化学科研基础与创新实验课程建设的探索与实践
时间：2023-04-25 21:20:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
谢锦桂，管华，温祖标，邓志红，钟声亮
江西师范大学化学化工学院，南昌 330000
教育部相继出台的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》(教高〔2018〕2号)和《关于狠抓新时代全国高等教育本科教育工作会议精神落实的通知》(教高〔2018〕8号)，明确指出：各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰“水课”、打造“金课”，合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量[1]。为更好地贯彻教育部的教改要求，强化学校“师范生”和“科研能力强”的办学特色，满足学生个性化发展需求，我院(化学化工学院)经过多年摸索，对化学实验课程教学做了一系列的改进，制定了“基础型-综合型(专业型)-研究设计型”逐层递进的实验建设方案，构建了“一体化、分层次”的实验教学体系[2]，逐渐由知识、技能导向型过渡到能力、素养导向型。
我院基础化学实验中心于2014年被教育部批准为国家级实验教学示范中心(以下简称“中心”)。依托“中心”设备资源齐全、教师科研能力强等优势，利用课外时间对学生进行科研训练。在化院师生的不懈努力下，将科研与实验教学相结合，打造了一门研究设计型实验课程——科研基础与创新实验。本文主要从课程的定位与目标、课程资源建设、课程特色、课程实施、案例展示及考核评价等方面介绍课程建设中的一些探索与实践。
1.1 课程定位与目标
“科研基础与创新实验”是我院实验教学体系中的一门研究设计型课程，课程内容与时俱进，注重科学性、综合性和拓展性，在整个实验课程体系中具有承上启下的桥梁作用。既是前期化学实验基础课程知识的延续，也为毕业后职业生涯或研究生的研究工作奠定基础。课程以“立德树人”为根本任务，注重学生知识、能力及科研素质的培养。
成果教育导向理论下，教什么主要取决于学生的学习成果产出。成果导向教育中培养目标的制定遵循反向设计原则。培养目标由需求(包括国家、社会、行业、用人单位等外部需求和学校、学生、教师等内部需求)决定[3]。我院综合考虑内外需求，充分利用“中心”科研能力强的特色，拟定了如下课程目标[4]：
(1) 掌握包括无机化学、分析化学、物理化学等各类化学实验合成方法和表征手段；
(2) 掌握文献检索与查新、实验数据处理、论文写作等基本科研能力；
(3) 追踪所在学科领域的前沿知识，关注化学研究动态，学会和应用现代信息技术进行实验；
(4) 能够利用实验设计知识完成实验操作、记录实验现象、书写实验报告等活动，具备实验反思的能力，发展问题解决、交流合作、创新设计等能力。
1.2 课程团队建设
美国著名课程论专家施瓦布提出构成课程的四个要素：教师、学生、教材和环境，而教师是课程的有机构成部分，是课程的主体和创造者，对提高课程建设水平起着关键作用[5]。
多年来，课程团队围绕人才培养和科学研究，开展教学和科研协同发展。通过加强二类以上高端人才的引进；
有计划地支持年青教师到国内外访学；
鼓励高学历、高职称、有实验教学和科研经验的教师从事实验教学工作等多种举措，加强本课程团队建设，形成了一支爱岗敬业、思想稳定、无私奉献、科研能力强、教学水平高的课程团队。课程团队成员如汪莉入选全国优秀教师、全国五一劳动奖章等；
钟声亮等教授入选江西省百千万人才工程；
陶端健等教授入选江西省“双千计划”。这些教师在进行科研的同时走上本科教学的一线，将最新科研成果带入本科生的课堂，扩充学生视野，拓展知识，启发学生创新思维。
1.3 课程内容建设
课程内容主要包括科研基础理论知识和创新实验操作两部分。前者主要包括文献检索与查新、实验数据处理常用软件的使用、实验数据处理、论文写作等，后者侧重对化学原理的探究、实验操作训练、科学思维的培养等。
课程中的创新实验要求必须是实验教学大纲以外的，而且是来自教师正在从事的科研课题或已有的研究成果。教师选题要求在综合考虑的基础上，课题内容注重长远性，也就是说今年的课题对于明年甚至后年仍然具有可适用性。在这个过程中，教师可以进行总结思考，发表论文，这对教师的科研发展也具有重要意义。例如，温祖标老师课题组2013年开展了“纳米KxMnO2电极材料的制备与电化学性能表征”的课题，2014年开展了“纳米CaxMnO2电极材料的制备与电化学性质研究”的课题，2016年开展了“纳米LixMoO3嵌入化合物负极材料的制备、电化学性能与储能机理研究”的课题。同时，实验课题内容立足省情，充分考虑江西地区丰富稀土资源，设计贴近生活实际的实验，适应学生未来就业和发展的需要。例如，钟声亮老师课题组2013年开展了“新型稀土纳米材料的制备与表征”的课题，2014年开展了“新型稀土纳米材料的制备及其性能研究”的课题，2017年开展了“稀土发光材料的超高温超高压制备及其性能研究”的课题。设计的实验课题内容间相互延续、相互渗透，可供学生连续使用，也是教师科研的进一步延续。
我院自编了教材《化学科研基础与创新实验》，将科研成果转化为教学内容用于课堂教学，突出科研育人。实验项目详见表1。
表1 实验项目表
2.1 课程开展模式
学院在多年实践中形成了包括立项遴选、中期检查、结题验收答辩、成绩评定、成果奖励等一个完整教学模式。具体流程为：第一步，每年四月份左右教师提交实验课题，学院“中心”对课题进行遴选，再公布到官网上；
第二步：二、三年级学生根据自己的兴趣自主选择实验课题，组成实验团队。实验团队通常包括一名指导教师和3-6名学生，若该课题报名人数不够，则取消该课题。学生主要利用课外时间和寒暑假进行实验，指导教师根据实际情况，可以采用定时、阶段等方式指导学生进行实验，必须保证提供充足的实践环境，高质量地完成实验任务；
第三步，学生成员分工协作，查阅文献资料，共同设计实验方案；
第四步，教师对实验方案进行审核并给出意见和建议，安排学生学习科研基础知识，有意识地激发学生的创新思维和培养学生创新意识；
第五步，学生学习相关知识，并对照审核结果对实验方案进行完善，直至方案审核通过；
第六步，团队成员依据实验方案在指导教师的指导下进入科研室开展实验；
第七步，每年七月开展中期检查，需提交中期研究进展报告；
第八步，指导教师根据实验进度对实验方案进行修改和调整，进而指导学生进行成果撰写，如写论文、申请专利、参加各类竞赛等；
第九步，组织进行科研基础与创新实验答辩；
最后，根据各实验小组的实验创新及答辩表现情况，经过答辩评委公正负责的评审，评选出优秀小组，颁发荣誉证书，并在学院官网通报表彰。对于答辩通过的课题，学院将相关材料上交教务处申请教学工作量，经教务处审核合格的课题计算32课时的教学工作量。
本科生毕业(论文)设计纳入了高等教育的教育环节，是课程体系内的重要组成部分[5]。与课程论文相比，毕业论文对大学生的科研素质提出更高的要求。我院积极参与科研基础与创新实验课程的学生，经过2-3年的科研训练，已经具备一定的科研基础，并在教师的指导下，将过去所参与的科研课题与毕业(论文)有机结合，在一定程度上减轻学生后面的学习负担，提高了毕业论文的完成质量。
2.2 课程案例展示
本文以《化学科研基础与创新实验》教材中的实验4为例，进行课程案例展示，具体内容详见表2。
表2 课程案例展示
(续表2)
2.3 课程考核评价
创新实验具有综合性、设计性等特点，对学生创新能力、综合素质具有更高的要求，因此，我院采取中期检查与终期答辩相结合的方式，综合考查学生整个实验过程和最终实验成果。实验中期学生需提交中期研究进展报告，指导教师需对学生前阶段文献阅读梳理汇报情况、实验方案设计、实验态度等进行评价，在实验项目完成后，应向中心提交实验运行记录、实验报告(论文)或实物等实验结果，学院在每年12月份组织进行科研基础与创新实验答辩根据实验完成度和答辩情况评选一定数量的优秀奖，给予一定的奖励并颁发证书。同时，指导教师也会根据学生的实验完成情况，指导学生进行实验成果撰写，如发表小论文、申请发明专利、参加各类大赛等。指导教师在进行下一次申报前需提交前一次指导学生取得的业绩材料(论文、专利等均需要有参与学生的名字)，学院将视情况给予一定的奖励，对于完成情况较差者，取消指导资格。从学生反馈意见看：参与过本课程的学生均表示通过本课程的学习，懂得了如何查阅文献、设计实验方案、分析实验结果和撰写小论文等。同时，接触到了本科学习外的更高端的科研仪器，自己动手实践能力、创新能力均显著提高，为今后的学习和工作打下了更为坚实的基础(反馈意见来源于学校官网)。同学们表示在今后将更努力地学习，勇于探索，争取取得好的成绩，不辜负学校和学院的培养。
3.1 课程建设实践成效
2017至2022年，我院建设的“科研基础与创新实验”课程的探索与实践在人才培养、教改和科研中均取得了不错的成效(数据统计来源参与该课程的学生)。但实践过程中也发现一些后续要优化和改进的方向。
3.1.1 人才培养出成效
该课程实践为学生提供了一个良好的平台，助力学生的成长成才。随着参与人数的逐年递增，我院考研率、各类期刊发表论文数、授权的发明专利等成绩也在稳步上升。近五年(2017-2022年)，累计考取中国科学院、985和211院校188人，并获得就读院校的一致好评，也有不少学生继续留在本校攻读研究生。期间，给指导教师担任小助手，指导本科生的科研训练，为本科生树立良好的榜样，助力本科生的成长，进一步促进自身能力的提升；
学生累计发表期刊论文170篇，申请发明专利13项；
学院鼓励学生积极参加各类大赛，在“创青春”大学生创业计划竞赛、全国高等师范院校化学实验邀请赛、“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等各类大赛中，获得国家级奖项35项、省部级奖项16项。在2020年第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛总决赛中，学院“柯林得——环氧乙烷生产新工艺服务提供商”项目脱颖而出，夺得国家金奖，实现了学校“创意组”赛道国家金奖的零突破(图1左)。不仅创下我校历史最好成绩，也创下全国师范院校历史最好成绩；
张梦尧同学荣获第六届全国高等师范院校大学生化学实验邀请赛一等奖，王辉等同学的项目获2018年“创青春”大学生创业大赛国家金奖、江西省银奖，同时获“互联网+”大学生创新创业大赛国家银奖。在2020年“挑战杯”江西省省赛中，“锂所能极——锂离子电池新型负极材料领航者”团队获得省赛金奖(图1右)。各类大赛在提升学生创新创业能力的同时，激发学生荣誉感和进取心，有效培养其顽强拼搏、团结协作、勇于超越等诸多优良品质。
图1 化学化工学院获“挑战杯”江西省省赛金奖(左)和“互联网+”国赛金奖(右)
3.1.2 教改和科研有突破
2019年化学专业入选国家级一流专业建设点，应用化学、材料化学入围省级一流专业建设点。获批1项省级教学改革研究课题、1项省级虚拟仿真实验教学项目。近五年来累计申请教学改革立项课题153项，发表教学论文32篇，申请专利75项，发表SCI科研论文810篇。陈水亮老师团队完成的“微生物燃料电池关键电极材料研究”和卢章辉老师团队完成的“过渡金属纳米复合材料的制备及其催化产氢性能研究”均获自然科学奖一等奖。
将化学一线科研教师和研究人员以往和新近的科研成果进行创新设计，并汇编了教材《化学科研基础与创新实验》。每个实验均考虑了其拓展性和延伸性，可供学生连续使用，也是教师科研的进一步延续。
3.2 不足及改革方向与措施
课程的顺利开展，实验的完成保障，需要教师和学生投入大量的时间，目前更多依赖于教师和学生自觉主动地进行，对一部分自觉性较差的学生可能较难达到预期目标。由于本课程主要利用课外和寒暑假时间，如何保证实验开展的连续性是需要考虑的问题。因此，每个课题由教师和3-5个本科生一起共同完成，保障实验开展的连续性，但不足之处是课程的评分以团队为单位进行，尚未制定对个体的详细评分细则。后续措施是制定较为完善的管理办法和奖励机制，逐渐细化对学生个体的评价，将学生的成果与学生实验过程中在创新意识、创新思维、创新能力、知识结构、智力水平等远期潜能相结合进行评价，这样更有利开展创新型人才的激励工作，更好地促进学生的积极性。
3.3 展望
科研基础与创新实验课程的建设最终促成了师生的双赢共进。一方面，学生通过参与实验获得从事化学科研所需要的基本知识和规律，并有机会发表论文、申请专利等；
另一方面，教师开展的课题在学生参与下能得到较快的完成，由此获得一系列研究成果及教学经验。因此，化学科研基础与创新实验课程教学有望成为培养新时代学生的有效途径，得到越来越多的推广。
