儀器分析課程教學內容和教學方式改革的幾點思考

鄒桂征，孫樹喆,2，徐曉文，黃錫榮，楊國生，吳波，張斌,＊

1山東大學化學與化工學院，濟南 250100

2山東大學泰山學堂，濟南 250100

儀器分析化學是高等院校化學專業的核心專業基礎課程，包括儀器分析理論和儀器分析實驗兩門課程，根據現有山東大學化學專業本科生培養方案，化學化工學院分別在第三和第四學期開設。它以物質的物理、化學性質為基礎，利用測量儀器對物質進行定性、定量和形態分析，并發展與化學相關的測量策略、原理、方法與技術，以精準獲取物質組成、分布、結構與性質的時空變化規律[1]。儀器分析課程越來越多地呈現出多學科交叉融合發展的時代特征，逐漸發展成為一門建立在化學、物理學、數學、計算機科學等學科基礎上的綜合性課程，化學、材料、信息、能源、環境、生命、醫學和藥學等諸多學科領域對其有較高的專業需求[2]。

隨著我國社會經濟高速發展進入轉型階段，高等教育也進入內涵提升與轉型期，為適應社會經濟發展需求、解決教育領域存在的問題，改革探索一直在不斷進行。但不同的學科、課程千差萬別，需要根據課程自身的特點，采用符合學科規律的教學方法。因此，如何通過課程教學完成知識傳授、素質和能力培養以及突出創新思維的引導，是當前教學內容和教學方式改革面臨的巨大挑戰。尤其是在化學“雙一流”建設背景下，陳舊的教學和實驗內容以及傳統的教學模式已經不符合化學“雙一流”建設中的人才培養目標[3-6]。本文針對近年來儀器分析課程教學中存在的問題，結合學科發展趨勢和專業特點，初步探討了教學內容、教學模式和考核評價方式等方面的改革思路，通過更新、完善現代儀器分析化學課程的理論教學內容，提高教學質量，使學生掌握現代化的專業基礎知識、具備優良的專業素質。

1 儀器分析課程教學現狀及疫情前后的教學評估結果比較

根據我院化學專業本科生培養方案，儀器分析課程設置在第三學期開課，即學生在第二學期應先修完化學分析課程，在此基礎上繼續學習掌握儀器分析的原理、方法和應用。授課對象針對泰山學堂化學取向、化學專業強基班(自2021-2022年度秋季學期開始)、化學專業基地班、普通化學專業和化工專業五個不同層次。授課內容、授課學時和考試要求等根據各自培養方案的不同而有所區別。2020年春季學期，面對突如其來的新型冠狀病毒肺炎疫情，學生無法返校，不能正常開展教學活動，2019級本科生的化學分析課程只能采用線上教學方式，這對教師授課和學生學習都帶來極大的挑戰。由于主客觀的原因(如教師授課方法、所使用的網上教學軟件、學生聽課方式的改變、學生學習的自律性、網絡信號不穩定等)，教師教學質量和學生學習效果均受到一定的影響。在隨后的秋季學期中，盡管2019級本科生的儀器分析教學恢復為線下正常教學，但教學過程中學生的課堂表現已反映出前面基礎課知識掌握不夠扎實的問題，在期末考試成績上也有所體現。

圖1為疫情前后化學專業2018級和2019本科生儀器分析課程教學評估的部分指標對照結果(均為線下授課，人數相等，考試題目難易程度相當)。左圖為學生對課程的整體評價，認為課程較難的比例從疫情前的23.8%上升至疫情后的36.1%；右圖為考試成績分布，優秀和良好所占比例數下降顯著，并且班級平均分也從77.7下降為73.8。上述結果盡管可能存在其他不確定因素的影響，但直接反映出對于這類注重原理講解和邏輯分析過程推導的理論課教學，將教學方式直接簡單地從線下調整為線上，對學生的學習效果有一定影響。

圖1 疫情前后儀器分析課程教學評估結果比較

除此以外，雖然第一次線上教學存在考核結果較不理想的弊端，但從部分學生的課后反饋來看，仍有不少學生認為線上教學為學生的自主性學習提供了空間和時間。尤其是眾多網絡化學習資源可以通過搜索引擎實現檢索，這在豐富線上課堂較為枯燥的教學內容和提高化學類學生自學能力方面大有幫助，也為后續嘗試探索線上線下相結合的多方位一體化教學新模式奠定了基礎。

2 儀器分析課程教學中存在的問題

化學學科的發展與社會生產力的發展密切相關，不斷地為社會發展提供解決問題的方法，化學領域的研究立足于解決社會發展的問題。隨著科技進步，不斷有新儀器、新技術和新方法出現，傳統的儀器分析課程教學內容與科研中實際應用的現代分析儀器、表征技術日益脫節的矛盾不斷加深。同時在教學模式上，由于該課程涉及到多種儀器和方法，各部分內容相對獨立，各種儀器應用差別較大，傳統教學方法使很多學生感覺到該課程“凌亂”，不能建立知識點之間的聯系，學習過程難以抓住重點。因此，現有儀器分析課程的教學和實驗內容及教學模式已經不能滿足新時期一流專業人才培養的需求，存在的主要問題表現在以下幾個方面。

2.1 教材陳舊，教學內容急需補充完善

現使用教材為南京大學主編、科學出版社2002年發行的《儀器分析》，該書在儀器結構和分析原理部分敘述得較為清晰有條理，更傾向于直白淺顯地介紹基本研究思路。但教科書中所涉及的有些分析方法已經相對滯后，無法滿足當前實際分析工作的需求；同時隨著科學技術的迅速發展，尤其是近十年來納米材料制備和表征技術發展的突飛猛進，誕生了眾多光電分析新原理、新方法、新技術和新儀器[7]，比如表征納米材料結構的原子力顯微鏡(AFM)，透射電鏡(TEM)和掃描隧道顯微鏡(SEM)；表征物質相互作用的表面等離子共振(SPR)和石英晶體微天平(QCM)；以及太赫茲時域光譜技術(THz-TDS)及多種儀器的聯用進行綜合分析等。在有限的教學時間內，如何將這些最新的儀器分析新原理新方法有機融合到現有課程體系中是一個亟需解決的問題。結合目前高等院校儀器分析課程開設學時數的現狀，以48學時和64學時為例，給出表1供教學內容及學時安排參考。

2.2 教學方法落后

現有教學模式大多采用傳統的“以課程教學為中心”的單一教學方法，側重單純知識傳遞、忽視學生能力素質的培養，缺乏現代信息技術與教育教學深度融合，學生處于被動的學習狀態，不利于激發學生的學習興趣和主觀積極性。

2.3 缺乏科學化的評價方法和標準

考核考試形式單一，往往只采用期末應試型的閉卷考試方法，學生過程學習考核所占的比重偏低(儀器分析課程現有教學大綱規定平時成績占比為20%)，難以實現教與學的全過程質量控制和有效評價，不利于創新性人才的培養。

3 儀器分析課程教學內容和教學方式改革的幾點思考

3.1 教學內容的更新和完善

1) 參考目前國內外名校儀器分析課程的主流教材和學科發展趨勢，應適當刪減或增加部分教學內容。突破原有課程框架的束縛，整合和更新儀器分析課程的基本內容和側重點，大力加強對后續專業課“有用、必需”的知識，合理刪掉或簡化一些應用性不強的內容。另一方面，根據不同專業的人才培養目標的區別，對教學內容進行必要的拓展及延伸。

儀器分析課程教學可以電化學分析(導論、極譜分析、庫侖分析)、色譜分析(導論、氣相、液相)、光分析(原子吸收與原子發射、紅外、拉曼、熒光)、波譜分析(核磁共振、質譜分析)為主要內容，適當增加X射線衍射(XRD)、高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)、熱分析(DSC/TGA)、多維熒光等目前在物質分離和結構測定領域應用較為廣泛的分析手段的分析原理和儀器結構原理的介紹。適當壓縮繁雜的運算或公式推導部分介紹，但重要的結論或公式(如色譜保留基本方程、尤考維奇方程等)應詳細闡述和重點考查。

表1 儀器分析教學內容及學時安排參考

2) 將基礎知識與學科前沿相結合。在理論教學中，教師應結合學生專業特點，不斷洞察學科研究的新進展和新成果，在相關理論知識的學習基礎上，引入該領域的最新研究動態，為學生的創造性學習開拓思路。

3) 緊密結合學生的專業和實際生活，培養學習興趣。在教學過程中，引入現實生活和工作中的實例和問題(比如霧霾的源解析方法、新冠病毒的檢測原理等)，引導學生用所學的分析化學知識去解釋一些現象，一方面可以增加學生對儀器分析課程的學習興趣，另一方面也可以提高學生的理論聯系實際的能力。

4) 在理論課教學內容完善的基礎上，再對儀器分析實驗的內容進一步修訂。

3.2 教學模式的探索：利用信息化手段，引入多種教學模式相結合，探索“模塊式”教學可行性

1) 伴隨著信息技術的發展，混合式教學模式應運而生。在研究分析課程教學內容、學生學習基礎、教學環境等因素的基礎上，精心設計教學過程，將線下(課堂教學)與線上(網絡教學)進行有機結合，使其達到優勢互補，從而實現教學效果的最優化。

2) 理論與實驗教學相聯系。儀器分析化學是一門注重方法原理的理解、相對抽象的學科，理論課上的講解很難使學生記憶深刻。因此在儀器分析化學理論課上適當滲透實驗課的教學十分必要，比如增加某些演示實驗、制作相關理論知識點的Flash、設計制作虛擬仿真實驗等。通過上述方法既可以豐富實驗教學手段、彌補現行實驗教學條件的局限性，也使學生通過感性認識而加深對儀器分析基本原理的理解和記憶。

3) 提高學生自主探究學習的積極性。學生通過在線預習和交流討論，完成相應的學習任務，培養學生自主學習和解決問題的能力。課堂上根據學生課前預習反饋評價，選擇性講解重點和難點，適當拓寬知識面，達到內化和鞏固知識的學習目標。適時采用翻轉課堂模式，讓學生講解知識點，教師和同學提出問題進行討論，提高學生主動學習和深度學習的能力。

可以教師課堂授課為主，學生根據個人情況小組結合或個人對較新的文獻中所采用的儀器分析手段(鼓勵課外內容)進行簡單介紹(每次課15 min以內)，內容應清晰闡述所使用儀器分析方法的分析原理、應用實例、精密度、與其他方法的比較等。

4) 儀器分析的課程內容主要分為光分析(紫外可見吸收、分子發光、紅外吸收)、電分析、色譜分析(氣相、液相、超臨界流體)、波譜分析(核磁共振、X射線熒光等)等幾個模塊，這與不同授課教師的科研方向密切相關，教學團隊將探索授課模塊式的可行性，即光分析的授課由某位從事該領域研究的教師負責，在理論基礎系統講解的基礎上，適當引入相關實際科研工作中的應用，而波譜分析等則由其他教師來承擔。一方面教學內容由最擅長該領域的教師承擔，教學效果好，另一方面也可以避免一位教師從頭到尾講到底所帶來的“枯燥感”，提高理論課授課的活躍性。

3.3 探索分層次教學內容和教學方法的改革

我院儀器分析課程的授課對象針對泰山學堂化學取向、化學專業強基班、化學專業基地班、普通化學專業和化工專業五個層次，各個專業的人才培養目標不同，因此應當在教學內容和教學方法上體現出差異，以分別實現不同專業方向的人才培養目標。

3.4 改進學生成績考核方法，研究建立完善的綜合評價機制

合理的課程考核方法是促進學生學習的有效手段。針對以往單一的期中期末閉卷考試形式的不足，研究建立課程考核信息庫，完善綜合考核評價機制，著重考核學生掌握知識能力、獨立思考能力、組織協調能力、創新思維能力。研究設置線上線下多元化的考核評價體系，主要包括課前預習、課堂互動、課后作業、單元測試、期中期末考試等模塊，并按適當比例計入課程考核總成績。針對不同模塊要求，設計制作形式多樣的開放性探索題目，比如撰寫教研小論文、主題發言、課堂討論、網上交流、專題宣講等，學生根據教學進度在線及時完成相關測試。系統評價每個階段的學習成績和效果，從根本上保證課程的教學質量和水平。

儀器分析課程考核成績組成及比例范圍建議如下：平時成績(20%-30%，作業+小組展示+綜述或某個課內思考題的延伸思考1000字左右論文)+期末考試(50%-60%)+期中測驗(10%-20%)。作業應當全面地讓學生對于分析原理、簡要計算、優劣點對比總結等有所掌握，期中考試可適當增加一部分客觀類題目以檢測學生的基礎知識掌握，期末考試以主觀題(簡答、計算、推導、綜合應用)形式考查基本知識的應用為主，結合儀器分析的一部分簡單的應用實例，體現儀器分析在科學研究的結果表征方面所發揮的重大作用。

3.5 教學中融入思政元素，提升專業課的育人功能

儀器分析課程的教學改革，一方面應注重加強基礎專業知識的傳授和創新意識的培養，更重要的是應突出教育“立德樹人”的根本方向，發揮專業課的育人功能。因此，應當充分結合儀器分析專業課程的特點，積極發掘與之相關聯的思政元素案例，將其自然融入專業課基礎教學中，激發學生的學習興趣、家國情懷和使命擔當，引導學生樹立正確的世界觀和價值觀。

例如，在第一章緒論的教學中，可引入月壤分析的實例[8]。2020年12月17日，嫦娥五號返回器成功降落，帶回凝聚了無數航天人心血與智慧的1731 g珍貴月壤樣品。而月壤分析的重要性不言而喻，其研究是探討月球起源與演化歷史的基礎，是了解月球物質成分和月球礦產資源開發利用前景的依據。針對月壤樣品的珍貴性和特殊性，需要完善分析方法，提高相應儀器的靈敏度和分辨率，研發新技術新方法。2021年7月12日，在北京舉行了首批月壤發放儀式，其中中國科學院、中國地質大學等13家科研機構和高校共獲得約17.4764 g月壤，這也代表著中國月球樣品的研究工作正式開始。因此，在教學中可給學生拋出問題：你如何分析月壤樣品？圖2列舉了月壤分析應遵循的原則、部分檢測目的及所使用的儀器分析方法和技術。

圖2 月壤分析案例

通過這個案例的講解和討論，一方面可以使學生見證當代中國發展的偉大成就，充滿了民族自豪感，嫦娥五號的成功返回完成了中國航天迄今為止最復雜、難度最大的任務之一，標志著我國科學家在航天航空、地外天體采樣、新材料研發等諸多領域取得的巨大成就。其次，“樣品具有代表性”和“原汁原味”等分析化學理念，體現在月球樣品的采集、封裝、運輸、移交整個處理過程中。第三，通過對月壤樣品分析方法和技術的簡單介紹，實現理論知識與科研熱點之間的關聯，激發學生對儀器分析課程的學習興趣。

4 結語

以培養化學專業“雙一流”創新型人才為目標，貫徹落實“以學生為中心”“以學為中心”“以發展需求為中心”的理念，儀器分析課程的教學改革應不斷完善理論教學和實踐教學內容；運用現代化信息技術手段，實施多種研究型教學方法；加強教學過程考核，改革考試方法，激發學生的學習興趣和積極性。完善課堂教學標準體系，實現線上與線下教學相結合，教師引導與學生自主學習相結合，提高學生自主學習和研究學習的能力，強化創新思維培養，推進以價值塑造、能力培養和知識傳授為核心的“三位一體”課堂教學模式改革，全面提高儀器分析課程的教學質量和教學效果，為其后續相關專業課程的學習以及未來從事相關專業的工作奠定堅實的專業基礎。