儀器分析教學中的幾點體會

馬玉剛

(廣東石油化工學院 分析測試中心，廣東 茂名 525000)

儀器分析雖然僅僅是分析化學的一個分支學科，但是由于其具備的諸多學科的綜合性、獨立性、實踐性和特殊應用性等特點[1]，這使得它在化學、化工以及相關學科中的地位日趨重要，是教學、科研和生產中不可或缺的組成部分。但是儀器分析的教學面臨諸多挑戰。首先，儀器分析涉及到的很多精密、昂貴的儀器，部分儀器甚至上百萬、上千萬元，并非每個學校都有能力購置，可能上完課學生們也沒有見過這些儀器。這種由于儀器短缺和不足嚴重制約了教學效果的取得。其次，即使學校已經添置一些儀器，但是每個種類儀器數量較少，學生們很少有機會親自上機操作使用，無法形成基本的感性認識，更談不上運用儀器解決具體分析問題。最后，由于分析儀器都是先進科技的產物，其原理中的理論知識難以理解。如果沒有機會接觸儀器，也沒有操作儀器的實踐經驗，無法理解高深的化學、物理、數學等諸多學科的理論知識，自然無法取得好的教學效果。這的確給授課老師提出一定的挑戰，需要立足現實，促使老師不斷總結經驗，改進教學方法，爭取取得好的教學效果而達到教學目的。

1 儀器分析課程教學所要達到的目的何在？

毫無疑問，大學里所開設的每門課程都有教學目的。教學目的是教學領域里為實現教育目的而提出的一種概括性的、總體的要求，制約著各個教育階段、各科教學發展趨勢和總方向，對整個教學活動起著統貫全局的作用[2]。

那么，儀器分析課程的教學目的是什么？

筆者有十余年為生物技術、化學工程、環境工程、高分子材料等專業開設儀器分析課程的經歷，深感只有明確教學目的，才能進行針對性的理論教學和演示實驗，才能把教學工作融入學生的專業學習中。但是，教學目的確定必須符合課程的內在要求，符合學生所學專業需求，符合社會對培養人才的基本要求。

在我們看來，儀器分析課程的教學目的在于讓學生認識到儀器分析課程要解決的基本問題是什么，即一般的儀器分析即為通用型分析工具，所要解決的基本問題就是元素分析、化合物結構分析、化合物成分分析、熱分析和表面分析、形態分析等。一系列的分析需要諸多分析手段和工具，儀器分析就是提供分析手段的平臺。比如色譜意味著各類化合物和離子成分分析，分子光譜一般就是化合物結構鑒定，原子光譜則是金屬元素的分析等等。

這就是我們體會到的儀器分析教學目的，既簡單明了，指向也很明確，即通用性儀器平臺能解決的基本分析測試問題。

確定了教學目的，課堂上基本理論的闡述和實驗環節儀器的演示都是為教學目的服務的。

2 如何實現教學目的？

明確了教學目的，就需要在教學中采取各種可行性的措施。

首先，培養學生學習興趣是儀器分析學習達到教學目的的關鍵，也是取得教學目的的前提。

從教育心理學的角度來說，學習興趣是一個人傾向于認識、研究獲得某種知識的心理特征，是可以推動人們求知的一種內在力量。學生對某一學科有興趣，就會持續地專心致志地鉆研它，從而提高學習效果，達到教學目的。

儀器分析雖然涉及到多學科知識和應用，但是整體上屬于化學學科。化學本身是一門實踐性很強學科。在化學教學中抓住這一有利因素，激發學生的興趣，在興趣的誘 導下輕松步入化學的大門[3]。

興趣是最好的老師，但是學習興趣并不是天生產生的，尤其是較大年齡的學生們開始接觸比較抽象的精密儀器和分析問題，所以不能指望學生學習儀器分析就是天生的，必須承認多數學生沒有先天性的對儀器分析學習的興趣。大學生們在高中學習階段幾乎沒有機會了解分析儀器，大學低年級階段接觸分析儀器的機會也不多，所以學習興趣的培養需要老師探索。

廣西師范大學黃勇等提出適當介紹儀器分析發展史、實際應用、科學研究前沿和實驗教學四方面闡述如何激發學生學習儀器分析課程的興趣[4]。應該承認，黃勇等人提出的觀點具有一定的合理性，即通過對某一儀器的起源、發展歷程和在科研、生產中的應用等完整過程，激發學生學習的積極性，從而培養學習興趣。當然，老師的教育背景、專業特性、社會經歷不同，其闡述問題的視覺有差異，所以在培養學生興趣方面需要個性化思路。

我們認為，培養大學生學習儀器分析的興趣必須與社會生活和未來他們的成長相關聯。在講授課程中，我們介紹了奧運會中奧委會如何利用高效液相色譜檢測興奮劑、考古工作者如何利用穩定同位素質譜儀對文物考證、珠寶鑒定師如何利用拉曼光譜和紅外光譜鑒別寶石和玉石、公安機關如何利用各類儀器幫助偵查員完成疑難案件的偵破、復旦大學林某同學投毒案中涉及到的質譜圖到底意味著什么、當年奶粉三聚氰胺事件中氮含量分析與蛋白質含量、三聚氰胺之間的關系、光緒皇帝頭發砷含量超高是如何分析的、如何利用分析儀器判定地溝油，等等。上述事例告訴學生，儀器分析并不僅僅存在于象牙塔里，它與我們日常生活緊密相關，可以說是無處不在。隨著科技的發展，人們生活豐富多彩，儀器分析也就越來越為我們生活保駕護航。

同時，把儀器分析課程學習與學生所學專業進行有機關聯，也是培養學生學習興趣地路徑之一。

學生學習興趣培養除了與社會生活關聯外，還需要結合學生專業課程，使學生感覺儀器分析課程可以加深對專業的理解，甚至儀器分析就是專業學習的組成部分。針對不同專業的學生，我們使用了不同的關聯知識，培養學生學習興趣。生物技術專業的學生對發酵后制備的酒感興趣，我們就介紹氣質聯用如何分析白酒和紅酒中雜醇和其他組分，確定酒的品質高低；環境工程專業需要了解水污染狀況，我們就介紹原子發射、原子吸收、原子熒光如何測定水中金屬元素，如何利用吹掃捕集與氣質聯用分析水中有機物污染；如果是高分子材料專業學生，勢必對聚合物材料和各類樹脂有一定的興趣，我們則需要借助于凝膠滲透色譜解決聚合物分子量的分布，借助紅外光譜和拉曼光譜確定鑒別高分子材料的基本屬性。

總之，學生對自身前途和未來發展肯定傾注大量精力。一些學生面臨要考研深造，儀器分析是他們面試重要環節，也是他們深造后從事科研工作的工具。如果一些學生畢業參加工作涉足到專業問題，儀器分析則提供了基本分析測試解決問題途徑。儀器分析的學習不是別的東西，它與專業學習一脈相承，會幫助加深專業學習，會使專業學習如虎添翼。既然儀器分析與專業學習之間有如此密切關系，其實也是與學生未來發展前途也是密切相關的，體會到這個道理，學生學習自然會有一定的動力，學習興趣自然而然就逐步培養起來了。

其次，儀器分析中的基本理論學習則是達到教學目的的基礎環節。儀器分析涉足到很多通用型儀器，解決問題最終需要如何利用這些儀器。但是，沒有基本理論知識，則利用儀器解決問題的能力必然受到限制，也無法培養學生綜合型能力，教學目的也就無從談起。

但是由于儀器分析中涉及到理論問題比較復雜，其理論內涵也比較難以理解[5]，涉及到化學、物理、數學等諸多學科的基本理論，特別是如原子結構中的量子化學和量子力學、分子結構中量子化的分子轉動、分子振動、價電子躍遷等，所以基本理論的學習也不能求全，既要明確基本理論，但是不能糾纏一些細節，只需要學習基本原理，即學習重要但是比較容易理解的基本理論就可以了。比如核磁共振儀器，涉及到量子數、自旋、自旋中原子核能量分配和能級分裂問題、共振中的弛豫、電子云的互相作用與原子核的化學位移之間的關系、原子核之間作用發生耦合、去偶化等。這些理論問題難以理解，其知識結構超出學生理解范圍。如果一概求全，要求學生對這些理論問題全方位理解，這顯然不可能。所以在講授中需要簡化，對于難以理解但是基本不影響儀器理解的問題暫時擱置。即在核磁共振理論學習中強調自旋、磁場設定、射頻發射、電流與磁場之間關系(麥克斯韋方程)、能級分裂、低能級原子核吸收射頻能量而發生共振，然后理解發生共振的差異性體現在化學位移變化和磁場的變化，這就是核磁共振解決的問題。至于其他理論知識，有待于學生對基本理論知識理解后逐步學習，不能要求給他們灌輸太多的理論知識，以免造成學生概念混亂以至于失去學習興趣和自信。

在學習基本理論過程中要使學生具備綜合性思維，培養學生的理性思維、邏輯推理、實證性思維以及綜合應用等能力[6]。比如學習分子光譜理論以及相關儀器時，就是把一系列儀器關聯起來，一起進行比較。即分子光譜時就強調幾個問題，即如果涉及分子，則就是分子轉動和振動問題，與其振動能級相匹配(即共振)的電磁波就是紅外光(中紅外、近紅外光譜、拉曼光譜)，所涉及的儀器就是紅外光譜儀和拉曼光譜儀；如果涉及到分子中價電子問題，就需要說明化合物結構的問題，必須有未成對電子，必然有不飽和官能結構，其價電子就不是振動問題而是躍遷但是也包含來相連原子的振動，其對應的的電磁波(即共振)則是可見光和紫外光，涉及到的儀器則是紫外-可見光譜儀；如果分子中涉及到原子核的研究，則只有自旋運動問題，與其能級變化相對應(共振)的只有射頻長波，涉及到的儀器就是核磁共振波譜儀。經過這樣的比較學習，使學生們認識到分子光譜中既有共性問題，即能量變化與電磁波之間的共振，也有個性問題即分子轉動、分子振動、電子躍遷、原子核自旋問題，從而衍生出不同的儀器，從不同角度對化合物進行結構描述，從而進行化合物鑒定識別。

所以，儀器分析教學中基本理論的學習是基礎性的，沒有基本理論的理解就無法理解通用型分析儀器基本功能。但是也不能過于求全而對所有涉足理論進行全方位的講授。在講授中需要把基本理論與學生的現行理解力和現有知識域進行銜接乃至簡化和比較，從某種意義上講，也就是發生共振式教學。我們理解的共振式教學即學生是分子或者原子、原子核，教師是光譜發生器。教師講授的基本理論知識既是發射的光譜(具有一定的頻率、波長、傳播速度和強度)，其光譜必須適應學生理解力，即發生共振。只有這樣共振形式的教學，學生才能真正理解基本理論知識，與學生理解力和知識互相兼容和互相比較。這樣學習的理論知識才具有感性認識，才能具有踏實感。

3 對授課老師的基本要求

任何一門課程的學習都是教師和學生的系統性互動行為。要達到教學目的，除了培養學生的自覺學習外，對授課老師自身經歷也提出一定的要求。

儀器分析課程集理論和實踐與一體的綜合體，這對授課老師要求也一定具有特殊性。

我們體會到，授課教師必須具有使用儀器解決問題的經歷而不是僅僅憑借書本知識，教師對通用型分析儀器有一個綜合性的把握。這是對授課老師提出的基本要求。儀器分析課程首先涉及到一系列的儀器問題，學習中要掌握的是儀器構成、基本原理(基本理論)、儀器解決的具體分析問題，從而實現教學目的。在幾個環節中，儀器的使用是核心問題。具有了使用儀器的經歷，授課老師對儀器組成、原理的理解何講授才具有真實感和現實感，才能在儀器演示實驗中把所有知識落到實處，才能為學生解答各種問題，把儀器分析知識貫穿到專業學習和社會生活中，與學生之間形成良性互動。如果教師對絕大部分儀器都沒有使用過，或者根本沒有過利用儀器解決實際分析問題的經歷，理論和實踐嚴重脫節，就無法讓學生思維進入一個可證實的真實世界，也很難讓學生對課程產生興趣。

其次，就授課教師而言，應該具備一定的科研素養，最好有過科研工作的經歷。具備科研工作經歷的老師對儀器分析課程理解力必然會達到一定的高度，其思維也具備綜合性特點。比如一個從事過非均相催化研究的老師必然要用紅外光譜、紫外光譜、核磁共振進行反應物結構鑒別，使用各類色譜進行成分分析，必然用熱分析儀了解催化劑熱性質，一定要用X射線衍射儀進行催化劑晶體特性分析，還涉及到掃描電鏡和能譜儀等一系列分析測試儀器。所以使用的儀器是多種多樣的，其得到的結論也必然是綜合性的，對儀器分析的理解必然是具有一定深度的和連貫性的。

最后，我們認為授課老師必須具備一定的英語基礎。

在授課和演示實驗中，教師盡可能對一些專業詞匯用英語方式予以表達和解釋，其主要原因是現在各個部門所配置的精密儀器很多是進口的，其視窗和數據處理都是英語模式的。所以加強專業詞匯的理解也包含了此類詞匯的英語識別。這既是以后學習儀器、理解通用型分析測試的需要，也是與國際接軌的要求。儀器分析教學目也包含了這個要求。

總之，儀器分析課程對于化工為特色的工科院校是十分重要的，但是由于課程的特殊性，在授課中可能遇到諸多困難，所以授課教師需要在教學中不斷總結經驗，不斷探索和完善，形成具有一定特色的教學體系，爭取達到好的教學效果，從而達到教學目的。