化学综合设计实验
北 京 市 精 品 课 程

北京师范大学《化学综合设计实验》课程建设报告

“化学综合设计实验”课程是为高年级本科生开设的一门高层次综合性实验课程。学生具备了化学各门理论课程、文献检索课和基础化学实验、化学合成实验等课程的基础。该课程体现了跨学科、多技能的综合训练,又体现了一些化学热点研究和实际应用相结合,进行创新性研究,让学生真正感受到化学家或化学工作者从事化学研究工作的氛围,旨在培养本科生创新意识和提高他(她)们综合运用前期的理论和实验知识独立地分析问题与解决问题的能力、科研能力和团队精神,为培养基础厚、知识新、素质高、能力强的创新型和研究型人才打下良好的基础。该课程的教学模式为讲授、讨论、实践结合的方式,以在教师指导下的学生自主创新实践为主。实践内容包括学生自主文献检索、实验设计、实施实验设计方案、总结和处理实验数据、撰写论文和答辩等环节,体现在教学活动中学生的主体地位和教师的主导作用的教学原则。

  • 一、课程发展的主要历史

    化学是一门实验性很强的学科。化学实验教学是化学人才的培养重要核心任务之一。国际一流大学的化学教学都十分重视化学实验教学,不仅重视建设先进的设备和优良的实验条件,还请世界顶尖级的著名化学家亲自参与大学本科基础实验教学,并及时把他们最优秀的科研成果转化为实验教学内容。而我国传统的实验教学体系基本上以对经典支持的验证实验为主,很少将最先进的研究成果融入到本科实验教学之中。旧的实验教学体系,内容、实验教学模式难以有效地发挥学生的实验能动性和积极性,不利于学生实验能力,创造性思维能力的培养,实验教学的任课教师也多以主要从事教学的人员为主,在科研第一线的优秀教师参加实验教学的情况并不普遍。因此,改革实验教学的传统体制,需要从化学实验教学体系,实验教学内容和实验教学管理体制全面开展改革,建立有利于培养创新人才的化学实验教学课程体系和教学模式。

    从1999年开始,我们打破化学二级学科的界限,在化学一级学科平台上构建了完整的、分层次的、贯通的实验教学体系,开设“化学基础实验”、“化学合成实验”、“化学测量与计算实验”和“化学综合设计实验”。进入21世纪,北京师范大学实行战略转型,建设成为“综合性、有特色、研究型的世界知名高水平大学”的战略目标也对化学综合设计实验提出了新的要求。为适应我校由一所师范大学向综合性大学战略转型的需要,本着“厚基础,宽口径,求创新”的原则,2002年进一步增加“化学综合设计实验”课程的学时,使其占总实验学时的比例高达~25%。在课程的内容设置上强调化学热点课题和应用,积累开发近24个研究性综合实验对学生开放。在教学方法和内容设置上强调学生自主创新实践,充分体现了对学生交叉学科知识的综合训练、创新意识和科研能力的培养。

    我院“化学综合设计实验”课程已经试行8年,学校和学院对“化学综合设计实验”全方位开展重点建设,使该课程从教学环境、实验内容、教学方法和考核形式等多方面逐渐完善。近3年共投入300余万元改善实验室和仪器等硬件环境(包括大型仪器和文献检索与计算化学实验的计算机房的改建)并进行网络教学建设。此外,还充分利用学校测试中心的大型仪器设备资源,为本科生和研究生开设研究型实验等,收到了良好的效果。

  • 二、课程建设与改革的思路与措施

    为将“化学综合设计实验”课程建设成一个创新型人才培养的平台,我们的改革与建设工作围绕以下方面展开:

    1. 加强学科交叉,发挥学科的优势,开拓综合性设计型实验新领域。

    实验教学改革建立在科研与学科建设的优势之上。
    (1)围绕本世纪科技主题和化学与生物、环境、材料等相关交叉学科开展化学综合设计实验,如开设醋酸棉酚的制备和细胞调亡实验;纳米材料的表面修饰及结构表征等综合实验;凝胶电泳研究金属配合物对DNA的断裂性质;导电金属配合物的合成和性质研究;天然产物提取物的分析鉴定等。
    (2)结合“绿色化学”教学,开设有关的综合性设计型实验,如:离子液体的合成和应用等,加强知识应用和加强绿色化学和环境保护的理念教育。要求学生掌握样品合成、分离、提纯、成分分析、结构鉴定、性能表征等综合实验技能,提高学生的动手能力、综合解决问题的能力、创新能力以及用化学知识造福于人类的能力。
    (3)拓展计算化学实验的应用范围,使其与有机化学和无机化学等学科更好的交叉。

    2. 加强教学研究,改革教学模式、方法与手段。

    全面实施并不断改进在教师指导下的学生自主创新实践为主的教学模式。体现学生在教学活动中的主体地位和教师在教学活动中的主导作用的教学原则。实践内容包括学生自主文献检索、实验设计、实施实验设计方案、总结和处理实验数据、撰写论文、汇报和答辩等环节。强调实践环节的讲授、讨论、实践和考核有机结合,多种方法手段有机结合,四位一体,为创新型人才的培养创造良好的实验氛围。使学生受到在创新性科学研究方面的全面和系统的训练。

    优化的教学模式、方法和手段,最大限度地激发学生学习的主动性与创新性、促进本科阶段学生的优秀论文脱颖而出。

    3. 拓展国际视野,逐步推进化学综合设计实验的双语教学。

    新世纪创新型人才不仅能够阅读英文文献,而且能自如地用英语进行书写和口头交流。我们在有条件的实验中试行化学综合设计实验的双语教学,在有些环节要求或鼓励用英语完成。如:用英文写研究报告的摘要、小论文、所使用的试剂和仪器的英文名称,还开展应用英文进行的化学综合设计实验竞赛和引入英文原版实验教材等。

    4.加强实验教学条件建设。
    (1)逐步实现实验教学的网络化和智能化管理。化学学院网络辅助教学平台开发已经有一定的基础,较丰富的课程内容,非富了学生的课外和课内知识,提高了学生学习的质量和效率,延展了学生学习的时间和空间。进一步完善网上选课等多元化的网络辅助实验课教学平台。
    (2)基本建成科学和高效的基础化学实验教学系统,能够更大规模地开放实验室。在世界银行贷款“高等教育发展”项目的推动下,1998年北京师范大学化学基础教学实验中心(现更名为化学实验教学中心)成立。2002年通过了北京市教委“化学基础教学实验中心”实验室评估的合格鉴定,面积已达到约3000平方米,实验室房屋已经重新装修,改善了实验室的环境和条件,加强了对化学污染物,三废的处理。实验设备和普通仪器已经更新,新购置了十余台10万元以上的大型仪器设备,能够优先满足“化学综合设计实验”的教学需要。建立了先进的实验室管理模式和运行机制统筹安排、调配、使用实验教学和相关资源,实现优质资源共享。保证了更大规模的对学生开放综合实验室和新建研究型开放实验室。化学实验教学中心2006年被评为北京市化学实验教学示范中心,2007年被评为国家级化学实验教学示范中心建设单位。我们还通过与指导老师的科研项目结合,实现更多导师的科研成果向综合实验的转化,在暑期开放研究型实验室以使学有余力的同学进一步进行研究创新。
    (3)形成了一支高水平的教学队伍。化学综合设计实验课程有一支很好的知识及年龄结构十分优化的师资队伍,为“化学综合设计实验”的高质量实施和教改的健康发展提供了源动力。教学团队18名教师平均年龄在41岁,其中教授7人,副教授9人,讲师2人,15名教师具有博士学位。他(她)们专业基础扎实,学术视野开阔,科学研究能力强,具有很好的外语能力;不仅都主持着国家、教育部等许多重大的科研课题,在化学的各二级学科领域卓有建树,而且能不断追踪国际相关领域的最新研究成果,及时更新、补充和拓展教学内容。这支科学研究与教学互通、理论教学与实验教学互通的队伍建设在强大的学科建设基础上:无机化学学科和物理化学学科分别有中国工程院院士刘伯里教授和中国科学院院士刘若庄教授作为学术带头人。无机化学学科是北京市重点学科。化学学院有放射性药物教育部重点实验室和材料化学、计算化学、电分析化学、有机化学、大气化学、放射性药物化学和介电谱解析7个校级重点实验室。有国家“973”项目首席科学家1人,教育部长江特聘教授1人,杰出青年基金获得者1人,教育部跨世纪或新世纪优秀人才奖励计划获得者3人。有在科研成果转化方面作出突出成绩的应用化学研究所和师宏药物中心。近年我院教授承担基金的项目的数目和额度逐年升高,有30余项在研基金项目,如:国家自然科学基金重点和面上项目、教育部创新团队和国家“863”和“973”项目等,在研基金500余万元。获国家自然科学二等奖、教育部科技进步二等奖和教育部科技进步提名奖等多项奖励。每年发表SCI收录论文80余篇。

    我们以高素质、高水平、能够承担综合型、设计型和研究型实验的高素质实验室队伍建设作为指导思想,加强实验教学师资队伍的建设。采取多项激励政策,积极鼓励更多的学术带头人承担实验课教学、实验教学改革与建设项目。充分发挥名教授的科研优势,以高水平的科研为背景,促使实验教学与科研融为一体。采取“引进-培养”相结合的模式。加强高层次、高水平实验技术人员的引进工作。积极引进具有博士后、博士学位的实验技术人员,提高实验教学队伍的整体水平。加强实验技术队伍的培训工作。通过送出去进修和内部交流提高的办法来培训提高现有人员在指导研究型开放实验和仪器管理等方面的能力。采取行之有效的倾斜支持政策,调动教师的实验教学积极性。
    (4)加大实验教材和网上辅助教学资料的建设力度。我院“化学综合设计实验”课程建设近10年,已向99级至06级共8届学生正式开课,在教师们科研成果转化为教学实验,新编讲义的基础上,2007年正式出版了有鲜明特色的实验教材《化学综合实验》,并在2008年出版了《计算化学实验》等补充教材。

  • 三、课程建设的成果

    2006年本课程被评为北京师范大学校级精品课程,2009年被评为北京市精品课程。2007年《化学综合设计实验》获北京市高等教育精品教材建设项目立项,同年出版了由教师科研成果转化成的教材,2008年获北京高等教育精品教材。“本科化学专业实验课程体系改革—课程建设、教学改革及实验中心建设”, 获北京市2005年高等教育教学成果奖一等奖 ;实验教学中心被评为2007年度国家级实验教学示范中心建设单位;高师本科化学实验教学体系建设与创新型人才培养,获2009年北京市高等教育教学成果一等奖。基本完善了化学综合设计实验教学的网络化和智能化管理。

    “化学综合设计实验”深受学生好评,近五年来学生对该系列课程的评价均为优。激发了学生学习化学的浓厚兴趣,调动了学生学习的积极性和主动性,学生的素质和能力得到了明显的提高,感受到了前所未有的成就感。

    在学生通过自主文献检索、实验设计、实施实验设计方案等环节的系统训练后,促进了本科阶段创新性科研成果的涌现,近五年由本科生参与发表的科研论文近80篇;2003年第二届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛一等奖一项;2005年本科生分别获第十三届“京师杯”学生课外学术科技作品竞赛二等奖一项和第三届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛三等奖一项。“京师杯”课外学术作品竞赛奖由2008的仅两项提高到2009年的一等奖两项、二等奖两项和三等奖五项,2009年第五届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛特等奖一项,已经进入科研和教学相互促进的良性循环。

  • 四、课程建设特色

    在多年的建设中,化学综合设计实验课程已经形成了自身的特色,主要表现在以下几个方面:
    1. 建设目标明确、起点高,以学科的优势带动和促进教学的发展思路,可操作性强,对本课程体系的建设和发展将起到极大的促进作用。
    2. 教学内容始终强调学科基础的综合训练与化学热点、应用、化学各二级学科间的交叉、化学与相关学科如生物、物理和环境交叉的先进理念。课程教学的环节始终强调 模拟科学研究的一般过程、强调学生的自主创新实践、实验考核的重点放在科研小论文的撰写和ppt答辩的环节,极大地调动了学生学习的主动性、激发了他们学习的浓厚兴趣,促进了本科阶段科研成果的涌现。
    3. 三维立体化和“坚实地基”式的三层次课程建设模式,构筑了新世纪创新人才培养和本科生科研创新基地的框架。
    4. 已形成了具有深厚学术传统并能把握学科发展前沿水平的教学梯队。教学队伍具有学历层次高、专业扎实、教学经验丰富的特点。
    5. 将双语教学列入课程的建设内容,课程具有国际视野,对培养与国际接轨的高端人才,具有重要意义。

  • 五、课程建设规划

    为实现将化学综合设计实验课程建设成一个创新性人才培养和本科生科研创新的平台,使其不仅能向全校学生开放,也能向北京市其它院校的大学生开放的具有广角辐射作用、和在全国范围内具有示范作用的国家级精品课程,为探索出一条高等院校新世纪人才的培养模式打下坚实的基础的课程建设目标,拟定的课程建设的具体规划为:
    1. 继续深化教学内容的改革,计划在本学期第八周开始化学与生命科学交叉的研究型实验,以后两年内,完善涉及生物、环境、材料、物理等相关交叉学科的研究型实验,使综合设计实验的总数超过30个。将 模拟科学研究的一般过程的教学模式贯穿于整个教学中。打破学科壁垒,积极推进跨院系甚至跨院校选课,推进课程的广角辐射与共享。
    2. 着眼于未来并具有国际视野,逐步推进化学综合设计实验的各种形式的双语教学。
    3. 化学综合设计实验课程的建设要与时俱进,紧紧围绕本世纪的科技主体如纳米材料和科学技术、能源材料、环境监测和治理、肿瘤的早期诊断和治疗药物等科技主体,以丰厚的学科底蕴带动课程建设。
    4. 建设一支高素质、责任心强的化学综合设计实验教学和教辅队伍。进一步完善先进的实验室管理模式和运行机制和学生考评机制;统筹安排、调配、使用实验教学的相关资源,最大限度地实现优质资源共享和开放。

北京师范大学化学学院
2009年5月