夠針對具體問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據，通過各種信息綜合獲取合理有效的結論，并有一定的自主創新能力和科技研發能力。本課程的教學活動及教學改革探索圍繞課程目標展開，通過完整課程體系的教學，力爭使學生高標準畢業，為社會輸送具有創新能力的高素質儀器分析人才。

隨著“互聯網+”技術的發展和“移動終端”的普及，教育進入信息2.0時代，各種線上教學平臺、虛擬仿真平臺應運而生，為儀器分析課程的教學注入了新的活力[7]。然而，如何充分利用線上優質教學資源補充課上教學短板，如何激發學生的學習熱情、創新意識，如何實現理論和實驗課程的相互配合，都是高素質“創新人才”培養目標下，本課程教學需要解決的問題。

1 傳統教學模式的弊端

儀器分析是一門實用性很強的課程，內容涉及多個科學技術及交叉領域[8]，在長期教學過程及調查研究中，我們總結了目前儀器分析教學中普遍存在的一些問題。(1) 理論課內容繁多且抽象，教學手段單一。(2) 理論教學與實驗教學脫節。由于大型精密儀器臺套數較少，一般采用分組循環進行，為保證每位學生的實驗操作都能在對應理論課程后開展，往往需要將理論課與實驗課安排在兩個學期。(3) 重理論、輕實驗；重操作、輕設計。課程重點主要是理論講授，而實驗課走馬觀花，沒有起到將理論過渡到實際的橋梁作用。經典驗證性實驗，以操作練習為主，欠缺對學生實驗設計能力的培養，不利于學生創新能力提升。(4) 教材更新不及時，教學內容不能與時俱進。

2 基于“教研賽”融合式教學模式改革設計

依照“創新人才培養”目標，對儀器分析課程進行改革。針對傳統教學模式中普遍存在的問題，開展以問題為導向，以“教研賽”融合為手段，理論結合實踐的教學模式改革。改革設計方案如圖1所示，以創新實驗大賽為契機，依托各種現代儀器分析手段，將前沿科研成果改造、轉化為本科實驗教學內容，形成“教研賽”融合的教學新模式，達到應用所授儀器分析技術或彌補所缺儀器分析技術的目的。另外，通過線上資源和虛擬仿真平臺的聯合使用，將原本脫節的理論教學和實驗教學有機地銜接在一起，形成“虛實結合、理實一體化”的教學體系，實現教與練的緊密配合。該教學模式著重培養學生的創新意識、創新思維、創新能力，以及綜合分析問題、解決問題的能力。

圖1 儀器分析課程改革實施方案

3 以“熱重(TG)分析”為例“教研賽”融合式教學改革實踐

3.1 以競賽為依托，將科研前沿引入課堂

隨著科技的進步，在實際工作與科研探索中，人們對于現代儀器分析技術的需求越來越迫切，這對教學工作也提出了更高的要求，教學改革勢在必行。因此，我們時刻關注前沿技術動態，了解學科前沿及最新成果，將科技前沿導讀引入雨課堂，不斷更新教學內容，激發學生的學習熱情，提高課堂討論度，打開基礎理論與前沿應用的通道，并以各類化學相關競賽為契機，不斷提升學生解決實際問題的能力。

本文以“TG分析”為例，呈現我們的“教研賽”融合式教學改革。我們目前使用的國家級規劃教材——華東理工大學《儀器分析(第五版)》沒有列入TG分析、掃描電鏡(SEM)分析及X射線衍射(XRD)等儀器的相關理論內容，而這幾種分析手段在科研和實際生產中卻比較重要，因此，教研團隊設計將其豐富到課堂教學中，以彌補課程內容的缺失。教學安排如下：

(1) 教學過程中，引導學生利用中國大學MOOC資源——大連理工大學儀器分析實驗相關設備的理論及實驗教學，初步了解相關分析手段的理論知識體系及實踐應用；

(2) 基于教研團隊在科研熱門領域“金屬有機框架(MOF)衍生的多孔碳材料”的研究成果，將適合本科教學的部分內容設計為儀器分析實驗教學的選題(包括Cu-MOF衍生Cu/Cu2O@C的合成、成分判定、碳含量分析等)；

(3) 以“全國大學生化學實驗創新設計大賽”為契機，根據大賽要求組織學生進行參賽實驗方案的設計討論；

(4) 組建參賽隊伍，擬定參賽方案(題目：MOF衍生的過渡金屬(氧化物)基多孔碳材料制備及其碳含量TG分析)。如圖2所示，基于實驗方案，經快速材料制備、設備Mlab移動虛擬仿真培訓、儀器實際測試(SEM觀察材料形貌、XRD確定Cu元素的存在狀態、TG測試含碳量)、數據處理(Jade軟件應用)、繪圖分析(Origin和ChemDraw軟件應用)、實驗視頻制作、報告撰寫等一系列工作，形成完整的創新實驗參賽作品。

圖2 創新實驗流程

(5) 參賽作品完善后被列為本科實驗教學內容，課程安排見圖3，創新設計實驗思維導圖見圖4，該教學改革的實施強化了學生的創新思維和創新能力，增加了實驗課程的挑戰度，激發了學生的學習興趣。

圖3 雨課堂儀器分析實驗內容及創新設計實驗

圖4 創新設計實驗方案思維導圖

3.2 以線上教學為紐帶，促進理論與實驗教學銜接

基于中國大學MOOC在線學習平臺，在理論課教學階段引入實驗課優質線上學習資源，配合理論課程講解，使學生更加直觀地理解儀器分析及實驗原理，并可充分利用碎片時間，不擠占理論課學時，顯著提高課堂活躍度和學習效率。

實驗課教學時，學生可利用沉淀在雨課堂的理論課內容回放，以及Mlabs虛擬仿真平臺的培訓，提高實驗課學習體驗。此外，成熟的競賽成果將被引入雨課堂作為線上平臺的教學內容，輔助實驗教學，本文中的“TG分析”創新實驗已經在我們的雨課堂班級上線使用。

據此，通過線上線下混合式教學，達成理論與實驗的跨學期銜接，實現“虛實結合、理實一體化”的儀器分析教學體系。

4 優化考核標準，完善評價體系

增大形成性評價占比是素質教育改革的重要手段。理論課教學比以往更多關注過程考核，如圖5所示，相應考核內容均賦予一定分值，綜合計算給出成績。比如，理論課期末成績占比70%，形成性評價占比30% (其中，課堂表現，包括課堂互動問題等，占比10%；視頻學習，占比20%；作業，按章節有計劃發布，用以考核線上、線下學習成果，占比60%；課外討論，以“問題導向”引導課前預習及課后復習，占比10%)。另外，實驗課成績以形成性評價為主(占比70%)，主要包括虛擬仿真訓練、實驗操作過程、數據處理、雨課堂實驗視頻/思考題的完成度等)。

圖5 理論課形成性評價方案

5 教學反思

儀器分析課程教學的重要性是不言而喻的，它為培養精通各種分析測試手段的技術人員提供理論和技術支撐。然而，陳舊枯燥的原理往往使教學效果不佳，高素質人才培養目標難以達成，亟需打破成規，改革創新。

(1) 科研熱點研究內容引入教學(比如，MOF衍生碳材料中碳含量測定、光電修飾電極的制備及催化性能研究等等)，極大激發學生的好奇心、提高學習熱情；

(2) 開展競賽模式，引導學生團結協作，以同一目標為出發點，綜合利用多種分析手段(比如SEM、XRD、TG等)及數據分析軟件(Jade、Origin等)，幫助學生更快掌握不同設備可提供的信息，加強解決實際問題的能力，不斷提升學生的科研素養；

(3) 線上內容(雨課堂沉淀內容+儀器分析實驗慕課資源)及Mlab虛擬平臺的融入，充分銜接了理論與實驗，加強對課程內容的理解；

(4) 評價方式更加多元化(引入課堂互動、視頻學習、線上作業、互動討論等形成性評價)，更加注重過程考核及能力提升。

以創新改革為目標、以競賽為依托、以科學前沿為基石，開展“教研賽”融合的教學新模式，達到以研促教、以賽促學的效果，提升儀器分析課程的教學水平。

6 結語

針對傳統儀器分析教學存在的弊端，開展教學模式改革探索。在教學設計上對接學科前沿，科研反哺教學，用新穎有趣的科研設計性實驗替代陳舊且與實際應用脫軌的經典驗證性實驗。以化學競賽為依托，對學生進行全方位創新實驗訓練，構建“教研賽”融合的三位一體創新人才培養模式，提升課程目標及畢業標準的達成度。以“實驗視頻 + 雨課堂教學內容回放 + Mlabs虛擬仿真平臺”作為“理論+實驗課”的銜接紐帶，“教研賽”模式貫穿整個課程體系，強化“厚基礎、重實踐、促創新”的育人特色，努力造就高素質創新人才。本文的教學改革實踐探索，期待能為其他院校的儀器分析教學改革提供可借鑒的思路。