2024年诺贝尔化学奖的颁发,标志着人工智能技术在解决生物学领域一项重大挑战——预测蛋白质结构以及从零基础设计蛋白质的突破性贡献。该荣誉的授予,不仅彰显了人工智能在科学研究中的关键角色,特别是其在生物医学领域应用的深远影响,也标志着生物技术研究领域新纪元的开启。本文旨在介绍人工智能在蛋白质结构预测方面的软件模型,并详细阐述该技术在生物医学领域应用的具体实例,最终探讨其对科学研究领域所提供的助力。

当前,拓展前沿热点、融入化学史料与思政元素已成为重构教学内容的重要举措。然而,从梳理现有教学内容的内在关系出发,以此来重构教学内容的报道并不多见。基于简化教学内容、提炼教学知识点的前提,利用特定知识点相关教学内容的内在逻辑关系,构建成逻辑清晰、易于理解和掌握的教学片段,实现教学内容的重构。以典型非金属卤化物的水解、卤化铁的键型变化、高锰酸钾在不同介质下的还原产物、氮氧化合物的结构特征以及碱金属的燃烧反应等知识点为例,构建教学内容,提出对比重构、递进重构、依赖重构、衍变重构和假设重构等重构策略。实践表明,通过挖掘教学内容的内在逻辑关系,将多个教学内容有机整合,能有效改善教学逻辑、降低学习难度,并提升学生的学习主动性、兴趣和学习效果,教学实例为今后深入探究教学内容之间的内在联系及有效实现教学内容的重构提供了参考。

针对国内高分子化学教材中长期、普遍存在的问题,结合教学实践,从体系重构、错误修正、内容拓展、讲法优化、思维培养等方面给出改进建议。主要包括:将切断法引入高分子化学教材并总结出聚合物切断规律,帮助学生学习、解决聚合物合成设计相关问题并培养逆向思维;按照切断规律将聚合反应分类为“通过打开不饱和键进行的”“通过官能团间反应进行的”“通过打开环进行的”以及“通过打开不饱和键与打开环共同进行的”等4个大类,据此进行课程内容重构并给出知识框架图;基于对课程基本问题的再思考、再认识、再研究,修正现有教材中部分经典基础理论、观点,优化部分内容的讲授方法;加强包括辩证思维、逻辑思维以及批判性思维等在内的思维培养。

针对高认知难度-低学习效能的矛盾,进行了“知识解构-学情锚定-教学设计-价值融合”四维协同的物理化学深度备课模式实践。2012—2023级共11届689名学生的教学实践表明,深度备课使全面实施期的2017—2019级学生成绩显著提升,平均成绩提升12.8%(p<0.001),标准差降低42%,低分异常值减少76%,并且2017级考研选择物理化学方向的比率达46%。2018级平均分达峰值84.91分(95%CI:83.9~85.9),成绩分布呈尖峰瘦尾特征。模式创新在于将改革重心前置至课前准备环节的系统化与证据化,通过数据驱动的知识解构与案例映射,结合传统板书与现代技术,实现了从抽象知识到工程思维的有效转化。

以OBE理念为指导,融合混合式教学模式与任务驱动教学,在精细化学品化学课程中构建“OBE+混合式+任务驱动”三位一体的教学模式。通过明确教学成果目标、优化教学方法设计、建立多元化评价体系,有效促进了课程目标与学生学习成果的对接。结合实践案例,总结了任务驱动教学的实施成效并提出相应优化策略,为精细化学品化学课程的教学改革提供了可操作的实践路径,也为应用型本科院校同类课程的建设与创新提供了有益参考。

在教育部对高校实验室安全管理严格要求及大类招生背景下,南开大学化学学院开设了面向全体化学类专业方向新生的化学实验室安全必修课。介绍了课程现状,包括课程背景、课程目标、教学内容与考核评价方式;课程基于“三全育人”理念提出创新策略,构建多元教学团队实现全员育人,优化教学过程设计达成全程育人,整合教育资源贯通教学过程做到全方位育人,建设起一门面向化学类专业全体新生、知识体系完备、实践指导有效的化学实验室安全必修课程,为高校化学实验室安全教育提供了可资借鉴的实践范例。

聚合物熔体是典型的非牛顿流体,用毛细管流变仪测量聚合物熔体流变性实验时,通常要用非牛顿指数的值对流体的剪切速率进行非牛顿修正。然而现在计算非牛顿指数的传统方法中有一个让学生产生疑问的地方。详细介绍一种计算非牛顿指数的新方法,并根据实验数据分别用传统方法和新方法计算了非牛顿指数,计算结果表明这2种方法得到的非牛顿指数完全一致。因此应用新的计算方法,不仅可以更加方便地计算非牛顿指数,还能消除学生对传统方法的质疑。

针对传统经典实验教学中存在的实验结果可知、知识与实际应用脱节、学生学习动力不足等问题,基础物理化学实验教学团队系统挖掘了实验所涉及的关联性问题,并将解决这些问题转化为教学切入点进行拓展教学。具体措施包括:引导学生参与实验安全风险评估,结合结构化学知识研判试剂性质,协助进行实验仪器维护与故障排查等。通过将真实实验问题融入教学情境,学生切实体会到所学知识的实用价值,增强了知识迁移与综合应用能力,有效提升了学习主动性和探索兴趣。

确认KCl水溶液的阴、阳离子迁移数接近,在物理化学教学方面具有重要意义,但教材并未提及测定方法。本实验设计基于国内大多物理化学实验室皆有的希托夫法实验装置,简单易行,无环境污染。然而若仅使用KCl溶液,则存在阳极区发生Cl^-被氧化析出剧毒Cl₂的环保和安全问题。对此,根据电化学氧化过程中需在电解质/电极界面失去电子的特征提出了一种双液系升级版希托夫法实验装置,即在阳极区通过盐桥串联KOH溶液,KOH溶液与阳极接触,阳极区的反应转化为OH^-在电解质/电极界面失去电子被氧化析出O₂。同时结合与物理化学实验难溶盐溶度积相关的莫尔法,通过沉淀滴定得到阴极区Cl^-浓度的变化,计算得到Cl^-、K⁺迁移数分别为0.500、0.500,验证了2者导电能力接近。本实验既是对希托夫法测定离子迁移数实验的创新,也有助于深入理解饱和KCl溶液作为盐桥和饱和甘汞参比电极工作溶液的原理,并拓宽了盐桥应用场景;还激发学生灵活运用电子传递、离子迁移、溶度积和沉淀滴定等知识进行实验设计以及自我解惑答疑的兴趣;因而,在广度和深度方面皆有助于提升物理化学实验教学水平。

荧光金属-有机框架(LMOFs)作为前沿多功能材料,在污染物传感领域具有显著优势。本实验设计将LMOFs荧光传感技术融入本科实验教学,通过“材料制备→荧光分析技术→环境污染物检测→现场应用”实践链,实现对硝基苯胺(p-NA)及含有其结构片段有毒农药2,6-二氯对硝基苯胺(DCN)的直观快速无损成像检测。融合了分析化学、材料化学与环境化学等知识,面向应用化学、材料工程和环境工程专业高年级本科生及研究生,并适配创新训练项目。教学实践表明,该实验显著提升了学生的科研素养、仪器操作技能及复杂问题解决能力,适用于高校实验教学。

在职业教育改革深化背景下,本研究以高职分析化学为载体,探索“岗课赛证”融通的模块化教学。对接食品检验等岗位需求,重构课程为误差分析等 6 大模块,融入职业证书标准与竞赛项目。采用 PAD 课堂和校企双元模式,在 3 个班级(2 实验组、1 对照组)开展实验。数据显示:实验组理论平均分 85.6±3.2、实践 88.4±2.8、职业素养优良率 92.5%,均显著高于对照组(72.3±4.1、75.6±3.5、67.5%,p<0.01)。实验组化学检验员中级证书获取率98.7%,远高于对照组的70.0%。研究表明,该教学模式能提升学生专业能力与职业竞争力,为职教课程改革提供实践参考。

在数智化时代,生成式 AI(尤其 LLM 与 RAG 融合)凭动态知识生成、个性化交互等能力,为复合材料原理课程建设提供新方案,更适配项目式教学需求。课程通过 AI 技术构建“协作整合-混合优化-实体实践”三阶路径:借LLM搭建RAG增强的知识-能力-价值智慧资源平台,实现资源重构与泛在学习;设计BLIE分段教学流程,以LLM生成个性化任务、RAG提取行业案例,结合AI分析提升能力;开展全员全程全面实体项目教学,靠LLM辅助选题、AI评价优化反馈,形成“选题-设计-迭代”体系。实证显示,学生省级竞赛获奖率70%,50%毕业生投身材料产业一线,课程获评省级一流课程与课程思政示范课,为工科课程数智化改革提供可复制范式。

数智时代背景下,面向新工科建设和工程教育认证的内涵要求,AI赋能重塑实践育人是提高本科人才实践创新能力的重要途径。以轻化工废弃物和新污染物的智慧监测识别、智慧达标处理和智慧预测管理为主线,建立了“AI+环境”一体化实践课程体系;针对基础、专业、综合、创新等4个实践层次,通过AI重塑内容、AI升级模式、AI达成评价等3个维度,构建了多层次多维度AI递进式深度融合的实践教学新生态;细化了“教师+AI+学生”多元智能一体化评价模式。同时,提出了AI赋能实践育人亟需解决的其他问题,包括实践教师的智教水平提高和现有实践平台的智能升级。为环境类专业AI赋能新工科升级建设提供了有效借鉴。

为了提高药学专业实践教学质量,基于光催化这一前沿热点,实施科教融合,设计了一项开放性创新实验——抗结核药物德拉玛尼关键中间体的绿色化学合成。实验内容高度契合药学专业有机化学学科特点,涵盖可见光驱动的药物合成反应、反应条件优化、产物分离与纯化以及利用波谱学进行结构的确证与分析等全链条科研训练。本实验将理论知识与实践应用高度融合,并引入前沿绿色合成技术,不仅有效激发了学生的学习兴趣和自主性,显著强化了基础实验操作技能,也能够引导学生建立绿色、可持续合成理念,培养其批判性思维、创新意识和科研素养。

人工智能,尤其是机器学习为传统化学实验教学注入了新的活力。开发融合机器学习的化学研究性实验对培养学生的数字化素养和创新能力至关重要。本实验对原有单一金属离子检测进行了数智化改进,利用三通道光谱技术和机器学习算法将其拓展至Co²⁺、Cu²⁺双组分金属离子的同时检测。通过构建随机森林和多层感知器预测模型,实现了对单一及双组分金属离子的高效识别和准确预测,并在实际湖水样品检测中取得了满意的结果。该研究性实验不仅为复杂样品多组分分析提供了新的思路,也为化学实验教学的数智化改革与创新提供了有力支撑。该实验被应用于教学实践,取得了良好的教学效果。

氢键在自然界中广泛存在,是水、冰等物质独特性质的根源。围绕氢键教学展开综合改革,结合结构化学与物理化学知识体系,系统介绍水与冰中氢键的特点,从微观氢键网络的重构出发,深入解析水-冰的相变过程及其在相图中的热力学稳定性表现,强调相图所描述的稳定状态与实际相变路径间的动力学差异。文章融合结构化学与物理化学内容,采用分子动力学模拟辅助教学,直观呈现水结冰过程中分子排列由无序向有序演化的全过程,介绍中国科学家在水与冰研究领域的最新研究成果,特别是在扫描探针显微镜技术上的突破。通过多维度教学设计,推动学生在思维能力、钻研能力与创新能力等方面全面发展,实现结构化学与物理化学的有效融合。

针对化学思想方法史课程存在的化学史散点化、思想观念知识化等痛点问题,基于还原、建构、迁移的基本理念,重构课程内容,探索基于“三线四阶教学模式”促进学生思想建构和创新能力发展的基本教学模式和策略。