科研融入本科教學(xué)的研究

張海峰　程彩萍　王彬

摘? 要：通過計算機在化學(xué)中的應(yīng)用課程學(xué)習(xí)，同學(xué)們能系統(tǒng)地掌握中國知網(wǎng)、Web of Science等數(shù)據(jù)庫文獻檢索， 論文撰寫，以及EndNote文獻管理、ChemSketch和ChemOffice有機結(jié)構(gòu)繪制、Origin實驗數(shù)據(jù)處理等軟件的基本操作，具備基本的科研素養(yǎng)。為使同學(xué)們更好地掌握本門課程，主要在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式上進行優(yōu)化。教學(xué)內(nèi)容上將科研融入本科教學(xué)，運用所學(xué)到的知識引導(dǎo)學(xué)生解決實際的科研問題。教學(xué)模式上充分運用網(wǎng)絡(luò)平臺采取線上和線下相結(jié)合的模式，適當(dāng)縮短教師講授時間，增加學(xué)生上機練習(xí)時間，增加課堂翻轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。這樣可加深學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的理解，拓展學(xué)生的視野，提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：計算機在化學(xué)中的應(yīng)用；本科教學(xué)；科研；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)模式

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）26-0094-04

Abstract： Through the course content of Application of Computer in Chemistry， undergraduate can master the literature search of CNKI and Web of Science databases， thesis writing， as well as the operation of software such as literature management by Endnote， organic structure drawing by ChemSketch and ChemOffice， experimental data graphing by Origin， etc.， and have basic scientific research literacy. In order to enable undergraduate mastering the course better， teaching content and teaching mode are optimized. In teaching content， scientific research is integrated into undergraduate teaching， and undergraduate are guided to solve problems by learned knowledge. In teaching mode， network platform is fully used， online and offline combination mode is adopted， teaching time is shorted， practice time is increased， and classroom turnover is introduced. In this way， undergraduate can deepen their understanding of relevant contents， expand their knowledge and improve their ability of research and innovation.

Keywords： Application of Computer in Chemistry; undergraduate teaching; scientific research; teaching content; teaching mode

在我國科研蓬勃發(fā)展的趨勢下，提高本科生的科研水平和創(chuàng)新能力是高等教育面臨的重要機遇和挑戰(zhàn)。在本科教育中融入科研的相關(guān)知識，引導(dǎo)學(xué)生用科研的思維學(xué)習(xí)探究領(lǐng)悟新知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱忱，改變被動教學(xué)模式，這對高校優(yōu)秀人才的培養(yǎng)很重要。計算機在化學(xué)中的應(yīng)用是一門專業(yè)性很強的課程，是課堂教學(xué)和科研之間的橋梁[1-2]。本課程通過對文獻檢索與管理、化學(xué)編輯與排版、實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理、論文撰寫與演示等知識的講述，使學(xué)生們能系統(tǒng)地掌握中國知網(wǎng)、Web of Science等數(shù)據(jù)庫文獻檢索， 以及EndNote、ChemSketch、ChemOffice和Origin等軟件的基本操作，具備檢索中英文文獻、繪制有機分子結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形化處理、完成論文撰寫及匯報的能力[3-5]。在本科教學(xué)中引入該課程，有助于培養(yǎng)適應(yīng)時代要求的高素質(zhì)人才，為進一步的科研訓(xùn)練打下良好基礎(chǔ)。筆者近些年一直承擔(dān)計算機在化學(xué)中的應(yīng)用的教學(xué)工作，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)同學(xué)很喜歡這門課程，但是將其熟練應(yīng)用于科研稍顯不足。結(jié)合筆者的教學(xué)經(jīng)驗，為了同學(xué)們能更好地掌握本門課程，需要在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式上做進一步的優(yōu)化。

一? 計算機在化學(xué)中的應(yīng)用課程特點

計算機在化學(xué)中的應(yīng)用是一門實踐性很強的課程，所有內(nèi)容均需在電腦甚至聯(lián)網(wǎng)的情況下學(xué)習(xí)。針對上課環(huán)境的不同，目前該課程的教學(xué)方式主要有以下幾種：①如果課程安排在機房，一般是教師先講授一部分內(nèi)容，隨后安排學(xué)生上機練習(xí)；②如果課程安排在教室，又分為兩種情況，一種是需要同學(xué)們帶電腦上課，邊講邊練習(xí)，一種是講授完所有課程后，集中安排機房練習(xí)。文獻數(shù)據(jù)庫檢索及軟件學(xué)習(xí)對實踐性要求很高，需要一邊學(xué)習(xí)一邊進行大量的練習(xí)。如果課程學(xué)習(xí)和軟件操作時間間隔太久，會導(dǎo)致學(xué)生在操作軟件時忘記之前所學(xué)內(nèi)容。除此之外，EndNote、ChemSketch、ChemOffice和Origin軟件都是英文界面，這增加了軟件學(xué)習(xí)的困難度。針對上述問題，以計算機在化學(xué)中的應(yīng)用課程大綱和培養(yǎng)方案為依據(jù)，以提高本科生的科研素養(yǎng)和解決問題的能力為目標，需對課程進行教學(xué)改革。本課程教學(xué)改革的核心內(nèi)容分為兩個部分：教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化和教學(xué)模式優(yōu)化。教學(xué)內(nèi)容上將科研所涉及到的一些知識融入到課堂教學(xué)，學(xué)會用本課程所學(xué)知識解決科研中遇到的一些問題[6-8]。教學(xué)模式上重點突出該課程理論和實踐緊密結(jié)合的特點，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，優(yōu)化考核方式[9-11]。

二? 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

（一）? 文獻檢索

文獻檢索是科學(xué)決策的依據(jù)，是開始新課題的第一步，只有經(jīng)過大量的文獻檢索和閱讀才能對課題有所理解并提出自己的觀點和實驗設(shè)計方案。本科生沒有經(jīng)過系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，不理解文獻檢索對科研的重要性，因此在講授本章節(jié)時，可先講述一篇期刊論文發(fā)表所要經(jīng)歷的過程，即查閱大量的文獻、制定實驗方案、開始實驗、獲取并處理實驗數(shù)據(jù)、論文撰寫、論文投遞修稿及接收。這樣有助于加深學(xué)生對文獻檢索的理解并激發(fā)他們的興趣。隨后全面介紹中英文數(shù)據(jù)庫。中文數(shù)據(jù)庫主要學(xué)習(xí)中國期刊全文數(shù)據(jù)庫（中國知網(wǎng)，CNKI），再簡單介紹萬方和維普資訊數(shù)據(jù)庫。英文數(shù)據(jù)庫主要介紹科學(xué)引文（Science Citation Index， SCI）、工程索引EI（The Engineering Index， EI）、美國化學(xué)會（American Chemical Society， ACS）、英國皇家化學(xué)會（Royal Society Of Chemistry，RSC）、Elsevier Science及Wiley InterScience等數(shù)據(jù)庫。本科生的英語水平和專業(yè)知識較為欠缺，因此在數(shù)據(jù)庫講解時應(yīng)由簡入難，即先講中文數(shù)據(jù)庫，再講英文數(shù)據(jù)庫。為了能更精確地檢索目標文獻，須引導(dǎo)學(xué)生綜合設(shè)定限定條件，如篇名、摘要、關(guān)鍵詞、第一作者、作者單位、文獻來源和發(fā)表時間等。在講解時可結(jié)合他們所學(xué)過的知識進行檢索，如有機無機分子結(jié)構(gòu)或同學(xué)們感興趣的關(guān)鍵詞等。此外還可以檢索代課教師的論文、學(xué)校主流研究方向及國內(nèi)外的一些研究熱點。檢索出文獻后，為同學(xué)們展示如何分析這些文獻，如按主題、學(xué)科、發(fā)表年度、文獻類型、文獻來源、作者和機構(gòu)等。經(jīng)過此分析，同學(xué)們就可以了解課題研究的熱度是逐年上升還是下降，哪些科研機構(gòu)或高校在做此類研究，哪些作者研究的較為系統(tǒng)全面，哪些期刊偏向于接受此類研究的論文等。講完文獻檢索及分析后，再為同學(xué)們講解文獻的收錄情況，如科學(xué)引文SCI收錄（根據(jù)中科院分區(qū)，又細分為一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)和四區(qū)）、社會科學(xué)引文SSCI收錄、工程索引EI收錄、中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫CSCD收錄、中國社會科學(xué)引文CSSCI收錄、北大核心收錄、南大核心收錄和科技核心收錄等。最后為同學(xué)們講解出版物檢索，在此可了解期刊的主辦單位、出版周期、影響因子和數(shù)據(jù)庫收錄等基本信息。每講解完一部分內(nèi)容后，安排學(xué)生上機練習(xí)。文獻檢索拓展了學(xué)生的知識面、加深了同學(xué)們對知識點的理解，可將枯燥的理論學(xué)習(xí)和實際應(yīng)用聯(lián)系在一起，有利于同學(xué)們自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

（二）? 文獻管理

文獻檢索和文獻管理緊密關(guān)聯(lián)，在開始一項新課題時會涉及到大量的文獻查閱，如何高效管理分析文獻對課題的展開非常重要。同學(xué)們在沒有接觸文獻管理軟件之前，大多是將文獻放在一個或多個文件夾中，這種方法的缺點是當(dāng)文獻數(shù)量較多時，較難快速精確地找到目標文獻。除此之外，在撰寫論文時涉及到文獻的插入和文獻格式的編排，如果是手動錄入將會花費大量的時間且容易出錯，而文獻管理軟件可快速插入文獻和設(shè)定文獻格式。EndNote是Thomson Reuters公司開發(fā)的集文獻管理、分析和使用的軟件，是目前最常用的一款文獻管理軟件。為了同學(xué)們能更好地掌握和應(yīng)用EndNote軟件，在安裝好軟件以后，需對軟件的界面做一定的調(diào)整，如在群組列表中創(chuàng)建同級目錄和子目錄，并重新命名，調(diào)整文獻列表的標簽欄顯示內(nèi)容和位置，調(diào)整預(yù)覽面板置于界面底部等。EndNote數(shù)據(jù)庫文獻錄入主要有4種方式：手工錄入、聯(lián)網(wǎng)直接檢索、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫下載導(dǎo)入和PDF文件導(dǎo)入。在建立本地數(shù)據(jù)時，可先讓同學(xué)們在中國知網(wǎng)和Web of Science上檢索自己感興趣或指定關(guān)鍵詞的文獻，隨后下載導(dǎo)入文獻建立本地數(shù)據(jù)庫。本地數(shù)據(jù)庫建立好后，接著為同學(xué)們展示如何分析文獻，如按出版年、按收錄期刊、按引用次數(shù)、按標題或按作者排序等。最后為同學(xué)們展示如何在本地數(shù)據(jù)庫中查找目標文獻，以及為目標文獻加入PDF附件。EndNote在安裝時會自動在word中添加插件，在撰寫論文時可隨時將EndNote中的文獻插入到word中，并根據(jù)期刊要求選擇完全相同或相近的參考文獻格式。為了同學(xué)們能更好地掌握EndNote軟件，在講解此處內(nèi)容時，可復(fù)制一段本校本專業(yè)的畢業(yè)論文，再為同學(xué)講授如何在word中插入文獻和編輯文獻格式。

（三）? 有機化學(xué)結(jié)構(gòu)的繪制

有機化學(xué)結(jié)構(gòu)在化學(xué)化工專業(yè)同學(xué)們的日常學(xué)習(xí)中經(jīng)常會涉及到，如有機化學(xué)和有機化學(xué)實驗專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，有機化學(xué)文獻的閱讀以及畢業(yè)論文的撰寫等。因此有機結(jié)構(gòu)繪制是這類同學(xué)們必須要掌握的知識點。目前常用的繪制軟件有ChemSketch和ChemOffice，其中ChemSketch更適合有機結(jié)構(gòu)繪制的初學(xué)者，在繪制有機反應(yīng)裝置圖方面有一定的特色，ChemOffice的功能非常強大，尤其是化學(xué)結(jié)構(gòu)的3D視圖對同學(xué)們理解二維有機結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)型非常重要。筆者所選的李謙編寫的《計算機在化學(xué)化工的應(yīng)用》課本中只有ChemSketch軟件，沒有ChemOffice軟件，因為在講授該內(nèi)容時，筆者先講述了ChemSketch軟件，隨后又補充了ChemOffice軟件。這兩款軟件界面都為純英文，且界面上的功能鍵很多，同學(xué)們在剛開始接觸時，會有一種本能的排斥感。為了調(diào)動學(xué)生的積極性和興趣，在具體的授課過程中，先引導(dǎo)同學(xué)們思考課本中的有機結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)裝置圖是如何得來的，以及文獻中的化學(xué)結(jié)構(gòu)是如何編輯的，隨后再講授軟件的界面和功能鍵。對于ChemSketch軟件，主要學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)模式和繪圖模式。結(jié)構(gòu)模式用于繪制各種化學(xué)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)式，并對結(jié)構(gòu)進行命名和性質(zhì)預(yù)測等。繪圖模式主要用于繪制反應(yīng)裝置圖，以及為分子結(jié)構(gòu)添加圖形和注釋等。對于ChemOffice軟件，主要有3個模塊，分別為ChemDraw（化學(xué)結(jié)構(gòu)繪制和分析模塊）、Chem3D（分子模型及仿真模塊）和ChemFinder（化學(xué)信息搜索整合系統(tǒng)）。結(jié)合本科生所學(xué)知識及需求的特點，對于ChemOffice軟件，筆者主要講述了ChemDraw和Chem3D。在用ChemDraw繪制有機結(jié)構(gòu)時，主要繪制了化學(xué)反應(yīng)方程式、中間體結(jié)構(gòu)、復(fù)雜環(huán)結(jié)構(gòu)、Fischer葡萄糖結(jié)構(gòu)、透視結(jié)構(gòu)、Newman結(jié)構(gòu)、立體結(jié)構(gòu)、苯環(huán)軌道結(jié)構(gòu)和二茂鐵結(jié)構(gòu)等。在講解Chem3D時，將繪制好的二維結(jié)構(gòu)復(fù)制到Chem3D軟件中顯示其三維構(gòu)型，拖動鼠標為同學(xué)們充分展示結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)型。隨后為同學(xué)們展示如何計算原子鍵長、鍵角、標記原子等，最后嘗試著讓同學(xué)們用ChemOffice軟件繪制學(xué)術(shù)海報。當(dāng)兩款軟件都學(xué)會后，從同學(xué)們所學(xué)過的課本中選出部分具有代表性的結(jié)構(gòu)進行練習(xí)，然后找一些本校教師發(fā)表的論文中的結(jié)構(gòu)讓同學(xué)們進行練習(xí)。

（四）? 實驗數(shù)據(jù)圖形化

實驗數(shù)據(jù)的圖形化是顯示和分析實驗數(shù)據(jù)的重要工具。熟練掌握計算機圖表繪制和數(shù)據(jù)分析是每一個從事科學(xué)研究人員的必備技能。Origin軟件因其功能強大、操作簡單、兼容性好，成為化學(xué)從業(yè)者首選的數(shù)據(jù)分析軟件?；瘜W(xué)化工專業(yè)的本科生在做實驗時會獲得大量的數(shù)據(jù)，如果涉及到數(shù)據(jù)繪圖，大多采用坐標紙手動繪制或Excel繪制。手動繪制適用于數(shù)據(jù)較少的圖形，且繪制出來的圖形精度較差。Excel適合簡單圖形的繪制，復(fù)雜圖形的繪制就需要用到更為專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，如Origin。Origin軟件的學(xué)習(xí)難度較大，為了吸引同學(xué)們的注意力，可將筆者自己繪制好的數(shù)據(jù)圖展示給同學(xué)們，如單層二維圖形、多層二維圖形、三維圖形等，再有就是為同學(xué)們展示常用到的線性擬合數(shù)據(jù)圖、柱狀圖和餅狀圖等。當(dāng)同學(xué)們了解了Origin的作用后，再講授軟件的界面和常用的功能鍵。Origin界面上有兩個主要的窗口，工作簿窗口主要用于數(shù)據(jù)錄入，圖形窗口用于顯示和存儲繪制的圖形。Origin的數(shù)據(jù)錄入主要有手工輸入，剪貼板傳送和數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入。在繪制二維圖形時，根據(jù)軟件自帶的數(shù)據(jù)，可繪制雙Y軸、垂直兩欄、水平兩欄、雙X雙Y軸、曲線堆積和質(zhì)譜等圖形。初始圖形繪制好后，需對圖形做進一步的調(diào)整和修飾使其更加美觀，如設(shè)置線的連接方式、線型、線寬和顏色，設(shè)置符號的樣式、大小和顏色，調(diào)整橫縱坐標軸顯示范圍及是否顯示坐標軸等。每講完一部分內(nèi)容后，安排上機練習(xí)。在軟件學(xué)習(xí)中，還可以讓同學(xué)們用Origin處理之前獲取的實驗數(shù)據(jù)，如繪制物理化學(xué)實驗中的步冷曲線，繪制儀器分析實驗中的紅外紫外圖，繪制分光光度計實驗中的工作曲線等，這樣Origin軟件學(xué)習(xí)就能和實際應(yīng)用緊密聯(lián)系起來，提高了同學(xué)們的成就感和滿足感。為了進一步強化同學(xué)們對Origin軟件的應(yīng)用，還可從期刊論文中摘取一部分數(shù)據(jù)進行練習(xí)。在講這部分內(nèi)容時，要強調(diào)同學(xué)們須尊重原始數(shù)據(jù)，不得隨意更改數(shù)據(jù)。

（五）? 科技論文寫作

科技論文是作者對所從事的研究進行的集假說、數(shù)據(jù)和結(jié)論為一體的概括性論述。撰寫科技論文是對研究工作的整理、總結(jié)和精煉，是科技工作者的必備技能。本科生在畢業(yè)時都要完成畢業(yè)論文的撰寫，因此科技論文的相關(guān)知識和寫作方法是非常實用的?？萍颊撐淖珜懞捅菊n程前面所學(xué)的文獻檢索、文獻管理、有機結(jié)構(gòu)繪制及數(shù)據(jù)的圖形化處理是緊密關(guān)聯(lián)的，有了前面知識的鋪墊，才能開始論文的寫作。在講授本章內(nèi)容時，可先下載幾篇中英文期刊論文和碩博本科學(xué)位論文，結(jié)合實例講解期刊論文和學(xué)位論文的主要構(gòu)成部分和撰寫方法。筆者授課時結(jié)合自己寫論文時的一些感悟，可使學(xué)生對論文寫作有更全方位的理解，如論文題目的擬定、摘要的提煉、引言部分的背景介紹和問題的提出、實驗方法材料、討論部分的數(shù)據(jù)分析和挖掘、結(jié)論部分的總結(jié)、參考文獻的插入和編輯等。同時還要強調(diào)科技論文的科學(xué)性、創(chuàng)造性、邏輯性、有效性和學(xué)術(shù)性等特點，絕不可出現(xiàn)論文抄襲和數(shù)據(jù)造假等學(xué)術(shù)不端行為。

三? 教學(xué)模式優(yōu)化

計算機在化學(xué)中的應(yīng)用課程所涉及的內(nèi)容和知識點很廣泛，最明顯的特點是需用電腦聯(lián)網(wǎng)檢索和軟件實踐操作。以往的教學(xué)模式是以教師講解和操作演示為主，隨后安排學(xué)生進行練習(xí)。這種教學(xué)方式的缺點是當(dāng)例題講得較多時，同學(xué)們上機操作時間就相對較少，這會導(dǎo)致學(xué)生不能及時掌握和鞏固所學(xué)內(nèi)容。筆者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗認為需適當(dāng)減少課堂教學(xué)時間，增加學(xué)生上機操作時間，其他未在課堂中講解的例題可放在線上教學(xué)平臺供學(xué)生參考學(xué)習(xí)。為了課堂教學(xué)和上機練習(xí)更具有連貫性，該課程要安排在機房或者要求學(xué)生攜帶筆記本電腦。教師在課堂中講解一部分內(nèi)容后，要求學(xué)生立馬進行實踐操作，這樣有問題就可實時溝通。為了充分調(diào)動學(xué)生的積極性，可適當(dāng)增加課堂反轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，讓同學(xué)們分組選出各自的代表上臺操作軟件并講解給其他同學(xué)。身份互換有利于學(xué)生集中注意力，提高學(xué)生對課程的重視程度[12]。充分利用現(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)資源和實時通訊工具，如在教學(xué)中運用學(xué)習(xí)通上傳相關(guān)教學(xué)課件和視頻，學(xué)生可隨時在線或下載學(xué)習(xí)，建立QQ群或微信群，同學(xué)們可隨時提出問題，老師和同學(xué)均可答疑，方便老師與學(xué)生，學(xué)生與學(xué)生之間的互動交流。

四? 課程考核

以培養(yǎng)創(chuàng)新性人才和提升學(xué)生的科研素質(zhì)為教學(xué)目標，需要對教學(xué)效果進行綜合評價。考核不單純是知識考核，更要全面考核學(xué)生對所學(xué)軟件的掌握情況及實際解決科研中遇到問題的能力。本門課程是理論和實踐結(jié)合非常緊密的一門課程，采用常規(guī)的閉卷考試方式不能很好地反映出學(xué)生對知識的掌握程度。為此改革考核方式為總成績=平時成績（40%）+課程論文（60%）。平時成績包含了考勤、作業(yè)和階段性測驗，可督促學(xué)生認真學(xué)習(xí)，課程論文可綜合反映學(xué)生對知識的掌握程度。

五? 結(jié)束語

計算機在化學(xué)中的應(yīng)用課程是本科教學(xué)和科研素質(zhì)培養(yǎng)之間的橋梁，通過課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，能夠幫助同學(xué)們解決科研中遇到的諸多問題，如文獻檢索、文獻管理、有機結(jié)構(gòu)繪制、實驗數(shù)據(jù)圖形化處理、論文撰寫以及科研成果的展示等。將科研融入本科教學(xué)，極大地激發(fā)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱忱，拓展了知識面，豐富了學(xué)習(xí)的方式方法，有利于高校優(yōu)秀人才的培養(yǎng)。

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基金項目：山西省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度課題“以《計算機在化學(xué)中的應(yīng)用》為例將科研融入本科教學(xué)的研究”（GH-21330）

第一作者簡介：張海峰（1986-），女，漢族，山西朔州人，博士，副教授。研究方向為化學(xué)理論計算。