盧松濤，王群，李楊，姚遠，康紅軍，吳曉宏

哈爾濱工業(yè)大學化工與化學學院，哈爾濱 150001

作為人類社會發(fā)展的重要引擎，新一輪的世界科技革命和產(chǎn)業(yè)變革亟需新型工程技術人才。近年來，我國積極推動“新工科”建設，創(chuàng)新多元化、實踐性與國際化是新工科的教育方式特色?！靶鹿た啤比瞬啪哂泄こ虒嵺`能力強、創(chuàng)新能力強和高國際競爭力，以及快速學習新事物的能力，具備全球視野、領導能力和實踐能力[1]。2019年10月，教育部印發(fā)《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，提出要推動科研反哺教學，強化科研育人功能，激發(fā)學生專業(yè)學習興趣。

哈爾濱工業(yè)大學分析化學類課程包括分析化學、儀器分析、薄膜材料制備與技術，它們作為材料、環(huán)境、食品、生命科學等相關專業(yè)的平臺課程，是各專業(yè)必修的一門基礎課。它主要研究元素及其化合物的性質(zhì)、常用的分析儀器基本原理和定量分析方法的基本操作?，F(xiàn)代科學的最新研究進展極大地豐富了分析化學內(nèi)容，傳統(tǒng)的分析化學教學只關注學生對于基礎知識的掌握和對基本操作技能的培訓，而無法滿足現(xiàn)代社會對“新工科”人才創(chuàng)新思維模式的需求[2,3]。本課程團隊教師均有一年以上的國外教學和科研訪學經(jīng)歷，包括在美國大學分析化學排名第五的德克薩斯大學奧斯汀分校，排名第六的威斯康星大學麥迪遜分校，杜克大學和新加坡國立大學，了解國際分析化學領域研究現(xiàn)狀，課題緊密圍繞表界面功能薄膜材料的分析化學領域發(fā)展趨勢，在“空間用材料分析化學”領域的研究方面形成優(yōu)勢與特色。如何根據(jù)各授課專業(yè)的特點結(jié)合最新科研進展更新教學內(nèi)容，教學與科研成果融合，改進教學方法，更新實踐教學資源，進一步提高教學質(zhì)量，是任課教師十分關心和亟待解決的重要課題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

目前中國高校的分析化學課程大多是以教師為主的滿堂灌授課方式。教學模式陳舊，過于單一、缺乏創(chuàng)新思維。教師需要將學生集中起來，統(tǒng)一講授實驗測試技術原理、目的、儀器及試劑的使用，以及實驗過程中的具體注意事項，由于大學生在整個課程學習過程中基本上處于盲目接收知識的被動狀態(tài)，沒有時間和機會積極創(chuàng)造性思維，限制了學生擴散性思維及批判性思維的培養(yǎng)，容易減弱學生的好奇心，整個過程中幾乎沒有創(chuàng)新思維的植入，對于人才培養(yǎng)是及其不利的。

實驗內(nèi)容缺乏新意，脫離實際應用。學生被動地接受各種各樣的知識和信息，沒有時刻更新內(nèi)容和新進展。部分高校對大學生培養(yǎng)過程中的分析化學實踐環(huán)節(jié)沒有引起足夠重視，創(chuàng)新能力明顯不足，缺乏原創(chuàng)性、實用性的教學實驗資源，使得學生的實驗能力跟不上企業(yè)或是最新的科學研究工作。學生不會主動進行文獻調(diào)研，沒有自己的想法，導師讓做什么實驗，學生就做什么，人云亦云，在實驗方法上簡單移植，在實驗過程中僅簡單揭示表面現(xiàn)象，無法獨立深入挖掘科學問題等。

1.2 國外分析化學課程現(xiàn)狀

國外著名大學如麻省理工學院、加州大學、劍橋大學等歐美大學分析化學課教學模式多種多樣，上課主要講授重點、難點、習題等，突出課程內(nèi)容的國際性、前沿性、研究性和創(chuàng)新性。將前沿知識和最新研究課題引入教學，結(jié)合教材中相關知識點，激發(fā)學生興趣，了解科學研究的前沿領域。不定期安排演示實驗，講解最新科研文獻，針對學生安排一些海報展示活動并評獎，鼓勵學生研討，活躍課堂氣氛。學生不僅鍛煉了表達能力，并且在提問中得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)問題解決辦法，激發(fā)學生科研創(chuàng)新熱情和興趣。同時，非常重視分析化學實踐教育，將學生參加科研活動納入教學計劃，設置科研學分。發(fā)達國家源源不斷的科技創(chuàng)新能力正是來自于對學生的研究能力的培養(yǎng)。

1.3 具體做法

新工科教育的核心理念是理工學科交叉融合。分析化學是高等學?；瘜W類專業(yè)的一門基礎性課程，是構(gòu)成化學類學生完整知識鏈的重要環(huán)節(jié)，具有較強的實踐性。在分析化學類課程體系建設中，對分析化學專業(yè)課教學內(nèi)容提出“確保基礎性、強化系統(tǒng)性、重視前沿交叉性和展現(xiàn)應用性”的原則，從教學內(nèi)容和教學方法兩部分入手對分析化學類課程進行改革。工科專業(yè)與理科專業(yè)在課程設置、培養(yǎng)目標上有很大差異，理論課時少、實踐環(huán)節(jié)多的特點在工科專業(yè)中非常鮮明。如何在有限的教學學時內(nèi)，讓學生既能系統(tǒng)牢固地掌握分析化學的基礎理論，又能了解到最新的分析化學前沿知識，同時具有熟練的實驗操作技能，是我們在教學中所面臨的問題。課程內(nèi)容的選擇原則是什么，哪些重點內(nèi)容要講，哪些陳舊的內(nèi)容不講，必須慎重。另外要體現(xiàn)工科特色，理論聯(lián)系有關專業(yè)實際，聯(lián)系社會熱點和科研前沿問題，如能源、生命、環(huán)境及材料等專業(yè)知識，使學生達到學以致用，讓學生從本科開始就初步接觸科學研究，培養(yǎng)科研創(chuàng)新意識，為將來有意進一步讀研的學生打好科研創(chuàng)新能力的基礎，具有重要的現(xiàn)實意義和可操作性。

2 教學內(nèi)容改革

2.1 精選課程內(nèi)容、力求內(nèi)容系統(tǒng)

在哈爾濱工業(yè)大學的課程設置中，分析化學類課程被安排在大學化學、無機化學課程之后開設。在不影響課程系統(tǒng)性的前提下，盡量少講和不講先期已學課程中的部分重復內(nèi)容，或引導學生進行自學性復習總結(jié)，避免低層次重復，這樣既節(jié)省了時間，又可以介紹更多的分析化學領域中科研的新內(nèi)容新方法，根據(jù)授課各專業(yè)的特色，例如對于環(huán)境專業(yè)，由于人類的頻繁活動和不斷攀升的能源需求量，全球二氧化碳的排放不斷增加，室溫、常壓可見光驅(qū)動光催化劑高效催化CO2還原制甲烷已成為研究熱點，需要使用氣相色譜鑒定物質(zhì)組分及組成。對于材料專業(yè)，文獻里研究材料的性質(zhì)會用到質(zhì)譜、循環(huán)伏安、拉曼光譜，以及原子力顯微鏡表征固體材料的表面特性。恰到好處地進行學科知識的滲透、融合和拓展，從而使整個分析化學類課程內(nèi)容更加系統(tǒng)化，在有限的課時內(nèi)獲得更好的教學效果。

2.2 密切貼近生活，緊扣前沿進展

借助網(wǎng)絡信息，綜合運用多媒體素材，特別是與新冠肺炎的檢測方法、治療方案、藥物開發(fā)等密切相關的信息和知識點，例如結(jié)合國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布的《新型冠狀病毒肺炎診療方案(試行第六版)》中的診斷標準，作為素材來源融入分析化學教學過程。淺談COVID-19新冠狀病毒的核酸檢測方法，血氧飽和度的現(xiàn)場快速檢測，從新冠肺炎的爆發(fā)看分析化學的重要性。例如，為阻斷病毒傳播，醫(yī)院、學校和車站等人流密集的公共場所都會使用84消毒液，其中主要成分次氯酸鈉的強氧化性可殺菌消毒，但次氯酸鈉在光和熱條件下易分解，會降低有效氯含量，減弱消殺效果。碘量法是分析化學中重要的容量分析方法之一，通常用于測定84消毒液中有效氯含量[4]，化學原理是次氯酸鹽在酸性介質(zhì)中與碘離子反應，生成單質(zhì)碘；用硫代硫酸鈉(Na2S2O3)標準溶液滴定單質(zhì)碘，根據(jù)終點時標準溶液的消耗量，得到碘單質(zhì)的量，從而求得消毒液中的有效氯含量，反應方程式如下：

滴定實驗中要加入淀粉指示劑來判斷滴定終點，肉眼觀察到溶液的顏色發(fā)生了突變，立即停止滴定，根據(jù)Na2S2O3使用量計算出氯含量。同時可進一步提問，引導學生對“碘量法滴定終點為何出現(xiàn)‘重藍’現(xiàn)象”展開討論，溶液中痕量的Fe3+會促進I?重新氧化生成I2，進而出現(xiàn)“重藍”現(xiàn)象，解決的方法是加入H3PO4與Fe3+絡合[5]。實驗中自始至終都深刻體現(xiàn)現(xiàn)象和本質(zhì)的辯證關系[3]，在課堂上穿插講述馬克思主義哲學現(xiàn)象和本質(zhì)的辯證法，現(xiàn)象是事物的外在方面，本質(zhì)是事物的內(nèi)在方面，滴定實驗中，顏色變化的內(nèi)在本質(zhì)是物質(zhì)化學鍵的改變，要透過現(xiàn)象來看本質(zhì)，堅持現(xiàn)象和本質(zhì)的辯證統(tǒng)一。同時，將科研與教學有機結(jié)合促進教學質(zhì)量提高。利用化學計量學輔助復雜波譜解析的研究成果去改革分析化學課程的紫外吸收光譜分析、紅外吸收光譜、質(zhì)譜和色譜分析教學內(nèi)容，在不分離樣本混合組分的情況下，利用數(shù)學分離代替化學分離提取純組分的光譜信息，可以實現(xiàn)簡便、快速和準確的檢測，讓學生了解分析化學解析方法的發(fā)展趨勢以及一些交叉技術在分析中的應用，開拓學生的思維和視野，提高了學生的學習興趣。

2.3 理論實踐融合，提高創(chuàng)新能力

教學過程中，應注重實驗課程與理論課程知識點的融合互補，吸收當代教學、科研中成熟的代表性成果，使理論課程與實驗課程互相依托，相輔相成，鼓勵學生主動發(fā)現(xiàn)科學問題和嘗試解決問題。例如在2018年教學過程中，講解紅外光譜儀器和原子力顯微鏡的工作原理知識時，教師結(jié)合自身“原子層沉積制備氧化鋅超疏水涂層材料”的課題，引導本科生申報了學?？萍紕?chuàng)新項目，使用紅外光譜表征材料分子結(jié)構(gòu)，原子力顯微鏡觀察涂層表面微觀結(jié)構(gòu)，最終本科生以第二作者身份在美國化學會國際知名雜志《應用表面界面》(IF = 8.758)上發(fā)表了論文。課題實施過程中，學生們團結(jié)協(xié)作，刻苦勤奮，得到了很好的科研訓練，其中作為課題組長的本科生在畢業(yè)時被評為優(yōu)秀畢業(yè)生。另外一個例子是如何表征Al摻雜在ZnO薄膜中化學狀態(tài)，學生根據(jù)課程內(nèi)容所學提出用紅外光譜來證明，查閱文獻得知，一般紅外光譜波數(shù)范圍400–4000 cm?1，多是來表征有機物，對于無機物，需要使用遠紅外800 cm?1以下才能鑒別Zn―O和Al―O化合鍵，通常466 cm?1和709 cm?1處分別歸屬為Zn―O鍵和Al―O鍵的特征吸收峰[6]。學生查到外地可以測試，主動聯(lián)系老師，郵寄樣品，說清楚測試要求，最終成功得到有效數(shù)據(jù)，本科生以第三作者發(fā)表了論文，并成功獲得美國加州伯克利大學的獎學金繼續(xù)攻讀研究生。學生學到了分析化學儀器分析測試知識，加強了分析解決問題能力，鍛煉了溝通交流能力，更重要的是培養(yǎng)了學生對專業(yè)和科學研究的熱愛。

3 教學方法創(chuàng)新

采用課堂啟發(fā)自學式、重點強化式的教學方法，實現(xiàn)教師為主導、學生為主體的雙向互動[7,8]。將分析化學理論和日常生活中的一些現(xiàn)象緊密相聯(lián)，如選擇性地介紹一些與實際生產(chǎn)以及人們衣、食、住、行中有關的化學基本知識，讓學生感到分析化學其實離我們并不遙遠，從而激發(fā)學生的求知欲望和學習興趣。例如，天然水中Ca、Mg含量的測定，阿司匹林片劑中乙酰水楊酸含量的測定，如何測定奶粉中的含氮量，如何鑒定奶粉中是否含有三聚氰胺等。另一方面，開展興趣教學，將分析化學領域?qū)W科發(fā)展史引入課堂。例如，瑞典化學家阿倫尼烏斯提出了電離理論，在被保守的教授們嗤之以鼻，認為“純粹是空想，無法相信”的時候，他堅持真理，不斷努力，最終開創(chuàng)了電離學說[9]。通過小組互動討論和分享查閱的資料，充分鍛煉學生的表達能力和文獻檢索能力，了解書本上的知識來源于科學家追求真理、持之以恒獲得的智慧結(jié)晶。

4 開放表界面材料分析化學實驗室，完善合理考核方式

新工科的理念是多學科交叉與融合創(chuàng)新，實現(xiàn)課堂教學與項目學習融合，開放實驗室，創(chuàng)造新機會、加強創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐，強調(diào)“厚基礎、強實踐、重能力、求創(chuàng)新”的新工科人才培養(yǎng)特色[10]。學生在獲得一定的專業(yè)知識訓練之后，針對某一前沿課題開展項目研究，利用科研設備轉(zhuǎn)化為實踐育人平臺，將科研項目有取舍、有針對性地轉(zhuǎn)化為教學實驗，提升實驗條件和設備的能效，使學科建設成果和科研成果有效地轉(zhuǎn)化為分析化學教育資源。例如將最新科研成果“氨氣誘變鈣鈦礦MAPbI3能帶結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)化為大學生創(chuàng)新實驗，結(jié)合所學知識，讓學生真正親手操作使用紫外漫反射光譜儀和紅外光譜儀，取得良好效果，成果發(fā)表在清華大學主辦的中文核心雜志《實驗技術與管理》；再比如“3D打印”和“海水淡化”科研成果選取部分轉(zhuǎn)化為教學實驗，使得學生能夠掌握3D打印原理和操作，并對目前光熱材料在海水淡化研究中的應用有了充分的了解，相關成果已經(jīng)發(fā)表在化工領域著名雜志Chem. Eng. J.上，增強了學生的科研創(chuàng)新意識。在燃燒熱測定實驗教學中，我們從“人為什么要吃飯”這一基本問題入手，引導學生認識到能量過剩或缺乏帶來的影響和結(jié)果，從而去測量日常所吃食物的熱量，將測量對象與日常生活相結(jié)合進行教學改革和創(chuàng)新，實現(xiàn)了實驗內(nèi)容的自主選擇，激起了學生的實驗興趣，學生主動要求測量米飯、饅頭、白菜、水果、干果等食品的熱量。此外，介紹了一些分析類書籍，如《我們身邊的食品添加劑》，讓學生去閱讀，了解身邊形形色色的食品添加劑。初步研究表明，將科研成果有目的、有選擇性地轉(zhuǎn)化為教學實驗，既能夠促進科研后備力量的儲備，也有利于大學生接觸到最新科研成果，激發(fā)學生學有所用、學以致用的成就感，更加主動地充實自己，以及繼續(xù)攻讀研究生的自信心。

5 以學科競賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為載體，激發(fā)學生創(chuàng)新精神

組織學生積極參加校級和國家級競賽活動，比如“祖光杯”大賽、“挑戰(zhàn)杯”競賽、“卓越杯”化學實驗競賽，新材料設計大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目等。通過團隊小組自主選題，分工合作，邀請經(jīng)驗豐富的教師和企業(yè)專家擔任創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)指導教師。例如，通過分析化學實驗學習鍛煉學生實驗操作技能，材料化學專業(yè)學生獲得第五屆“卓越杯”大學生化學新實驗設計及化學實驗技能競賽二等獎和三等獎；來自卓越聯(lián)盟九所高校近200名化學專業(yè)的本科生和60余位高?；瘜W實驗教學專家齊聚哈爾濱工業(yè)大學，大連理工大學國家教學名師孟長功教授、天津大學國家級化學化工實驗教學示范中心唐向陽教授等十余位知名教授擔任競賽的評委。通過競賽活動及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的鍛煉，學生學會獨立思考、發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題，獲得創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力、團隊合作和交際能力。再比如，為了實現(xiàn)創(chuàng)新思維深度交融、創(chuàng)業(yè)思想廣泛匯聚、科研成果充分展示，哈爾濱工業(yè)大學于2018年1月16–17日舉辦首屆“雄韜杯”國際化學化工創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，大賽以“化學創(chuàng)造美好生活”為主題，涉及涵蓋新能源、新材料、綠色化學化工、食品化學等方向，共有國內(nèi)外包括美國康奈爾大學、烏克蘭哈爾科夫國立大學、浙江大學、四川大學、吉林大學等15個學校的22支隊伍參加，論題涉及化學、能源、材料等各個前沿領域，不同專業(yè)的學生匯聚在一起進行“論”和“談”，同時邀請專家、教授進行交流互動，提供了跨學科學習和研究的空間。

面對新技術、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和國家重大發(fā)展戰(zhàn)略需求，基于新工科背景，積極探索構(gòu)建分析化學、儀器分析等分析化學類課程科研型教學模式，結(jié)合團隊教師“空間用材料分析化學”領域的科研成果，探索科研項目轉(zhuǎn)化為教學實驗，充分利用極端服役環(huán)境材料檢測和表征的各種先進測試儀器設備，如紅外光譜、紫外吸收光譜、原子力顯微鏡等，實行科研反哺教學，教學和科研雙輪驅(qū)動協(xié)同作用。通過學習，引導學生積極參與科研項目，培養(yǎng)學生、鍛煉學生，項目取得的經(jīng)驗和成果為工科分析化學類人才培養(yǎng)提供可借鑒的指導作用。