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，郭慧敏，董校，宋波，潘玉珍，杨成

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

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。

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1 课程教学改革整体思路

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。

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

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

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

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。

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改革；
课后，布置思维导图、文献调研、方案设计等综合性题目促进学生完成知识的自我建构和对仪器分析课程内容的活学活用。具体实施举措如下。

3.1 科学发展视角下的“案例化”教学，知识传输与科研思维训练、创新能力培养并重

针对仪器分析课程内容杂、多、散，知识体系系统性不强的问题，重构课程内容，以科研思维为主线串联知识原理。围绕科研创新过程，结合经典分析方法的发现、理论的形成和迭代过程，以及分析方法在生产实际和科学前沿中的进一步应用中的典型事件设置系列问题展开研讨。通过重大科研成果研究过程的经典重现带领学生感受科研，同时通过环环相扣和层层递进的问题设置引发学生深入思考，从而更好地建立知识点之间的内在关联。

以电位分析法为例，首先以中国年轻学者高伟等[6]在Nature发表的全集成可穿戴电位传感器方面的工作导入课程，指明电位分析方法在生命健康检测、环境保护、公共安全等方面具有广阔的应用前景，引发学生兴趣。基于科研案例设置系列问题：电极电位的本质是什么？电极电位为什么能有选择性？作为最早的电位传感器，pH电极是怎么被发现和应用于生产实践的？pH电极的构造和各部分组成具有什么特点？玻璃电极为什么在氢离子检测中具有选择性，具有怎样的构效关系？如何发展其他类型的选择性电极？电极的选择性该如何评价？将离子选择性电极应用于柔性器件、单细胞分析、床旁血气等检测时，又有哪些关键问题需要解决？问题环环相扣，层层递进，既包含知识发现过程，又涉及方法在科学前沿和生产实际中的典型应用。在问题导向式的教学过程中，学生不再是被动地、零散地接受知识，对知识的理解也不再停留在表面，而是能更好地建立知识体系和利用知识体系解决问题。值得一提的是，基于pH电极发现过程和现象背后原理的探讨不仅可以引领学生感受科研过程，还可以深化学生对基础知识的理解。1906年，M. Cremer在研究液接电位时发现了玻璃膜电位对氢离子的反常响应[7]。为了使输出的电动势只与液接电位有关，Cremer使用两根参比电极用于电动势输出。这一实验设计很好地解释了为什么玻璃电极内部通常要嵌入一个内参比电极的原因——稳定和输出电位，从而可以帮助学生更好地理解玻璃电极的构造组成。基于这一问题可以进一步引申到目前的研究热点——全固态离子选择性电极。为了满足器件便携和穿戴方面的需求，离子选择性电极需要制成全固态结构，避免内参比溶液和内参比电极的使用。那么在实际应用时，固态离子选择性电极的电位能否稳定？要提高电位的稳定性，有哪些问题需要解决？进一步还可以引申讨论，如果玻璃膜很薄，水分子可以渗透，会不会对膜电位测量结果的准确性产生影响？那么电极微型化到单细胞需要的微米水平，是否可行？通过当前科研中遇到问题的深入探讨，不仅可以深化学生对知识的理解，而且可以进一步激发学生的创造力，锻炼学生思维。

在仪器分析课程内容中，这样的例子比比皆是。选择案例研讨时，可以针对创新人才培养的不同层面有所侧重，既关注科研逻辑的训练、创新能力的培养，也注重思政元素的渗透和品格的塑造。比如，在极谱分析法中，极谱现象的发现也是一个偶然。1903年科塞拉在研究表面张力随电位的变化规律时发现了几次信号极大现象。海洛夫斯基重复了该现象，发现这种电解过程更加具有测量特性，并总结了电流-电极电位曲线，指出根据这种曲线的位置和形状可以作为对被电解物质进行定性和定量测定的基础[8,9]。通过该事件提示学生不要忽视实验中的反常现象，反常往往是创新的来源。而后，经典极谱的发展又遇到了灵敏度方面的问题，制约灵敏度的关键因素是充电电流。要降低充电电流，就需要深入理解充电电流和电解电流之间的关系。通过对充电电流和电解电流的讨论，分析影响其变化的因素，找到充电电流随时间快速衰减的特点，提炼出现代极谱分析法通过脉冲和方差的方式减小充电电流影响的思路，使学生明白科学研究中抓主要矛盾、提炼关键科学问题的重要性。比如，在色谱分析法中，马丁和辛格借鉴分馏和萃取理论推出了色谱流出曲线的数学表达式，并建立了塔板理论[10]。这一点可以引申出新理论的建立，往往需要跳出固有的思维框架，充分借鉴其他学科的既有成果。因此，创新需要具有比较宽的知识面，这样才能不“困于一隅”，跳出固有的思维范式，交叉融合。而通过理论建立过程中前提条件的分析，即分配过程时刻处于热力学平衡、流动相脉冲进入色谱柱等，指出塔板理论在忽略动力学因素方面的局限性，这也为后续速率理论的发展进行了铺垫，也使得学生感受到理论不断完善的过程。再比如，在介绍唐本忠院士发现的聚集诱导发光现象时，与学生探讨什么是引起四苯乙烯聚集态发光的真正原因。不具备刚性共轭结构的四苯乙烯，为什么在固态下就能发光[11]？要解释这些问题，你有什么思路？目前，唐本忠院士自己又开展了哪些深入的研究，分子态发光理论是否适用于聚集态？通过这些问题的研讨可以使学生明白勇于质疑的必要性，但质疑的前提是对已有理论的深入理解和分析。科研案例的系统研讨不仅可以向学生传授知识，帮助学生建立知识之间的内在联系，更重要的是可以向学生展示知识的发现、总结和迭代过程，以及解决问题过程中的思维方式，从而实现启发学生创新思维的目的。

3.2 软件直观呈现微观相互作用，解决教学难点

仪器分析的核心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。缺乏对基础理论的深入理解无疑将限制学生的创造力。针对这一问题，课程团队开发了系列3D动画，并引入了理论模拟计算结果，通过将抽象的原理和理论教学内容形象化，加深学生对基本原理的理解。比如，通过3D动画演示了液接电位的形成过程、色谱两相分配过程、X-ray产生过程、拉莫尔进动、偶极子在交变电场中的运动等，将抽象的原理形象化，降低理解难度；
利用密度泛函理论模拟了甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇与高分子微球和硅胶两种吸附剂的相互作用来源(诱导力、色散力、偶极力、氢键中的一种或几种)和相互作用过程中的电荷分布，计算得到不同醇系物在两种吸附剂表面的吸附能，并与实验结果进行比对，强化学生对分离过程的理解[5]；
针对部分大型仪器分析实验实做困难的问题，将核磁、能谱等大型精密仪器开发成虚拟仿真实验。虚拟实验既包含仪器工作原理，也提供实操演练。通过虚拟实验的模拟实做可以让学生在熟悉实验流程的基础上加深对仪器分析方法的理解和应用能力，开阔学生视野。

3.3 强调归纳比较，突出课程重点

针对分析方法众多的特点，通过对各种分析方法的对比分析，引导学生归纳总结内在联系，抽取共性、辨析差异的方式突出重点。如，在光谱分析方法中，注重比较原子光谱和分子光谱在原理、仪器、应用上的异同。再如，针对三种原子光谱方法让学生思考：为什么有了原子发射，还要发展原子吸收和原子荧光方法，每个方法各自的特点和不足是什么？通过多次对比，可以使学生不仅理解各种分析方法的基本原理，也能区分不同方法，以及根据分析任务选择合适的分析方法。

3.4 多元融合教学手段，促知识内化迁移，创新能力提升

通过思维导图、文献调研、方案设计、实验实践等多种举措促进学生知识的内化和迁移，以及知识的自我建构和创新能力的升华。例如，将科研过程中的实际问题交由学生分析，引导学生设计解决方案。选取的问题需要具有一定的综合性和挑战度。例如，在课题组的科研过程中发现银离子与氨基四苯乙烯(TPE-NH2)混合可以改变原始染料TPE-NH2的颜色，使溶液从无色变成墨绿色，紫外吸收光谱显示混合物在400-600 nm波段出现了3个特征吸收峰。同时，荧光光谱显示与银离子反应后，体系的荧光发射强度急剧降低，请学生分析光谱产生变化的原因，究竟是电荷转移光谱？是由于氧化还原的产物的吸收？还是可能存在其他原因？请学生分析原因并写出分析流程和步骤解析。问题来源于实际科研，而且分析问题的过程需要多种仪器分析方法的联合使用，方案设计灵活性强，不仅能激发学生兴趣，而且可以锻炼学生对知识的活学活用能力和解决问题的能力。

除了布置科研实例供学生分析外，同时在每一章节结束后，根据科研热点指定研究方向，布置学生自选领域并查询相应领域内近5年的研究论文并撰写文献总结。文献报告内容需包含：创新点提炼、文献要解决的问题以及解决思路，方法是否存在问题，针对文献不足提出解决方案等。根据文献调研主题分组讨论，并选派代表项目答辩。通过翻转课堂调研、讨论、总结、答辩等多环节训练，促进学生发现问题和解决问题能力的提升，以及批判和创新思维的养成。

期末占比60%-70%，平时成绩占比30%-40%，充分考虑线上自学完成情况(5%-10%)、随堂测试(10%)、讨论参与情况(5%-10%)和案例设计作业(10%)完成情况综合给出。课程得到了专家和学生的一致好评。近3年，学生评教分数分别为99.1、99.4和99.7；
学生课业优良率显著提升，解决复杂问题能力得到提高。调查问卷显示学生：“喜欢仪器分析课程”“喜欢科教协同的教学方式”“对阅读文献从事科创很有帮助”。学生的探究兴趣得到提升，多位学生课后进入课题组从事分析化学方向的科研创新，创新成果在国家和省部级实验竞赛中多次获奖。多名学生学习仪器分析后，热爱上了仪器分析方向的科学研究，毕业后进入国内外知名高校分析化学专业继续深造。

多种教学资源和教学手段的融合有效促进了“思政引领、资源保障、科教协同、多元融合”教学改革实践的顺利实施，解决了仪器分析课程面向拔尖创新人才培养过程中的痛点问题，提升了课程的“两性一度”，激发了学生的学习兴趣，深化了学生对知识和知识体系的理解，锻炼了学生的创新能力。学生并没有因为任务多而感到反感，反而觉得课上所学内容很有意思，对他们很有帮助，课程也获得学校推荐申报第二批一流线下课程的资格。然而，要持续激发学生的学习动力，仍需要课程在教学内容的深度、广度、前沿性，课后案例设计的质量和可操作性，考核评价方式等方面进行持续建设和改进。

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