儀器分析課程教學的思考與探索

符繼紅

（新疆大學化工學院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

化學分析與儀器分析均為分析化學的重要組成部分[1]。其中，儀器分析是一門集化學、物理學、光學、電子學、數學和計算機科學等多學科為一體的交叉學科[2]。近年來，隨著儀器分析在科研和工廠生產等領域的應用發展迅速，儀器已成為科研、科技和生產不可或缺的重要工具[3]。我國各高校都普遍開設了《儀器分析》課程，因此，作為本科生的儀器分析理論與實驗課程體系的教學，也越來越顯示其重要性。我校開設的儀器分析與實驗課程總學時數達到80學時，涵蓋了13種儀器分析方法。儀器分析課程的教學知識點涉及面廣、內容綜合性強且各儀器原理間的相關性較差。在課堂教學中需要重點講授各種儀器分析方法的基本原理，儀器的基本結構、測試原理和定性定量的分析方法，尤其是各種儀器的特點及其應用范圍，以使學生可以更好地掌握相關知識重點，旨在培養并提高學生的實踐能力、創新能力和強化學生的綜合素質及應用能力。為了更好地達到教學目的，通過多年的教學實踐，我們對教學方式進行了積極探索。

1 重視夯實理論基礎

《儀器分析》課程的特點是知識面涉及非常廣泛，具有一定的廣度和深度，學生覺得學習難度較大，如果在學習的過程中沒有很好地對知識點進行歸納和總結，夯實理論基礎，在一定程度上會降低學生的學習興趣。因此，在教學的過程中要將各類儀器分析方法的基本原理、基本概念，儀器的各主要組成部分及其應用范圍特點作為教學的重點內容，要求學生牢固掌握并熟練運用。比如我校講授的《儀器分析》課程涉及氣相色譜、高效液相色譜、電位分析法、伏安分析法、庫倫分析法、原子發射光譜、原子吸收光譜、紫外吸收光譜、紅外吸收光譜、核磁共振波譜和質譜等儀器。學生一開始學習的過程中，覺得儀器類型繁多，儀器之間沒有相關性，學習難度較大。但按照儀器原理的不同，以上儀器可分別歸屬于光譜分析法、電化學分析法、色譜分析法及質譜法等。對每類儀器的適用范圍、原理、定性和定量的特點及優缺點進行介紹，使學生把儀器分析的光、電、色等各類分析方法的全貌有透徹的理解。教師在授課中要突出儀器間共性與特性的比較，進行對比、歸納和總結。比如講解色譜儀時，介紹色譜法最早是從茨維特分離植物色素的實驗中發展來的。要讓學生了解色譜法的本質是一種對復雜混合物進行分離的技術。在茨維特的實驗中主要是應用到了一個裝有碳酸鈣的玻璃管（色譜柱），復雜的植物色素混合物在石油醚（流動相）的淋洗下得到了分離。因此，在色譜分析中要注重流動相和色譜柱在分離中的作用，這是色譜法的共性。但根據流動相是氣體還是液體，被分為氣相色譜和液相色譜，其儀器構造不同，選擇的色譜柱不同，分析的樣品性質不同。要具體給學生講解不一樣的原因及在使用過程中的注意事項，學生就會在對比了解的基礎上加深記憶和理解。引導學生對儀器共性及特性的對比理解，掌握各類儀器方法的原理、儀器構造和應用范圍，夯實每類儀器的理論基礎。

2 采用靈活的教學方法

儀器分析課堂教學的困難之一是課程涉及儀器類型多樣、工作原理相對抽象、教學內容量大，知識點多且復雜，造成學生知識掌握情況較差。其次，是課堂上講解儀器時學生沒有見過儀器實物，理論講解抽象，學生經常理解不透也印象不深。針對這些突出問題，采用靈活的教學方法，是提高教學質量的重要手段[1]。目前為止，國內絕大多數大學儀器分析課程的教學都采用了多媒體授課。多媒體的授課方式可以生動，形象，具體的展現儀器實物及內部結構。為進一步增強多媒體授課的教學效果，還可以采用多種顏色艷麗、圖片豐富的幻燈片或采用動畫資料使抽象、難懂的儀器原理簡單化，知識更加直觀，使學生可以更好地掌握相關的教學內容。第二，傳統的板書教學可以給學生充分的思考理解時間，使學生的學習思路隨著教師的授課內容逐步遞進。對于課程中的理論推導及計算采用多媒體結合傳統的板書教學，可以有助于學生的理解和記憶。第三，利用網絡資源，讓學生可以先在相關網站查閱資料，進行課程預習，觀看相關教學視頻，使抽象的知識內容變得更直觀、生動和形象。第四，采用線上線下混合式教學模式，借助網絡平臺，把教師傳統的課堂教學與線上學生自主學習有機結合在一起，使學生高效掌握分析儀器的使用方法及理論知識。學生可以在網絡平臺發布提問、寫筆記、做作業等，教師可以在線發布消息、布置和批改作業及進行階段測試。網絡平臺操作簡便，不受時間和空間的限制，容易得到推廣。同時可以采用微信、釘釘、QQ和電子郵件等方式為學生提供了一個很好的交流平臺。第五，科學組織教學內容，設問解疑，組織學生分組討論相關問題，激發學生的求知欲望，加強科學學習的指導。教師對討論的方向進行適當把握，并對學生提出的問題進行解答。這種方法也是培養學生自主學習的重要方式。最后，科學技術日新月異的發展使分析儀器發展迅速。但由于儀器分析教材修訂的滯后性，最新發展的儀器技術無法及時反映在教材中。通過開展內容豐富、形式多樣的學術講座，及時介紹國內外儀器分析技術的新發展和新應用及解決的重大科學問題，可以使學生了解學科前沿和開闊視野。學術講座可以邀請本學科的專家或儀器公司的技術人員以線上線下結合的方式進行，引導學生了解新的科研動態，把課堂所學的理論知識和最新的科研成果有機地結合起來，激發學生的求知欲，提高學生的學習及科研興趣。采用靈活的教學方法，充分調動學生的學習積極性，更好地提高教學質量。

3 重視提高實踐能力

儀器分析是一門專業性和技術性都較強的課程，需要較好的理解和動手操作能力。因此，儀器分析教學內容一般包括課堂理論授課及相關儀器實驗課程。但在實驗課程中也產生了許多問題[4]。首先，學生對實踐能力的培訓，即實驗課的重視程度不夠。部分學生認為只要理論考試能通過就行，實驗課時只要看看儀器是怎樣運行的就行，缺乏思考和動手的主動性。其次，由于實驗課中涉及的儀器一般比較昂貴，特別是一些大型儀器，學校購買的設備數量較小，而學生人數較多，在一些情況下只能由老師進行演示實驗，學生獨立操作的實踐機會少，因此降低了學生的學習興趣[5-6]。同時，實驗前學生對實驗原理沒有很好的理解掌握，導致理論與實踐脫節，理論不能很好地指導實踐。最后，由于學生人數多，老師少，實驗室少，有些實驗課是大班授課，造成老師在前面講，后排的學生聽不清也看不清，降低了學生的參與度。這些問題已嚴重制約了學生實踐能力的提高。為了解決以上問題，首先，在課堂教學及實驗課中要注重引導學生認識到學習分析儀器是為了“用”，激發學生的學習積極性。設計能引起學生興趣的實驗內容，給學生提出問題，讓學生提出采用什么儀器可以解決這個問題。多講一些學生關注和感興趣的如三聚氰胺的檢測、興奮劑的檢測、重金屬污染環境的監測等應用案例，讓學生真正了解儀器分析在科研及生產實踐中的應用，才可以有效地調動學生學習的積極性，意識到儀器分析課程的重要性。其次，學院可以購買相關仿真軟件，開展仿真實驗[7]。通過在實驗課前先開展仿真實驗，學生可以提前掌握實驗內容、儀器的操作流程及注意事項，使理論可以很好地指導實踐。并且在線下實驗課中可以極大提高實驗課的效率，學生在相同的時間內可以對儀器進行多次操作，極大提升學生的動手操作能力。第三，針對上課人數多的問題，實驗課時需對每個班的學生進行分組，減少學生上課的人數，使每個學生都可以積極參與到實驗課程中來。在遇到問題時能及時與老師溝通，加深對課程知識點的理解和掌握。最后，授課教師要進行相關的研究工作，并同各專業的老師進行溝通和學習，了解學院老師的科研動態。規劃研究小課題，讓學生走進課題組，主動發現分析儀器能解決哪些科研問題及得到怎樣的科研數據。

4 開設綜合設計實驗，培養綜合能力

實驗是儀器分析教學的重要內容，是培養學生分析問題，解決問題能力的重要途徑[8]。綜合設計實驗涉及建立合適的樣品提取方法對目標物進行提取，儀器分析方法的建立，實驗數據及結果的分析等多方面內容的調研及思考。開設綜合設計實驗過程中，應注重學生發現問題，針對問題查閱資料，進行歸納總結及怎樣采用儀器解決問題的引導[9]。同時，針對要解決的問題，培養學生查閱文獻的能力，提高其對不同儀器分析方法的原理與應用方法的深刻理解是非常有必要的[10]。可以結合地方經濟發展特色問題或目前社會關注的食品安全和環境保護等熱點問題給學生布置任務。如新疆獨特的自然條件和氣候環境使得新疆種植的芳香植物品質優良，風味濃郁，在國際市場上享有盛名，芳香植物產業已發展成為新疆的特色優勢產業。芳香植物的精油成分是決定芳香植物質量和特性的重要指標。因此，對芳香植物的精油進行分析具有重要意義。興趣是調動學生積極思維、探求知識的內在動力。針對新疆地方特色的芳香植物精油分析可以對學生先進行背景介紹，激發學生的學習興趣，再引出采用什么方法可以提取植物精油，采用哪個儀器可以進行分析，對實驗數據進行處理后可以得到什么結論等問題。另外，通過給學生布置食品中農藥殘留檢測的設計實驗，讓學生認識到每份樣品檢測數據的準確性，都關乎重大的食品安全問題和企業的發展，使學生懷著解決實際問題的責任心投入實驗，培養學生強烈的責任心和使命感。綜合設計實驗充分發揮了學生學習的主動性和創造性，提高學生的學習能力、知識掌握的水平及社會責任感。在實驗過程中讓學生獨立運用所學知識和實驗技術，自行設計實驗方案，獨立查閱文獻資料，包括樣品的提取方法、儀器分析的測試方法、實驗數據的分析方法等，提高學生學習實踐的積極性，然后寫出類似科技論文的綜合性實驗報告，從而使學生的知識和能力得到鞏固與提高。綜合設計實驗可以分成幾個任務，各任務之間既互相獨立又互為基礎，全面實現學生查閱文獻、歸納總結、實驗動手及儀器操作能力的提高與知識結構的改進，培養學生科學思維及發現問題、分析問題和解決問題的能力。

結合目前化學領域的發展現狀和趨勢，我們深刻認識到，作為自然科學研究領域中人們認識物質世界的重要手段之一，儀器分析的發展被寄予越來越大的期望，并提出越來越高的要求。儀器分析課程的多學科交叉性、復雜性和前沿性等特點，使得教師需要對《儀器分析》課程的教學不斷進行思考與探索，及時根據教學目的，通過實踐不斷改進教學方法和教學手段。通過夯實理論基礎、采用靈活的教學方法、提高實踐能力和開設綜合設計實驗等多種方式，充分調動學生學習的積極性和興趣，培養學生積極思考、主動學習的習慣和自學能力，全面提升儀器分析課程的教學效果和教學質量。