國內(nèi)外儀器分析教材的對比研究*

翁立洋，馮 啟

(浙江外國語學(xué)院科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023)

儀器分析作為分析化學(xué)的一大分支，是一門技術(shù)和理論知識含量很高的應(yīng)用型化學(xué)課程，具有多學(xué)科交叉性、前沿性和發(fā)展性的特點，是培養(yǎng)一流化學(xué)化工復(fù)合型高技術(shù)人才的必修課程。近年來，儀器分析的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)如下特點：從常量分析逐步轉(zhuǎn)向微量分析和痕量分析；由元素成分分析轉(zhuǎn)為綜合形態(tài)分析發(fā)展；測量方式由離體檢測向活體實時、在線分析轉(zhuǎn)變；分析儀器逐步智能化、芯片化、微型化，分析對象轉(zhuǎn)向生命科學(xué)。目前儀器分析課程教學(xué)中存在教學(xué)內(nèi)容繁雜、課程內(nèi)容陳舊和實驗教學(xué)效果差等問題[1]，難以服務(wù)于培養(yǎng)具有扎實理論知識、適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的創(chuàng)新型人才的目標(biāo)。

國內(nèi)的教育工作者對于儀器分析課程的教學(xué)改革進(jìn)行了不斷地嘗試與探索，包括翻轉(zhuǎn)課堂[2]、虛擬實驗技術(shù)[3]、多媒體技術(shù)[4-5]、BOPPPS教學(xué)模式[6]、科研型教學(xué)[7-8]和混合式教學(xué)[9]等，為課程教學(xué)提供了新思路和新材料。隨著各分析化學(xué)領(lǐng)域一系列的發(fā)展，國內(nèi)外涌現(xiàn)出不少優(yōu)秀的儀器分析教材。同時，由于國內(nèi)外長久以來學(xué)科發(fā)展情況和教學(xué)模式的差距，中外儀器分析教材的編寫有很大不同。本文的主旨在于對比國內(nèi)外經(jīng)典教材的內(nèi)容編排方面的特點，為儀器分析課程教材的選用提供參考。

表1 國內(nèi)高校常用儀器分析教材

續(xù)表1

6儀器分析郭旭明化學(xué)工業(yè)出版社第一版2014.37儀器分析張紀(jì)梅中國紡織出版社第一版2013.68儀器分析李繼萍北京理工大學(xué)出版社第一版2013.410儀器分析董慧茹化學(xué)工業(yè)出版社第三版2016.811儀器分析陳浩科學(xué)出版社第三版2019.612儀器分析白玲化學(xué)工業(yè)出版社第一版2013.913現(xiàn)代儀器分析干寧化學(xué)工業(yè)出版社第一版2016.114儀器分析孫延一華中科技大學(xué)出版社第二版2019.315儀器分析王元蘭化學(xué)工業(yè)出版社第一版2014.316基礎(chǔ)儀器分析黃承志科學(xué)出版社第一版2018.317儀器分析原理何金蘭科學(xué)出版社第一版2016.1218新編儀器分析高向陽科學(xué)出版社第四班2017.1219儀器分析教程劉坤平華中科技大學(xué)出版社第一版2019.420儀器分析嚴(yán)拯宇東南大學(xué)出版社第二版2016.821儀器分析教程朱鵬飛化學(xué)工業(yè)出版社第二版2016.922儀器分析姚開安南京大學(xué)出版社第一版2014.723儀器分析曾元爾科學(xué)出版社第一版2017.324儀器分析賈春曉河南科技出版社第二版2015.3

1 對比教材的選取

根據(jù)筆者的統(tǒng)計，近五年來國內(nèi)面向本科院校的儀器分析教材多達(dá)24種，如表1所示。其中武漢大學(xué)聯(lián)合廈門大學(xué)、中山大學(xué)、南開大學(xué)和浙江大學(xué)等高校主編的《分析化學(xué)(下冊)》是國內(nèi)最暢銷、受眾最廣的儀器分析教材，已于2018年出第六版，因此將其作為國內(nèi)教材的代表。國外教材方面，結(jié)合張立新等[10]對于多本國外教材的綜合評論，選用《Principles of Instrumental Analysis》(第六版)，主要原因是《Principle of Instrumental Analysis》的作者寫過多本分析化學(xué)教材，對分析化學(xué)以及儀器分析課程教學(xué)和教材編寫均富有經(jīng)驗，在美國、中國香港、新加坡、澳大利亞等國家和地區(qū)高校均獲得較高的評價。國內(nèi)外的這兩本教材自從面世后就不斷根據(jù)新的研究成果進(jìn)行教材的改版升級，能夠反映當(dāng)前儀器分析課程的整體面貌，是較為合理的對比研究對象。

表2 國外高校常用儀器分析教材

2 兩本教材的基本情況

2.1 《分析化學(xué)(下冊)》的編排體系

《分析化學(xué)(下冊)》是“十二五”普通高校教育本科國家級規(guī)劃教材。在編寫時參考了國內(nèi)外最新版本的儀器分析教材，習(xí)題解答等配套教輔材料比較豐富。該教材主要作為儀器分析基礎(chǔ)課程來使用，全書分為23章，主要內(nèi)容包括：光譜分析法、電化學(xué)分析法、核磁共振波譜法、質(zhì)譜法、色譜法、毛細(xì)管電泳法等，還適當(dāng)?shù)亟榻B了如表面分析、熱分析、流動注射分析及微流控技術(shù)、各種聯(lián)用技術(shù)等內(nèi)容。限于篇幅，未涉及很多應(yīng)用較少的儀器分析技術(shù)的介紹，總體的結(jié)構(gòu)安排是相當(dāng)合理的。全書重心放在儀器分析方法和技術(shù)的基本原理、儀器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，并附有思考題、練習(xí)題和參考資料。

本書作為最受歡迎的國內(nèi)基礎(chǔ)儀器分析教材，主要有以下優(yōu)點：內(nèi)容知識面廣、涉及學(xué)科多，本書在編寫中精選基礎(chǔ)知識，理論聯(lián)系實際，突出儀器分析內(nèi)容在化學(xué)學(xué)科教學(xué)中的基礎(chǔ)作用；內(nèi)容既精益求精，又注重拓寬知識范疇，反映了學(xué)科發(fā)展與交叉滲透的新成果。文字方面具有通俗易懂，深入淺出，便于自學(xué)的特點。

2.2 《Principle of Instrumental Analysis》的編排體系

《Principle of Instrumental Analysis》(中文譯為《儀器分析原理》)由斯坦福大學(xué)的D M Skoog教授主編，是美國影響力最高的儀器分析教材之一，目前的第六版繼承了前幾版的主要優(yōu)點，根據(jù)學(xué)科技術(shù)發(fā)展的特點，詳細(xì)、系統(tǒng)地介紹了儀器分析的基本原理和基本概念，知識結(jié)構(gòu)安排合理，用處于科技前沿的最新理論和模型來解釋基本原理，同時也介紹了各分析方法的具體應(yīng)用。作者在更新的版本中不斷介紹引入新技術(shù)和新特色，可以使讀者體會到儀器分析的發(fā)展與進(jìn)步。

從第五版開始，本書開始把原先相對獨(dú)立的章節(jié)編排、內(nèi)容堆疊方式，改為相互聯(lián)系的方法，把內(nèi)容分為六個部分。相較于先前的版本，閱讀與使用更為方便，且教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，有利于教學(xué)展開。本書內(nèi)容較為突出的方面包括：

(1)充分考慮質(zhì)譜法的發(fā)展進(jìn)程和應(yīng)用情況，本書中質(zhì)譜法相關(guān)內(nèi)容分為兩個部分：就原子質(zhì)譜法的部分，主要敘述質(zhì)譜儀和質(zhì)譜法的基礎(chǔ)知識，詳細(xì)地介紹了質(zhì)譜法的特殊離子化方法如何應(yīng)用于原子分析實驗，相應(yīng)地敘述電感耦合等離子體，輝光放電及火花源等的基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。同時介紹用質(zhì)譜法進(jìn)行表面原子分析的新技術(shù)，較為完整的體現(xiàn)了質(zhì)譜法應(yīng)用于元素分析領(lǐng)域的發(fā)展過程；在分子質(zhì)譜法部分，作者主要介紹有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)中質(zhì)譜法的應(yīng)用，特別是應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)中的各種離子化方式及應(yīng)用的介紹更為詳細(xì)。同時在生化質(zhì)譜法部分，作者還介紹了科技前沿的基質(zhì)輔助激光解析電離技術(shù)，并給出該技術(shù)在蛋白質(zhì)和多肽質(zhì)譜分析的典型應(yīng)用。

(2)在最新的版本中，對于已有的各種知識予以保留，重點在于加入了前沿技術(shù)的基本原理和應(yīng)用的介紹。例如分光光度法章節(jié)中增加了電感耦合器件(CCD)、光電二極管陣列(PDA)和探針式光度計檢測等技術(shù)方法；在色譜與分離技術(shù)一章，把前幾版中僅以一小節(jié)敘述帶過的毛細(xì)管電泳和電色譜、超臨界流體萃取和超臨界流體色譜兩種方法，在新版本中獨(dú)立成章，以展示兩項技術(shù)的最新發(fā)展；同理，在核磁共振內(nèi)容部分，加入了廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的核磁共振成像技術(shù)的基本儀器和原理介紹，以及表面光譜和顯微分析章節(jié)。教材同樣介紹了在納米材料研究中應(yīng)用的原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡，說明該書沒有局限于介紹純化學(xué)的先進(jìn)技術(shù)，有利于讀者拓寬視野。

(3)在每章節(jié)的前面先簡要介紹了本章將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，這類儀器分析技術(shù)的起源與發(fā)展，對于學(xué)術(shù)界的影響以及各階段取得的成就，給讀者建立起一個儀器分析技術(shù)發(fā)展史的印象，有助于對知識的把握。

3 兩本教材的對比

3.1 兩本教材的內(nèi)容對比

現(xiàn)代的儀器分析的綜合性較強(qiáng)，除了以化學(xué)基本原理和實驗技術(shù)為基礎(chǔ)，也同物理、生物、化學(xué)計量學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和自動化等學(xué)科相結(jié)合，這一點在國內(nèi)外兩本教材中都易觀察到。

當(dāng)然，鑒于國內(nèi)外作者的學(xué)識背景、生活文化和個人思路的差異，不同的教材自有極多的不同之處。《Principles of Instrumental Analysis》具有典型的美國教材模式，在原理部分沒有很深的學(xué)科界限。整體來看，該教材內(nèi)容由淺入深，介紹詳細(xì)，比如電位滴定法一章，介紹每一種電極時常會介紹很全面的知識，在玻璃電極章節(jié)甚至大篇幅地介紹了一種“維克玻璃”，使教材更生動；此外，武漢大學(xué)版的《分析化學(xué)(下冊)》雖然全書較厚，但是相比于國外教材，內(nèi)容相對精簡，點到為止。《Principles of Instrumental Analysis》注重知識的完整性，鋪墊和連接部分做的較好。若是一個入門人士，拋開英語語言障礙，選用《Principles of Instrumental Analysis》可能會更為輕松，更有益于對知識更深層次的把握，也更適合研究性學(xué)習(xí)。

相反，《分析化學(xué)(下冊)》考慮到國內(nèi)高校實際教學(xué)情況，以PPT等課堂教學(xué)技術(shù)作為輔助教學(xué)工具，整個教材的編排較為簡潔，實際教學(xué)效果顯著。從知識系統(tǒng)化的角度講，一本教材也并不是要朝著把書寫厚，包羅萬象為目標(biāo)，而是應(yīng)該層次分明，詳略得當(dāng)，突出重點。有時適當(dāng)?shù)膭h減簡略，也不失為一種好的做法。在目前化學(xué)化工類儀器分析課程課時在64～72學(xué)時的安排下，《Principles of Instrumental Analysis》由于篇幅較長，是不可能做到面面俱到的，而選擇《分析化學(xué)(下冊)》較為合適。

表3 國內(nèi)外教材中的電位分析法章節(jié)

3.2 具體教材章節(jié)的對比

無論是國內(nèi)教材還是國外教材，儀器分析所包含的學(xué)科知識之廣，使得全書的內(nèi)容對比難以在一篇文章中羅列。因此，此處僅選取電位分析法的內(nèi)容作為比較素材，以下表格給出了國內(nèi)外教材的章節(jié)標(biāo)題的對比。

從表3中各章節(jié)的標(biāo)題可以發(fā)現(xiàn)，在教材內(nèi)容的寬度和深度方面，國外教材都更勝一籌。比如離子選擇電極這一內(nèi)容，在《儀器分析(下冊)》中僅用一小節(jié)(14.4)進(jìn)行簡單介紹，而在《Principles of Instrumental Analysis》中，離子選擇電極用了三節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行介紹(23D、23E和23F)；國外教材還加入了很多科技前沿的新知識，這些內(nèi)容在國內(nèi)的儀器分析教材中往往不做介紹，比如離子選擇電極部分的離子敏感場效應(yīng)晶體管，又如整個分子選擇電極部分。

在pH的實用定義中，兩本教材給出了不同的定義式。《儀器分析(下冊)》給出是式(1)，而《Principles of Instrumental Analysis》中給出的是式(2)，兩者的區(qū)別在于在電池圖解式中，玻璃pH電極位于左側(cè)(《儀器分析(下冊)》)還是右側(cè)，從而推導(dǎo)出不同的定義式。

(1)

(2)

此外，兩本教材的前半部分的整體內(nèi)容編排還算一致，各自的后半部分內(nèi)容有各具特色，側(cè)重不同，例如中文版的最后部分介紹了如何應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及自動電位滴定儀的介紹，這一點國外教材未提及；同理，國外教材電位測定小節(jié)的校準(zhǔn)法也沒有出現(xiàn)在國內(nèi)的教材中。

盡管部分章節(jié)內(nèi)容不同，這兩本教材也存在很多相同之處：(1)不同的編者由于自身學(xué)習(xí)的課程體系不盡相同，往往會根據(jù)自己的習(xí)慣使用符號，這往往給讀者對比是造成困難。本文選用的兩本教材，從電位分析法部分來看，公式和符號一致性較高，解釋概念時大意接近，降低了初學(xué)者的閱讀困難。(2)作為一門實用性強(qiáng)的學(xué)科，國內(nèi)外的儀器分析教材都加入了豐富的圖示元素，除去部分的實物圖外，大多為效果更形象更直觀的模型圖，同時描述性圖形被廣泛運(yùn)用于需要圖例注釋的地方，有助于對知識的理解。

4 結(jié) 語

如果以一個比喻來概括兩本教材的風(fēng)格，那么《Principles of Instrumental Analysis》像是一幅醫(yī)學(xué)中的人體解剖圖，大到人體器官，組織，小到肌肉，筋脈都詳細(xì)描繪；《分析化學(xué)(下冊)》則是一幅人體骨骼框架圖，梳理了脈絡(luò)，搭建了基礎(chǔ)。兩書互有值得借鑒的地方，如果在雙語教學(xué)中使用得當(dāng)，課時安排合理，以國內(nèi)教材作為主授課，在為學(xué)生搭建知識體系后，以國外教材作為進(jìn)一步閱讀的輔導(dǎo)書，或是選用其內(nèi)容作為課堂講授，可以達(dá)到“1+1>2”的教學(xué)效果。