趙子龍，黃晉，劉艷嵐，宦雙燕，王玉枝

湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，長沙 410082

分析化學(xué)是探索與認(rèn)識分子世界與化學(xué)現(xiàn)象的主要工具之一，是研究獲取物質(zhì)的組成(定性與定量)、結(jié)構(gòu)等信息的方法與技術(shù)及其相關(guān)理論的科學(xué)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展以及學(xué)科深度交叉融合，各種新理論、新原理、新方法和新儀器不斷涌現(xiàn)，使分析化學(xué)進入了一個新階段[2]，不但為各領(lǐng)域和各行業(yè)提供研究方法和工具，也為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)則建立提供依據(jù)[3]，在促進科學(xué)進步、國家安全、經(jīng)濟繁榮和社會穩(wěn)定方面發(fā)揮著重要作用。探索如何培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞陌渭鈩?chuàng)新人才是當(dāng)前分析化學(xué)(2)教學(xué)實踐的一項重要任務(wù)。

1 存在問題

湖南大學(xué)分析化學(xué)是一門為化學(xué)及相關(guān)專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，由分析化學(xué)(1)、分析化學(xué)(2)、波譜分析和相應(yīng)實驗課組成[4,5]。其中，分析化學(xué)(2)主要講授光分析法、電分析法、色譜分離分析法的基本原理、方法及應(yīng)用，是分析化學(xué)的重要組成部分。為培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞陌渭鈩?chuàng)新人才，湖南大學(xué)分析化學(xué)(2)不斷探索，已取得一定成效，仍有短板需要完善。存在的主要問題體現(xiàn)在以下三個方面：

(1) 課程基本理論、分析方法和儀器多為西方國家提出和發(fā)展，中國元素顯示度不足。僅依托教材內(nèi)容開展教學(xué)，不容易體現(xiàn)我國科學(xué)家的貢獻和當(dāng)代中國分析化學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀，難以在知識傳授的同時實現(xiàn)價值引領(lǐng)。

(2) 教材中儀器裝置和部件僅依靠圖片展示和文字描述，過于簡單和抽象。此外，實驗實踐與理論教學(xué)在時間安排上難以同步，導(dǎo)致知識內(nèi)容抽象枯燥，易挫傷學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性，不利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

(3) 教學(xué)內(nèi)容強調(diào)基本理論，更新較慢，無法展示學(xué)科發(fā)展趨勢和最新進展。僅依托教材內(nèi)容授課，不利于學(xué)生學(xué)科視野和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

2 采取的措施和方法

為了強化分析化學(xué)(2)的育人功能，我們深度挖掘和梳理課程所蘊含的思政元素、實際應(yīng)用案例和學(xué)科前沿進展，并通過顯性與隱性滲透的方式，將其與知識點融合，引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)本質(zhì)、認(rèn)清本質(zhì)后找到解決問題的方法，以期在知識傳授的同時實現(xiàn)對學(xué)生的價值引領(lǐng)和能力培養(yǎng)。

2.1 知識傳授融入思政案例，提升課程立德樹人功能

在導(dǎo)論中引入社會焦點——核酸檢測，加強學(xué)生對新冠病毒和防疫政策的理解；引入“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器、青蒿素的發(fā)現(xiàn)史和中國探月工程等中國重大科學(xué)和技術(shù)進展，講解其中的分析化學(xué)元素，增強學(xué)生對分析化學(xué)的理解。我們根據(jù)各章節(jié)教學(xué)內(nèi)容，積極融入思政案例，實現(xiàn)價值引領(lǐng)(表1)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀和價值觀。

表1 分析化學(xué)(2)思政案例

2.2 知識傳授融入實際案例，提升理論聯(lián)系實際能力

針對分析化學(xué)(2)理論教學(xué)和實驗實踐難以同步而造成理論知識與實踐結(jié)合不夠緊密的難題，我們不斷改進教學(xué)方式和豐富教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)教學(xué)知識點引入社會熱點案例，增強學(xué)生對儀器的掌握和理解，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)檢測對象靈活運用知識設(shè)計實驗的能力，提升學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。

2.2.1 授課方式多樣化，增強學(xué)生對分析儀器和分析方法的掌握

通過多方式、多層次、多場所的教學(xué)方式，不斷豐富教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣。充分利用線上學(xué)習(xí)資源，將課本中簡單、抽象的儀器生動地展示給學(xué)生(圖1a)[6,7]。同時，將實驗室的紫外分光光度計、原子吸收光譜儀、熒光光譜儀、HPLC等儀器向本科生開放(圖1b)，為學(xué)生提供課后實踐場所，進一步加深學(xué)生對儀器的認(rèn)知和理解，增強學(xué)生對分析儀器和分析方法的掌握。

圖1 (a) 線上學(xué)習(xí)資源的利用；(b) 實驗室儀器向本科生開放

2.2.2 授課內(nèi)容緊密聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識解決實際問題的能力

在教學(xué)過程中注重理論和實踐的聯(lián)系，結(jié)合社會熱點、科技進展和環(huán)境安全類事件等，引導(dǎo)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識解決實際問題的能力。例如，2020年12月17日，嫦娥5號返回器成功降落，帶回了1731 g珍貴的月球土壤。月球土壤分析不但為探討月球起源與演化歷史提供了重要參考，還為未來月球礦產(chǎn)資源開發(fā)利用提供了依據(jù)。在分析化學(xué)(2)最后一章分析過程的教學(xué)實踐中，我們引入月球土壤分析實例，讓學(xué)生設(shè)計分析月球土壤的方案。學(xué)生通過查閱文獻資料，歸納出無損→少損→有損的分析過程，使有限的樣品盡可能給出最大的科學(xué)產(chǎn)出；并發(fā)揮集體智慧總結(jié)了月球土壤分析的檢測內(nèi)容和分析方法(表2)。我們還結(jié)合其他教學(xué)內(nèi)容，引入不同實際案例，以問題為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識，解決實際問題的能力(表3)。

表2 月球土壤分析案例

表3 實際案例與分析化學(xué)(2)相關(guān)知識點

2.3 經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容與學(xué)科前沿相結(jié)合，提升學(xué)生創(chuàng)新能力

分析化學(xué)(2)是分析化學(xué)長期科學(xué)研究和高水平應(yīng)用成果的結(jié)晶，蘊含著豐富的科學(xué)思維和創(chuàng)新思維，與此同時，分析化學(xué)(2)的發(fā)展具有鮮明的時代特征，各種先進的分析原理、方法和儀器不斷涌現(xiàn)。在分析化學(xué)(2)教學(xué)中，我們在注重挖掘經(jīng)典內(nèi)容中的創(chuàng)新思維的同時，積極融入最新科學(xué)進展，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新能力。

2.3.1 深挖經(jīng)典內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新能力

在熒光分光光度法教學(xué)中，首先向?qū)W生介紹斯托克斯爵士發(fā)現(xiàn)斯托克斯位移的實驗裝置，然后向?qū)W生介紹熒光光譜儀的基本部件和光路，通過分析兩者的相似之處，引導(dǎo)學(xué)生積極思考經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容中蘊含的科學(xué)創(chuàng)新思維，了解經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動作用。同時，成立了研究興趣小組，指導(dǎo)學(xué)生利用熒光光譜儀和共聚焦激光掃描熒光顯微鏡進行課外科學(xué)研究。例如，膠體金作為一種廣譜的熒光猝滅劑廣泛用于球形核酸熒光探針的構(gòu)建，并成功用于細(xì)胞中各種生物分子的分析?；诖耍覀兿蜓芯颗d趣小組提出問題：能否發(fā)展不含膠體金的球形核酸熒光探針，用于細(xì)胞內(nèi)生物物質(zhì)的檢測，組織學(xué)生展開廣泛討論。小組成員通過深入了解經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容中激發(fā)態(tài)分子的去激發(fā)過程，通過查閱文獻和與課題組研究生交流，利用核酸組裝策略和熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理，發(fā)展了一種簡單、智能、無膠體金的球形核酸探針用于細(xì)胞內(nèi)三磷酸腺苷(ATP)的檢測[8]。同時，我們積極引導(dǎo)研究興趣小組根據(jù)經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容進行文獻調(diào)研和實驗設(shè)計，通過新冠病毒檢測與中和等課題的研究實踐，培養(yǎng)了本科生的科學(xué)創(chuàng)新能力[9-12]。

2.3.2 緊密聯(lián)系學(xué)科前沿，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新思維

在熒光光譜分析法中融入2008年諾貝爾化學(xué)獎——綠色熒光蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、表達和發(fā)展，和2022年諾貝爾化學(xué)獎——點擊化學(xué)與生物正交化學(xué)知識點，向?qū)W生介紹了綠色熒光蛋白技術(shù)和生物正交化學(xué)兩種方法的基本原理及其在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用。前者是基于基因重組技術(shù)將熒光蛋白與目標(biāo)蛋白相連，為目標(biāo)蛋白的定位、遷移、構(gòu)象變化以及分子間的相互作用提供可觀察的標(biāo)簽；后者是通過在生物環(huán)境中發(fā)生的一組對生物分子影響微小或?qū)ι^程干擾微小的化學(xué)反應(yīng)，從而在目標(biāo)蛋白上精準(zhǔn)修飾小分子標(biāo)簽。在講解的基礎(chǔ)上，通過分析案例與學(xué)生討論熒光蛋白技術(shù)和生物正交化學(xué)技術(shù)在細(xì)胞分析中有哪些不同點，通過學(xué)習(xí)，學(xué)生歸納出兩者主要的不同點包括：(1) 基本原理不同。前者是基因重組技術(shù)，后者是化學(xué)方法。(2) 標(biāo)簽大小不一樣。熒光蛋白分子量大，影響目標(biāo)蛋白結(jié)構(gòu)和功能，從而影響分析結(jié)果。生物正交化學(xué)工具分子量小，對分析對象干擾小。(3) 應(yīng)用范圍不一樣。與熒光蛋白技術(shù)相比，生物正交化學(xué)反應(yīng)種類多，應(yīng)用范圍廣泛，如疾病精準(zhǔn)治療等。我們進一步留出課后作業(yè)：熒光蛋白技術(shù)在2008年獲得諾貝爾化學(xué)獎后，為什么生物正交化學(xué)反應(yīng)在2022年還能獲得諾貝爾化學(xué)獎？它解決了哪些熒光蛋白標(biāo)記技術(shù)不能解決的問題？引導(dǎo)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。其他知識點與科學(xué)前沿進展結(jié)合的案例見表4。為了闡明案例與經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容的結(jié)合，我們以圖譜的形式展示了案例和經(jīng)典內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)(圖2)。

表4 科學(xué)前沿進展案例與分析化學(xué)(2)相關(guān)知識點

圖2 教學(xué)實踐案例與知識點關(guān)聯(lián)圖譜

3 綜合教學(xué)案例與思考

青蒿素是抗瘧疾的特效藥，具有速效、低毒等優(yōu)點。但因溶解度小而難以制成注射劑液，口服生物利用度低和復(fù)發(fā)率高等不足限制了青蒿素的應(yīng)用。為了解決上述問題，中國科學(xué)家們相繼發(fā)展了雙氫青蒿素及其醚類、羧酸酯類和碳酸酯類衍生物。雙氫青蒿素是蒿甲醚在體內(nèi)主要活性代謝產(chǎn)物。探討青蒿素、雙氫青蒿素和蒿甲醚的保留時間，有助于研究蒿甲醚在體內(nèi)的代謝。因此，在反相高效液相色譜法教學(xué)實踐中，我們以青蒿素、雙氫青蒿素和蒿甲醚為例，引導(dǎo)學(xué)生分析三種物質(zhì)在結(jié)構(gòu)上的不同(圖3)，討論官能團的變化對物質(zhì)極性的影響，并得出結(jié)論：極性從大到小依次為雙氫青蒿素、青蒿素和蒿甲醚。因此，在反相高效液相色譜中，保留時間從小到大依次為雙氫青蒿素、青蒿素和蒿甲醚。當(dāng)減少乙腈-水流動相中乙腈含量時，流動相非極性減少，導(dǎo)致組分在流動相中分配系數(shù)變小，從而增加了組分在反相高效液相色譜中的保留時間。通過上述案例，學(xué)生總結(jié)了影響反相高效液相色譜分離因素主要有以下兩點：(1) 組分與固定相之間的相互作用越強，組分保留時間越長；(2) 流動相極性越強，組分在反相高效液相色譜中保留時間越長。另外，雙氫青蒿素向蒿甲醚的轉(zhuǎn)化涉及了化學(xué)衍生技術(shù)知識點。因此，在此教學(xué)案例中，我們將青蒿素這一思政元素與反相高效液相色譜分離影響因素、化學(xué)衍生技術(shù)等知識點有機融合，引導(dǎo)學(xué)生逐步得出結(jié)論，并與文獻[13]對比，加強了學(xué)生對相關(guān)知識點的掌握和靈活應(yīng)用。

圖3 青蒿素、雙氫青蒿素和蒿甲醚的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

4 結(jié)語

通過不斷豐富教學(xué)內(nèi)容和改進教學(xué)方法，精選思政案例、社會熱點案例和學(xué)科前沿進展案例，探索和設(shè)計案例與相關(guān)教學(xué)內(nèi)容有機融合的方式，運用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，豐富教學(xué)內(nèi)容和改善教學(xué)方法，注重知識傳授和價值引領(lǐng)相統(tǒng)一、理論知識與實際問題相統(tǒng)一，經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容和科學(xué)研究新進展相統(tǒng)一，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新思維和科學(xué)創(chuàng)新能力，推進分析化學(xué)(2)課程科學(xué)育人和思政育人的雙重育人功能，在培養(yǎng)德才兼?zhèn)浒渭鈩?chuàng)新人才方面取得了積極成效。