研究生现代仪器分析创新能力的培养模式探索

柳玉英， 王 平， 刘 青， 蔺红桃

(山东理工大学 化学化工学院， 山东 淄博 255049)

0 引 言

研究生是我国科技创新的重要主体，而创新精神和创新能力是推动民族进步和国家发展的动力源泉。因此，研究生实践能力和创新能力的培养作为研究生教育的核心，已经成为高等教育的一项重要目标，也是研究生培养质量的重要指标和发展研究生创新能力的重要基础[1-6]。另外，高层次人才的使命则在于对理论和实践中未知领域的探索与研究，创新能力对其起着关键性作用。因此，探索研究生创新实践能力的培养模式具有极其重要的意义。

创新能力是指人们在学习和继承前人知识、经验的基础上，提出新概念、新思想、新见解并完成创造发明的能力。创新意识建立在合理的知识结构基础上，需要经过系统的课程学习，培养坚实的基础理论知识。知识为创新提供原材料，创新是知识的转化与整合。合理的知识结构为创新能力的形成和培养奠定了基础。课程作为知识结构的载体，其整体上是否完善决定着研究生知识结构的合理形成和创新意识的发展。因此，要培养研究生的创新意识和创新能力，应从研究生课程教学入手[7-11]，根据课程的特点，对教学内容、教学方法等进行具体设计和安排。

随着科学的发展，分析化学已不仅仅是物质的化学组成及含量的分析方法及有关理论的科学，而是一门有关物质化学信息的科学。作为分析化学重要组成部分的现代仪器分析，其内容除了成分分析外，在很大程度上还应包括结构分析、状态分析、表面分析、微区分析、化学反应有关参数的测定及其为其他学科提供各种有用的化学信息[12]。现代仪器分析不仅是重要的分析测试方法，而且是强有力的科学研究手段。它对基础化学、环境化学、生物化学、生命科学及材料化学等学科的发展起着巨大的促进作用，已成为高科技领域不可缺少的重要手断。熟悉和掌握各种现代仪器分析方法的原理和实验技术已成为相关专业的研究生应该具有的基本素质。以我校为例，近几年来，每年选修该门课程的研究生均超过20人。因此，在近3年的现代仪器分析课程教学实践中，配合山东省研究生教育优质课程的建设项目，课程组的教师根据课程自身的特点和学生的研究领域等特点，通过灵活应用多种教学方法、分层次渐进式开设实验项目等系列措施，有效培养与提高研究生的创新实践能力。

1 现代仪器分析课程特点

现代仪器分析课程的特点主要有：① 课程的理论性较强，原理较为抽象，所涉及的知识面较广；② 该课程具有很强的实践性，每种方法所用的仪器各不相同，因此，仪器的种类繁多，操作复杂；③ 学科交叉、渗透性较强，其内容涉及到现代科学技术的众多领域，如物理学、数学、生物学、计算机等；④ 创新性强，知识更新速度快。随着科学技术飞速发展,新材料、新器件不断涌现，极大推动了分析仪器的快速更新,同时为仪器分析中方法不断更新、新方法不断建立提供了物质和技术基础。另外，相关学科的发展对现代仪器分析提出了更高的要求。因此，现代分析仪器是在综合采用各种技术的最新成果的基础上,不断创新与自身发展，同时,又为各个科技领域的研究和发展提供有力的手段和重要的信息[13-15]。

2 学生特点及教学特点

研究生在选课时基本上遵循3个原则：① 导师认为与其研究领域有关的、其理论和方法对研究生以后的学习和工作有帮助的课程；② 认为自己应该学习的课程；③ 自己感兴趣的课程。相对于本科生的教学，研究生的教学存在以下特点：① 学生的知识结构和学术背景不同，其研究的领域和方向不同，因而研究生本身的需求以及教师的要求也不相同。比如，研究燃料电池、无机膜的学生经常要用到色谱分析和表面分析方法，而研究有机合成的学生则常用色谱、红外、核磁等分析方法；② 学生的学习目标不同，研究生学习的目标在于在某个专门的领域寻求知识的突破与创新，强调寻求真理、发现规律、探索人类尚未发现的知识；③ 教学方法不同。因而，在课程内容多、学时少、学生的要求不同的研究生课程教学中，教师不可能也不需要对课程的全部内容进行详细透彻地讲解，而是结合学生的研究领域、知识结构、学习需求，灵活运用不同的教学方法，做到因材施教、因需施教，注重学生自主学习能力和创新实践能力的培养。

3 灵活多样的教学方法

笔者将近几年选修现代仪器分析课程学生的研究领域和方向进行了大概的归类，在征求研究生及其指导教师意见的基础上，将课程中各种分析方法的应用范围归纳整理(见图1)，根据应用范围的大小不同，分别采用了不同的教学方法。

图1 不同分析方法的应用范围

3.1 教师讲授

对于绝大部分学生需要重点学习和掌握的分析方法，如气相色谱、紫外、红外、循环伏安等内容，采用的是教师统一讲授和讨论的教学方法。教师需将分析方法的基本原理、所用的仪器结构、使用方法等讲解透彻，然后可以提出相关问题引导学生进行讨论，或学生提出科研工作中遇到的问题(部分学生已进入实验室参与了科研工作)进行讨论。这部分内容必须对学生进行严格、统一的要求。

3.2 翻转课堂

对于部分学生需要掌握但教师不统一讲授的分析方法，如扫描电镜、核磁共振分析等，主要是以翻转课堂的形式进行教学。教师事先将研究领域相近的学生进行分组，然后给不同组别的学生布置相应的学习内容(以学习任务单的形式)，提供主要的参考资料，让学生通过自学、提问、讨论等学习过程后，制作PPT课件，给其他同学讲解。

3.3 自主学习

对于学生需要了解或学生自己有学习兴趣和需要的内容，可以采用学生自主学习、教师辅导答疑的方式教学。教师要从研究方向、知识结构、兴趣、能力等方面了解学生，实现因材施教、因需施教。自主学习过程中，学生会遇到各种困惑，也会提出某些在科研工作中对合成的化合物或者是组装的电极在表征中遇到的问题，教师可给予有效的指导，或组织学生进行讨论。

在翻转课堂和学生自主学习的过程中，要通过自学任务单的形式对学生提出具体的学习要求，让学生明确学习目标，同时，要向学生提供相应的学习资源。本课程组依托本校的网络教学平台，为学生提供了信息化的学习资源(如主要参考教材、课件等)、自我检测学习效果的自测题和习题库、国家标准方法等，并设置了讨论区，加强师生间、同学间的交流，及时掌握和监控学生的学习情况，了解他们在学习过程中的需求以及遇到的问题，并能够及时解决。

4 分层次开设实验

现代仪器分析是一门实践性很强的课程，教学的目的是为了让研究生掌握分析方法的原理知识和仪器操作技能，同时重点培养学生学以致用的能力以及创新实践能力。在课程教学过程中，课程组教师所做的重点工作即是根据学生需求以及学校的实际情况，渐进式、分层次地开设了3种类型的实验(见图2)。

图2 渐进式、分层次的实验及要求

4.1 基础性实验

基础实验包括理论验证性实验和反映化学理论应用的实际样品分析实验。该类型的实验主要介绍方法的基本原理、仪器结构、操作流程和注意事项。主要目的是培养研究生所应具备的学科高级实验技能和实践经验。可以将该部分实验与理论教学同时进行，比如各种仪器的相关知识可以在实验课上讲解，这样可以使知识层次分明，条理清楚，学生更容易理解掌握。该类实验内容相对简单，要求学生每人都要亲自动手操作。如苯酚在正己烷、氯仿、甲醇、水中紫外吸收光谱、奎宁的荧光特性及含量测定、校正归一化法测定苯系物中各组分的含量等实验，均属于基础性实验。该部分实验约占总实验的50%。

4.2 综合性实验

综合性实验是在学生具有一定的基本知识和基本技能的基础上，运用一门课程的多种理论和技术或多门课程的知识，对学生实验技能和方法进行综合训练的一种复合型实验。主要培养学生综合运用所学的理论知识、实验方法和实验技能，分析问题、解决问题的能力。本校的研究生教学过程中，综合性实验分为两种类型：① 用不同的方法对已知的化合物进行表征或定量，如分别测定苯甲酸、乙酸乙酯等化合物的紫外图谱、红外图谱、核磁图谱，并利用所学的理论知识进行图谱解析；② 结合研究生的科研工作，对其合成、研制的化合物进行表征。如有的研究生合成了一种萘酰亚胺探针化合物，为了验证其结构是否符合预先的设计，可用核磁、红外等方法进行表征，引导学生对图谱进行细致的解析。对于综合性实验，不要求每个同学均动手操作，而是让学生自由组合，每组推选一位同学担任组长，对组内成员进行分工，有负责样品合成的，有负责样品制备的，有负责测定红外图谱的，有负责测定核磁图谱的，有负责解析图谱的等。小组内和小组间的同学要分工合作。此类实验项目占总实验的30%左右，在课程的教学过程中收到了很好的教学效果。

4.3 自主设计性实验

自主设计性实验则是由学生自行设计实验方案并加以实现的实验项目。学生应结合自己的学位论文的研究工作，也可以在课题组其他同学的工作基础上，自行设计实验内容，提出实验目的、要求，自己选定实验方法并拟定实验步骤，自己完成实验，并对结果进行分析和评价。教师提出的要求是：如果是表征物质的结构，则需用两种或两种以上的方法进行比对；如对化合物进行定量分析，同样需要两种或两种以上的方法对结果进行检验，或用标准物质验证测定的准确度。如：某研究生采用高效液相色谱-串联质谱法测定水体与沉积物中全氟化合物的含量，为了证明方法的准确度，该同学设计的实验方案是采用内标法，对全氟目标化合物进行测定，做出的标准曲线具有很好的线性关系，其相关系数均大于0.990。该类实验可以锻炼学生的实践动手能力、独立思考能力，有效培养与提高学生的创新思维、创新能力和综合素质，为后续的科研、就业打下坚实的基础。

5 结 语

针对现代仪器分析课程性质特点和研究生的特点，在该门课程的教学中探索并实践了翻转课堂、自主学习和开设不同层次的实验项目的教学模式，有效激发了学生自主学习的兴趣，提高了学生的自我学习能力，这不仅有利于学生深刻理解和掌握所需分析方法的基本原理和实验技术，也有利于学生了解现代分析方法的前沿动态，更重要的是有利于培养和提高学生的创新意识、创新思维与创新实践能力。