基于创新实验的《波谱解析》课程建设与研究生创新能力的培养

来源:用户上传      作者:崔士强 郑春红 蒲守智

　　摘要：本文探索出了新的基于创新实验的《波谱解析》课程教学模式，包括波谱解析结合创新型实验的教学目的、教学内容、方法、途径及组织形式等。通过基础理论知识和创新型实验教学的开展，激发研究生的学习兴趣和创新思维习惯，培养研究生求异探索的科学品质、实验能力、科研思维能力、创造能力、分析问题和解决问题的能力，以及科学研究素养和良好的科学品质。
　　关键词：波谱解析；创新实验；课程建设；创新能力
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）06-0122-03
　　《波谱解析》课程的主要内容包括核磁、质谱、红外和紫外的基本原理、基本方法及应用，是江西科技师范大学化学一级学科硕士研究生的必修课程。研究生通过本课程的学习，应该能够对已知化合物结构进行确认，并且能够对未知有机化合物结构进行解析。因此，掌握波谱解析的基本原理和方法并熟练地应用，已经成为化学专业研究生所必需的技能。
　　目前，研究生的学习主要是通过对确定知识的掌握和不确定知识的获得来实现。对确定知识的掌握，即对基础知识和基本理论的理解固然不容忽视，而对不确定知识的获得则要更加重视。在对不确定知识获得的过程中，要充分发挥人的主观能动性和创新思维，这个过程对创新能力的培养是至关重要的。所以，开展和实施创新型实验教学，既可以拓展研究生教学的视野，丰富研究生教学内容，又能够为研究生创新能力的培养提供理论依据和实践经验。
　　为了使研究生更好地掌握确定知识握以及获得不确定知识，在教学内容上，我们紧密遵循波谱解析理论的科学体系，与科学、技术、社会紧密联系，开放实验室，培养研究生的科学探究和创新精神，使《波谱解析》课程与创新型实验结合起来，与研究能力结合起来，与提高学生的考博率结合起来，与扩大学生的就业率结合起来，充分发挥研究生的主体作用，有利于培养研究生的思维能力、创造性和创新意识。
　　一、课程体系的构建
　　创新实验教学内容比较抽象，不仅要使研究生真正了解并掌握课程中的基础理论知识，还需要让其掌握课程中所涉及的大型仪器的操作，以及创新型实验的技巧和方法。因此，要从教学内容、教学手段和教学方法等方面对课程内容进行重新构建。
　　第一，确定教学目标，优选教学内容，细化知识点，抓住重点突破全局，紧密遵循创新理论的科学体系。由于四大谱学涉及了分析化学、有机化学和物理学等多学科的知识，并且每一种谱学都涉及大量的图谱数据。这些知识点和图谱数据抽象且不成系统，学生要在短时间内理解，具有相当的难度。因此，我们希望通过对教学内容的优化和细化，分清主次，以核磁为主，其次是质谱和红外。对于波谱原理和影响因素等基本知识部分，要特别透彻明晰地讲授。将授课教师或研究生的研究结果作为案例引入教学，便于学生将理论知识和实际问题结合起来，培养研究生的科学研究素养。以实际应用为导向，为学生提供大量谱图供学生课后思考和解析。检验学生学习效果的考核，按开、闭卷结合的方式进行。总之，创新实验《波谱解析》课程的构建是对教学方式的探索，也是社会主义新时代对学生创新能力和科研能力培养的要求。在有限的时间内最大程度地激发学生的学习兴趣，并全面掌握该课程的主要内容，提高学生解决科研实际问题的能力的同时，学生的综合能力也会获得较大提高。
　　第二，教学手段多样化，基础知识以多媒体教学为主，抽象的实验内容通过构建虚拟仿真实验室给予形象化，从而改变传统的教学模式。《波谱解析》课程的知识点繁杂而且抽象，需要分析大量的图谱案例。如果按照传统的板书教学手段，在有限的课时内很难完成本课程全部的教学工作量，教学效果也会大打折扣。学生在面对各类图谱时，很难将其与分子结构联系起来。因此，我们采用多种教学手段。首先，通过多媒体辅助教学，将抽象的基础知识具体化，使学生更快更好地掌握基础知识，提高学生的学习兴趣。其次，通过构建虚拟实验室，把谱图的获得过程直接生动地展示给学生，以此提高学生操作仪器的能力，同时避免由于不了解仪器的构造和操作规程而损坏仪器。最后，通过构建图谱和分子结构之间的联系，结合动画向学生展示各种谱图的综合解析过程，增加学生对图谱解析过程的感性认识，从而更加熟练地将波谱解析应用到实际科研当中。
　　第三，基础理论与创新型实验同步相结合，综合科学研究的综合实验，结合研究生的研究方向设计创新实验，使学生能够亲自操作每一种波谱解析仪器，让学生懂得如何应用现有谱学知识和仪器，对创新实验中的已知化合物進行确认，以及对实验过程中的未知化合物结构进行表征，从而为研究生学习期间的科研活动奠定坚实的基础。同时，结合研究生的研究方向，优选教学内容，细化知识点，把课程内容融入研究项目，让研究生在科研实验过程中牢固掌握和应用谱学知识，为其后续的科研活动服务。
　　另外，结合我校教师科研项目，开放研究实验室以及现有的波谱解析仪器等，让研究生在有机合成、产物分离和结构表征等方面进行系统化的创新研究学习，以培养研究生的探索精神和实际科研能力，从而提高研究生的创新能力和综合素养。
　　综上所述，基于创新实验的《波谱解析》课程构建思路如图1所示。
　　二、课程体系的实施
　　本课程体系的实施是按“学习过程”“教学过程”和“教学目标”三个模块进行的，如图2所示。一般来说，研究生的学习过程是按照“认知—探究—论证—创新”的方式逐级进行的。这是一个循序渐进的过程，从最开始的接受知识到理解知识，然后对知识的验证，最后是发现问题，创造新的知识。
　　1.在“认知”阶段，教学过程主要采用的是课堂理论教学，涉及各种波谱解析仪器的基本原理、发展概况及特点，仪器各部件的适应性等。这些内容属于学习的初级阶段，学生主要通过识记获得并初步掌握基础理论知识。
　　2.在“探究”阶段，通过多媒体或动画对抽象的基本理论、仪器结构以及操作方法等内容具体化，探究仪器的操作规程，激发学生的学习兴趣，加深、巩固学生对基础知识的理解和掌握。这不但让学生知其然，还要知其所以然。 　　3.在“论证”阶段，开设与课程相对应的实验课程，通过让研究生实际操作波谱解析仪器，让其对所学的基本原理和操作方法进行验证，并熟练掌握各种仪器的操作。既能让研究生较牢固地掌握基本理论知识，又能让其掌握仪器操作技能，真正地把分子结构、谱图和仪器联系起来，学以致用，不再纸上谈兵。
　　4.在“创新”阶段，通过结合研究生的研究方向设计创新实验，提升专业实践创新能力，为研究生后续开展各自方向的科学研究奠定良好的基础。在此过程中，完成对研究生独立科研能力、创新能力等方面综合素质的培养，为其能够成为优秀的研究生奠定坚实的基础。
　　三、教学效果的评价
　　为了准确地测评学生的实际学习情况，了解此次课程教学效果，在期末开展了调查。调查对象为我校已经完成《波谱解析》课程学习的2017级部分化学专业研究生，共51人。对调查中的主要问题分析如下。
　　1.对课程的认识和教学效果的评价。大多数学生认为这门课程重要（重要61%，很重要14%，一般25%），认为课程很难和较难的分别占32%和36%，说明要牢固掌握本课程内容，对学生来说还有一定的困难。对于多媒体教学和虚拟仿真实验室使用效果的评价，认为效果很好的占51%，较好的占36%，说明灵活运用多媒体辅助教学和虚拟仿真实验室，确实可以激发学生的学习兴趣，较高地提升教学效果，帮助学生较好地掌握课程内容。
　　2.对于仪器操作技能的评价。所有的学生都认为有必要在每一章结束后安排相应的实验仪器操作（很有必要78%，有必要22%）。能够独立操作四种波谱解析仪器的同学占12%，能够独立操作三种波谱解析仪器的占16%，能够独立操作二种波谱解析仪器的占23%，能够独立操作一种波谱解析仪器的占49%。可以看出，在学习基础知识的同时，同学们都希望通过实验环节加深对所学的知识掌握，并希望亲身接触实验仪器、操作仪器，获得操作技能。每一位研究生在课程结束时，至少能够独自操作一种波谱解析仪器。同时，我们也可以看到，在有限的课时内，要全部掌握四种波谱解析仪器的操作还是有一定的困难的。
　　此外，通过基于创新实验的《波谱解析》课程建设与研究生创新能力培养模式的实施，学校培养了一批实践能力强、综合素质高的研究型人才。不管是直接就业还是继续深造，用人单位和深造单位都给予了高度评价，认为我校毕业的研究生不仅较好地掌握各种仪器的使用，而且动手能力、科研能力以及创新能力等综合素质较高。用人单位和深造单位对我校毕业研究生有较高的评价，每年都有很多单位要求推荐毕业生到他们单位工作或继续攻读博士学位。这些成绩的取得，为即将毕业的研究生的就业和继续深造奠定了坚实的基础。
　　四、结论
　　通过对创新实验《波谱解析》课程的建设，大部分研究生能够运用所学知识对本研究方向所涉及的化合物结构进行解析，并能够将得到的数据应用到论文的发表和毕业论设计文当中。通过该课程的实施，虽然取得了一定的成绩，大部分研究生对该课程的学习表现出较大的兴趣，但也要认识到仍有相当一部分研究生对于这门课程的学习依然有一定的困难。这些问题需要教师不断地改进教学手段，革新教学方式和方法，建立一套紧密遵循创新理论的科学体系，增加研究生学习和探索的主动性，让学生在全面、系统地掌握波谱解析基础知识的同时，掌握几种波谱解析仪器的操作，真正做到理论学习和科学实践相结合，培养科研能力、创新能力和综合素质较高的研究生。
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