“三位一體”助力分析化學相關(guān)實驗類課程的改革

“三位一體”助力分析化學相關(guān)實驗類課程的改革林天然，侯麗，董家新，葉芳貴，田建裊，張亮亮，趙書林，邱建華，沈星燦

廣西師范大學化學與藥學學院，廣西桂林541004

實驗教學是學校教學工作的重要組成部分，是深化課堂教學的重要環(huán)節(jié)，是學生獲取、掌握知識的重要途徑[1]。如何深化實驗教學改革，構(gòu)建新形勢下創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，是高等教育教學改革的重要課題，已成為教育工作者關(guān)注的重點。特別是在卓越教師培養(yǎng)計劃2.0與基礎(chǔ)學科拔尖學生培養(yǎng)計劃2.0的號召下，依據(jù)“厚基礎(chǔ)、強能力、高素質(zhì)”的卓越教師培養(yǎng)目標，如何加強學生的實驗能力與創(chuàng)新能力是實驗類課程迫切需要達到的目標之一[1-5]。

分析化學實驗與藥物分析實驗是專業(yè)課分析化學與藥物分析的配套實驗課程。兩門實驗課既有區(qū)別又有聯(lián)系。區(qū)別主要是參與的學生主體和研究的對象不同，分析化學實驗是化學專業(yè)學生課程，側(cè)重于常用的滴定分析方法應用；而藥物分析實驗主要是制藥工程類學生課程，藥物分析的研究對象偏向于藥物，側(cè)重于掌握常用的藥物鑒別、檢查和含量測定方法的原理和實驗操作技能。共同點是都需要熟悉常見的分析化學理論，正確和較熟練地掌握稱量、移液、滴定分析等基本操作技能和基本知識，提高觀察、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)嚴謹、細致的工作作風和實事求是的科學態(tài)度，樹立嚴格的“量”的概念，為學習后續(xù)課程和未來從事科學研究打下良好的基礎(chǔ)。綜合化學實驗課程目標主要是培養(yǎng)學生的高階實驗技能以及發(fā)現(xiàn)問題、綜合分析問題和解決問題的能力。我校獨秀班率先開設(shè)綜合化學實驗課程，目前正在向其他化學專業(yè)的學生普及。這三類實驗課程都與分析化學相關(guān)，雖然具有各自的課程目標以及課程內(nèi)容，但是課程之間是存在關(guān)聯(lián)性、相輔相成的。目前，通過系統(tǒng)地分析這三類課程之間的聯(lián)系、尋找個性與共性問題進行探索與改革以提高卓越人才培養(yǎng)水平的研究，鮮有報道。

1分析化學相關(guān)實驗類課程存在的教學問題分析

在教學過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題，主要表現(xiàn)在：(1)不同專業(yè)的學生在對玻璃器皿的操作手法上存在明顯差異，特別是制藥工程類學生；(2)操作正確的不同專業(yè)學生對實驗數(shù)據(jù)的記錄和處理方式也不一樣，特別是在對量的概念上存在差異性；(3)學生缺少對常用數(shù)據(jù)處理軟件的使用；(4)學生對大型儀器的使用較為陌生；(5)創(chuàng)新性實驗起到的訓練效果有待提高；(6)學生的實驗課學習成績評價結(jié)構(gòu)難以充分考查學生的實驗和創(chuàng)新能力。

造成上述問題的原因主要有以下幾個方面：其一，各個實驗課的基礎(chǔ)內(nèi)容如分析化學實驗和藥物分析實驗交叉內(nèi)容較少，而實際上這兩門課同屬于分析化學相關(guān)實驗，之間的聯(lián)系較為廣泛，而藥物分析實驗課的學生沒有學過分析化學實驗相關(guān)的基本操作練習，導致藥物分析課程的學生在分析相關(guān)的一般操作和數(shù)據(jù)處理上存在能力的不足。其二，大型儀器的數(shù)量較少，課時有限，而且每組學生較多，難以做到每位學生都有實操機會。其三，創(chuàng)新性實驗內(nèi)容和訓練效果有待提高，比如有些創(chuàng)新性實驗已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上擁有較多信息資源使得學生缺少主動思考與設(shè)計。其四，學生的實驗課學習效果評價結(jié)構(gòu)上不合理。當前對實驗的考核內(nèi)容主要包括平時成績與期末筆試考核，而平時成績主要看實驗報告，相對于其他的科學素養(yǎng)比如創(chuàng)新性能力的評價較少。其五，綜合化學實驗是另外兩門實驗與畢業(yè)設(shè)計以及科研型實驗的橋梁，但在具體教學內(nèi)容上如何與畢業(yè)設(shè)計和科研前沿接軌以及彌補現(xiàn)有分析化學相關(guān)的基礎(chǔ)性實驗存在的不足，是需要思考的重要問題。

2“三位一體”助力分析化學相關(guān)實驗類課程的改革

鑒于此，我們從實驗項目與內(nèi)容的修訂、實驗教學方法的改革、實驗教學效果評價結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等方面，進行分析化學相關(guān)實驗教學的改革與完善。通過分析化學相關(guān)實驗類課程的改革，可以優(yōu)化我?；瘜W類和制藥工程專業(yè)學生的培養(yǎng)體系，提高學生的基本科研素質(zhì)與創(chuàng)新能力，提升我院學生的綜合培養(yǎng)質(zhì)量，進而提高學生的就業(yè)能力，為廣西醫(yī)藥創(chuàng)新大背景下各類型藥物相關(guān)企業(yè)以及相關(guān)院校輸送優(yōu)秀的工作人員和卓越教師。

2.1實驗項目與內(nèi)容的修訂

通過對現(xiàn)有實驗項目和內(nèi)容進行充分調(diào)研和討論的基礎(chǔ)上，對分析化學實驗課中考查目標相似的實驗項目進行精簡，刪除“食用醋總酸度的測定”和“混合液中Bi3+、Fe3+濃度的測定”兩個實驗。在藥物分析實驗課的內(nèi)容中增加分析化學相關(guān)的稱量、移液、滴定等基礎(chǔ)操作練習與有效數(shù)據(jù)處理練習，同時加大實驗平臺建設(shè)的力度與管理，加強與虛擬仿真教學的結(jié)合，豐富虛擬仿真平臺中分析化學實驗以及藥物分析實驗用到的大型儀器項目，如高效液相色譜儀、紫外-可見分光光度計等，使學生在條件不足的情況下也能對儀器的操作有更深刻的了解。優(yōu)化綜合化學實驗的教學內(nèi)容和教學過程，服務(wù)學院各專業(yè)的本科生，通過與不同專業(yè)教師(有機、無機、物化、分析)合作，指導學生完成一個從合成、表征、應用及分析一體化的實驗，提高學生的創(chuàng)新設(shè)計能力。在綜合化學實驗課教學過程中，改變教學模式，由教師布置任務(wù)，設(shè)計實驗框架，學生查找相關(guān)文獻信息，設(shè)計實驗方案，課上再由教師分析實驗方案可行性，做實驗得到數(shù)據(jù)的同時邊分析、邊學會優(yōu)化實驗條件，發(fā)揮主觀能動性，改變填鴨式的實驗教學模式，提高學生綜合應用所學知識的能力。綜合化學實驗教學內(nèi)容優(yōu)化為實驗背景前言介紹、材料合成及其表征、分析方法的構(gòu)建及其應用、大型儀器使用及數(shù)據(jù)分析、實驗數(shù)據(jù)處理及分析和論文格式撰寫輔導。其中，還有包含數(shù)據(jù)處理方法的學習、論文格式撰寫輔導、文獻搜索指導和文獻分組競賽搜索。由學生匯報實驗教學中學到的數(shù)據(jù)處理方法，如熒光儀與粉末衍射儀的數(shù)據(jù)輸出、導入Origin作圖軟件、橫縱坐標的設(shè)計、數(shù)據(jù)的誤差分析等。通過不同學生將所學儀器的處理方法進行在線共享，提高學生處理數(shù)據(jù)的能力。文獻搜索指導，重點介紹常用的中文和英文數(shù)據(jù)庫，演示英文文獻的查找過程。文獻分組競賽搜索是由教師提供與所設(shè)計課題相關(guān)的文獻清單，學生分組競賽完成相關(guān)文獻的查詢和下載。學生通過閱讀與實驗內(nèi)容相關(guān)的文獻，對所得到的數(shù)據(jù)進行分析，撰寫實驗論文。通過對這三類分析相關(guān)實驗教學內(nèi)容的改革，使得這三類實驗的培養(yǎng)目標得到了融合貫通。

2.2實驗教學方法的改革

2.2.1加強創(chuàng)新能力與團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)

在實驗課教學過程中，除了講授實驗教材的理論知識和實驗內(nèi)容外，在實驗課的教學過程中也插入了一些生活中遇到的實際問題，如漓江水質(zhì)含氧量分析、葡萄酒中抗氧化劑亞硫酸鈉含量的分析等，讓學生們了解到實驗課所學到的內(nèi)容不僅可用于單一目標物檢測，也可實現(xiàn)快速、靈敏和準確檢測生活中的其他常見物質(zhì)，增加學生對實驗類課程的興趣，拓展實驗課程在實際生活中的應用。此外，在實驗課教學結(jié)束后，面向本科生開放科研實驗室，培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新樂趣，明確自身的發(fā)展方向，并指導學生參加“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科研訓練”“全國高等師范院校大學生化學實驗邀請賽”“挑戰(zhàn)杯大學生課外學術(shù)科技作品競賽”“‘國藥工程-東富龍杯’全國大學生制藥工程設(shè)計競賽”“廣西高校大學生化學實驗技能競賽”等并取得優(yōu)異的成績。2022屆廣西師范大學化學與藥學學院畢業(yè)生總數(shù)約250人，在其中31位校級優(yōu)秀大學畢業(yè)生中就有14位學生參加過分析化學相關(guān)的創(chuàng)新實驗訓練、實驗邀請賽以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽。學生在參加比賽的過程中，創(chuàng)新能力與團隊協(xié)作能力也得到了培養(yǎng)。以挑戰(zhàn)杯比賽為例，首先給學生布置一些科研實驗拓展類課題，指導幾位本科生同學團隊協(xié)作，利用空余時間查閱相關(guān)文獻、設(shè)計方案、聯(lián)系廠家、購買藥品、分組實驗以及總結(jié)匯報等，充分調(diào)動組內(nèi)同學的分工協(xié)作關(guān)系，從而增加實驗類課程的趣味性，使學生學會主動學習和獲取知識，提高他們數(shù)據(jù)收集以及分析實驗現(xiàn)象的能力；學生考查所設(shè)計的方案在實際生活中的應用，總結(jié)成果，申請了專利和軟件，并參加了廣西的區(qū)級挑戰(zhàn)杯比賽，獲得了區(qū)級特等獎的好成績，實驗成果發(fā)表在國際著名期刊BiosensorsandBioelectronics上，并且學生還將整個競賽過程以及心得體會進行總結(jié)并發(fā)表于國內(nèi)著名教學類期刊《大學化學》[6]。學生反映通過參加這些課外科研訓練，不僅提高了科研創(chuàng)新能力，而且也增強了做科研的自信心，培養(yǎng)了團隊協(xié)作與多學科交叉融合能力以及勇于改變現(xiàn)狀、勇于創(chuàng)新、勇于實踐的寶貴精神[6]。同時，這些成功的科研競賽項目也具有極大的示范性作用，激勵了下一屆的學生積極參加專業(yè)競賽。

2.2.2加強實驗教學與虛擬仿真教學以及課外實驗活動的結(jié)合

分析化學實驗或是藥物分析實驗都會用到一些大型儀器，如高效液相色譜儀、紫外-可見分光光度計等。目前，在教學過程中發(fā)現(xiàn)學生存在儀器操作和數(shù)據(jù)分析能力脫節(jié)的情況，大部分學生可能會操作，但是不會對結(jié)果進行分析，而有些學生甚至沒能實際操作大型儀器。因此，為了讓制藥工程專業(yè)的學生能夠多接觸以后工作后會經(jīng)常用到的大型儀器，學院組建了色譜分析實驗室，增加了色譜儀器數(shù)量，使得人均儀器數(shù)目比例由1比20提高到1比4，提高了學生的色譜儀器操作與數(shù)據(jù)分析能力，提升了學生的就業(yè)能力。在學校實驗條件許可的情況下，也加強了理論教學與虛擬仿真教學的結(jié)合，豐富了我院虛擬仿真實驗室模擬儀器的裝置和檢測過程以及平時的線上考核，加深學生的印象和理解。但是，仍然有較多大型儀器存在套數(shù)不足的情況，特別是一些科研類相關(guān)以及畢業(yè)設(shè)計相關(guān)的大型儀器，如透射電鏡、掃描電鏡、光電子能譜儀等。因此，在此類情況下，我們通過優(yōu)化綜合化學實驗教學內(nèi)容，鼓勵多位學院教師共同參與，提供操作平臺，擬定與科研相關(guān)的研究類課題，學生根據(jù)個人愛好，選擇相應的教師和課題并開展進一步研究，在研究過程中不但可以接觸這些大型科研儀器，還可以得到科研相關(guān)的數(shù)據(jù)分析處理和論文寫作鍛煉，解決了學生想學習大型儀器但又接觸不到的問題，為以后的畢業(yè)設(shè)計和科研工作順利開展架設(shè)了橋梁。

3實驗教學效果評價結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

盡管部分學生的期末實驗課總成績很高，但是在做畢業(yè)設(shè)計時卻并沒有體現(xiàn)出相關(guān)的優(yōu)勢，欠缺發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。因此，對分析化學實驗評價體系進行改革，新評價體系由7部分組成，優(yōu)化了各部分的考核細節(jié)，確定了各部分最終占實驗成績的比例：實驗預習(占比10%)，實驗操作(占比30%)，實驗結(jié)果(占比5%)，實驗安全和衛(wèi)生(占比5%)，實驗報告(占比5%)，實驗小結(jié)(占比5%，實驗小結(jié)為每次實驗結(jié)束后學生就本次實驗相關(guān)內(nèi)容展開分析討論總結(jié))、期末考試(占比40%)，各項成績和總成績均以百分制計算。在這一評價體系中，提高了對創(chuàng)新能力和綜合能力的考查比例，設(shè)計了實驗小結(jié)評分，提高了反思能力的權(quán)重，同時兼顧了其他科學素養(yǎng)的考評如實驗預習、實驗報告以及實驗結(jié)果的思考部分等。此外，鼓勵學生參加科研類項目的訓練和專業(yè)競賽。學生通過訓練或參賽不僅可以提高創(chuàng)新能力與實驗能力，提高自身的綜合素質(zhì)，同時，參與競賽的獲獎等級和數(shù)目可以作為評價學生實驗課學習效果好壞的體現(xiàn)。參加競賽獲得的成績不僅可以依據(jù)學校制定的學分轉(zhuǎn)換規(guī)定轉(zhuǎn)換成相應學分，而且也從側(cè)面反映了學生綜合實踐能力的提升。因此，多種形式的考查方式有利于調(diào)動