地方新升本科院校儀器分析實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)現(xiàn)狀和改革*

廖 輝，劉 林，戴先芝，任朝琴

(阿壩師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，四川 阿壩州 623002)

儀器分析實(shí)驗(yàn)課程是高校理工科化學(xué)專業(yè)所必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是在無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用學(xué)科知識進(jìn)行儀器分析方法研究和操作技能訓(xùn)練的課程。實(shí)際上農(nóng)林、輕工、醫(yī)藥、生物、資源與環(huán)境、食品等相關(guān)專業(yè)均會開此課程，它是研究的是物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)的一門“工具”。授課對象一般是大三學(xué)生，所涉及專業(yè)有化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、食品、地理等。課程的開設(shè)目的主要是：一、使學(xué)生基本掌握目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的儀器分析的基本原理和方法；二、通過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生能正確使用常用分析儀器，科學(xué)地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生初步的分析問題和解決問題的能力；三、培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)對于化學(xué)和非化學(xué)專業(yè)的高校本科學(xué)生來說都是比較困難的。面對目前新升本科涉及培養(yǎng)方案和教學(xué)目標(biāo)的轉(zhuǎn)變，特別是教學(xué)改革的當(dāng)下，更具挑戰(zhàn)。在這樣的形式和我國教育變革時(shí)期，各高校都積極探索解決方案[1-15]，我校也在努力探索適合自己的教學(xué)改革之路。文章介紹了當(dāng)下高校學(xué)生學(xué)習(xí)儀器分析實(shí)驗(yàn)課程面臨的情況，后結(jié)合阿壩師范學(xué)院實(shí)際分析部分高校關(guān)于這門課程的教學(xué)改進(jìn)方向。

1 學(xué)習(xí)儀器分析實(shí)驗(yàn)所面臨的問題

1.1 學(xué)習(xí)儀器分析實(shí)驗(yàn)的主觀問題

課程面向的是大三年級的學(xué)生，大三同學(xué)對無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等學(xué)科知識的掌握參差不齊儀器分析實(shí)驗(yàn)。儀器分析實(shí)驗(yàn)與其他分析實(shí)驗(yàn)，如無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)等還有一點(diǎn)不同的是，要求對計(jì)算機(jī)知識也要有一定的掌握。學(xué)生對理論知識的儲備是不夠的充分和完整的，這是化學(xué)專業(yè)和非化學(xué)專業(yè)都有的現(xiàn)象。阿壩師范學(xué)院在民族自治地區(qū)，來自貧困山區(qū)或民族自治區(qū)的同學(xué)較其他高校所占比例高，多數(shù)同學(xué)不會熟練使用計(jì)算機(jī)。學(xué)生僅會一些簡單的實(shí)驗(yàn)操作，動手能力比較差。從無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)分析實(shí)驗(yàn)突然轉(zhuǎn)變到儀器分析實(shí)驗(yàn)，絕大多數(shù)同學(xué)都是陌生的，心理上的狀態(tài)就像從高中突然跨到大學(xué)。同時(shí)，儀器分析理論課如果沒有學(xué)懂，對實(shí)驗(yàn)課程就難以引起興趣。有的同學(xué)甚至認(rèn)為自己是師范學(xué)校的學(xué)生，這并不是教學(xué)專業(yè)課，不能引起重視。有部分同學(xué)認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課程太難，不愿意動手。除了這些主觀原因，客觀上的問題也不可忽視。

1.2 學(xué)習(xí)儀器分析實(shí)驗(yàn)的客觀問題

本身學(xué)科原理抽象難懂，實(shí)驗(yàn)儀器更新?lián)Q代快速，實(shí)驗(yàn)技術(shù)革新快，學(xué)生學(xué)習(xí)困難客觀情況是：當(dāng)下我校屬于新升本師范學(xué)校，化學(xué)專業(yè)2021年有第一批本科生。按《化學(xué)類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》，人才培養(yǎng)方案確定儀器分析理論課程有4學(xué)分，對儀器分析實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置有1學(xué)分，加之儀器分析課程的知識體系，課程的內(nèi)容前后銜接、層層遞進(jìn)。但儀器分析實(shí)驗(yàn)課程不同，各儀器之間功能特性差異很大，理論基礎(chǔ)也不同，知識結(jié)構(gòu)呈多維性，很難在同一種教學(xué)模式下記憶練習(xí)，有限的課時(shí)完成既定的任務(wù)非常困難。目前大部分高校都存在，由于學(xué)生基數(shù)大、教師人才隊(duì)伍缺乏以致實(shí)驗(yàn)室條件容納學(xué)習(xí)人數(shù)少，基本儀器設(shè)施不夠，缺乏熟練的實(shí)驗(yàn)工作人員等原因，學(xué)生不能實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的現(xiàn)象。難以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中人手一套儀器操作的目標(biāo)[1-15]。目前，我校儀器分析實(shí)驗(yàn)需要學(xué)習(xí)紫外-可見分光光度計(jì)、紅外吸收光譜法、原子吸收光譜法、液相色譜法、氣相色譜法的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但只有紫外-可見分光光度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)每人都動手操作。相對于百人左右的專業(yè)，其他儀器是無法滿足每個(gè)人都操作，而且有的實(shí)驗(yàn)一個(gè)項(xiàng)目從樣品前處理制備到測試結(jié)束需要8 h以上。若5人一組，以20組算，一次實(shí)驗(yàn)課時(shí)4～8 h，課內(nèi)學(xué)生完不成實(shí)驗(yàn)。所以老師只能演示介紹這些儀器方法。高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)“做不到”“做不了”“做不上”的老大難問題，我們也是存在。一些高校不得不將實(shí)驗(yàn)主要考核力度偏向于理論教學(xué)。陸游曾說“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，這樣學(xué)生“走馬觀花”，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)儀器的外形、結(jié)構(gòu)沒有感性認(rèn)識，實(shí)驗(yàn)儀器的操作步驟和注意事項(xiàng)沒有切身認(rèn)知。不能達(dá)成教學(xué)目的，教學(xué)效果也不良好。而最終的實(shí)驗(yàn)考核成績沒有區(qū)分度。如果實(shí)驗(yàn)報(bào)告或理論考查作為期末成績，這樣沒有動手完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也能寫出的實(shí)驗(yàn)報(bào)告或答卷，這時(shí)教師的成績評定考核結(jié)果已經(jīng)偏離了課程最初的教學(xué)目的。教師對考核后的成績分析，也就不能得出正確結(jié)論。儀器分析實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容豐富，層次多，使得最終的課程成績很難被評定，部分高校采取了“實(shí)驗(yàn)理論+實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的模式進(jìn)行考核，或者“平時(shí)表現(xiàn)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告”。這樣的考核制度也不能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，甚至影響學(xué)生后續(xù)的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)，認(rèn)為背背書或者報(bào)告寫漂亮就能拿好成績，帶給學(xué)生此課程學(xué)習(xí)的負(fù)面導(dǎo)向。隨著教改政策推行，各高校積極地從以下幾個(gè)方面做出改進(jìn)，努力尋求解決方案。

2 儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)策略

2.1 做好學(xué)情分析，調(diào)動學(xué)生興趣

通過以上分析我們知道，要想教學(xué)效果好，首先要體現(xiàn)教學(xué)中學(xué)生的主體地位。什么意思呢？換句話講就是要想辦法激發(fā)調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。根據(jù)不同專業(yè)的具體情況，可以調(diào)節(jié)自己的授課導(dǎo)入內(nèi)容和形式。了解學(xué)生感興趣的地方，提前以提問方式，或布置項(xiàng)目任務(wù)的形式，以問代講，引導(dǎo)學(xué)生主動預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提前學(xué)習(xí)儲備自己在實(shí)驗(yàn)課上用到的理論知識。授課教師需要有充足的準(zhǔn)備，對學(xué)生知己知彼。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教案時(shí)充分了解授課對象特點(diǎn)，制定策略。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的適用性、適宜性及層次性

在有限的課時(shí)內(nèi)，掌握基本的儀器使用操作技能，同時(shí)還需要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，這就要求教師對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，同類型的實(shí)驗(yàn)不重復(fù)，對不同的分析儀器采用不同教學(xué)形式，教學(xué)改革的目標(biāo)就在于為學(xué)生提供更貼近實(shí)際需求的特質(zhì)化的教學(xué)內(nèi)容和效率更高的教學(xué)模式。根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)和實(shí)際需求設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如學(xué)習(xí)原子吸收法生物專業(yè)的同學(xué)可以選擇測定土壤中重金屬，食品專業(yè)的同學(xué)選擇測蔬菜瓜果中重金屬，化學(xué)專業(yè)的同學(xué)可以選擇測藥品中重金屬。

2.3 利用現(xiàn)代化教學(xué)方法采用多種教學(xué)方式

采用線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式。比如，北京師范大學(xué)自主研發(fā)移動學(xué)習(xí)APP， 先通過線上看視屏學(xué)習(xí)理論和操作演示，線下練習(xí)[8]。新疆大學(xué)研究生的課程以課題需求為導(dǎo)向的課程教學(xué)，學(xué)生根據(jù)自身課題需求選修，選修項(xiàng)目為4～ 6項(xiàng)[7]。但我校本科生目前很少有自己的項(xiàng)目，還在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段。南開大學(xué)通過在線課程拓展實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的時(shí)空域，采取2個(gè)辦法：(1)線上視頻直播授課。(2)錄制教學(xué)視頻。錄制的教學(xué)視頻放在學(xué)校的網(wǎng)站和公共慕課平臺上，以便學(xué)生隨時(shí)觀看學(xué)習(xí)[6]。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)線上教學(xué)部分有四個(gè)班級同時(shí)開設(shè)實(shí)驗(yàn)，每周完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，即由一名教師分別對每個(gè)班級開設(shè)直播課堂，采取小班教學(xué)、互動課堂的方式。后期學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室補(bǔ)做了真實(shí)實(shí)驗(yàn)。由于課時(shí)的限制，課程組采取每個(gè)下午開設(shè)兩組實(shí)驗(yàn)課，要求所有學(xué)生實(shí)驗(yàn)，以小循環(huán)的方式開展實(shí)驗(yàn)[14]。總結(jié)各高校主要改革采取模式：直播課或MOOC+自測+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告→進(jìn)入真實(shí)實(shí)驗(yàn)，受儀器數(shù)量限制部分高校不能開展這一步+實(shí)驗(yàn)報(bào)告。結(jié)合我校目前實(shí)驗(yàn)硬件限制主要采用直播課或MOOC+自測+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告模式。課前先在學(xué)習(xí)通上對本次實(shí)驗(yàn)主要知識點(diǎn)和關(guān)鍵步驟發(fā)起提問，學(xué)生先帶著問題線上自學(xué)，自學(xué)完后進(jìn)行自測，這些都需要課外完成。教學(xué)視頻上線延伸了學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)域。學(xué)生可以自主安排自己的學(xué)習(xí)時(shí)間。學(xué)生可以通過視頻學(xué)習(xí)，可以初步了解儀器構(gòu)造和實(shí)驗(yàn)操作。然后進(jìn)行虛擬仿真練習(xí)，自學(xué)和練習(xí)過程以小組形式討論，老師可以線上答疑。教學(xué)時(shí)間上，除了課表上安排的教學(xué)時(shí)間外，可以學(xué)習(xí)南開大學(xué)策略設(shè)置了一個(gè)開放期，比如在一個(gè)規(guī)定的學(xué)期內(nèi)，學(xué)生可以預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，完成選定的實(shí)驗(yàn)。在學(xué)習(xí)分組的方面，學(xué)生可根據(jù)自身需求的一致性，自由組合[6]。總之，依據(jù)學(xué)科前沿動態(tài)與社會發(fā)展需求動態(tài)更新教學(xué)方式，比如學(xué)習(xí)使用紫外-可見分光光度計(jì)用案例法教學(xué)，可以MOOC+自測+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告→進(jìn)入真實(shí)實(shí)驗(yàn)+報(bào)告來上課，學(xué)習(xí)原子吸收光譜儀可以項(xiàng)目化教學(xué)法或信息化教學(xué)法，可以MOOC+自測+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告。信息化教學(xué)法也有多種形式，比如慕課視頻、直接錄播教學(xué)視頻、采用虛擬仿真軟件教學(xué)等。去更好契合課程目標(biāo)。

2.4 做好課程考核和教學(xué)反思

完善原有評價(jià)方案，從多方面對學(xué)生進(jìn)行綜合評價(jià)。對于學(xué)生而言，除實(shí)驗(yàn)課以外，也要花大量的時(shí)間完成各種測試、視頻的學(xué)習(xí)，以及虛擬實(shí)驗(yàn)、調(diào)研、討論等工作。對于實(shí)驗(yàn)的流程、思路和方法修正都有非常清晰的認(rèn)識。這些過程也可以作為課程成績的考核指標(biāo)，我校儀器分析實(shí)驗(yàn)課程通過學(xué)習(xí)通提前發(fā)布學(xué)習(xí)視頻和資料，并在上面提出問題和討論組，問題發(fā)布有個(gè)人回答部分，也有小組討論話題，并且可以評分；在自測題環(huán)節(jié)評分，虛擬仿真練習(xí)環(huán)節(jié)系統(tǒng)評分，最后實(shí)驗(yàn)報(bào)告，和實(shí)操練習(xí)環(huán)節(jié)教師都會評分。如此，每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)過程細(xì)節(jié)老師都能直觀跟進(jìn)了解和給與評分，考核相對比較到位，也能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。這樣極大地豐富了教學(xué)資源，包括各種圖片、視頻、動畫、微課、虛擬資源等等。在此背景下，作者認(rèn)為教學(xué)不僅僅限于訓(xùn)練學(xué)生操作儀器的技能，而是更進(jìn)一步引導(dǎo)，培養(yǎng)他們解決問題的思路，教學(xué)過程中循循善誘，通過設(shè)置系列問題，比如每個(gè)實(shí)驗(yàn)都需回答“為什么要這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”？“這樣設(shè)計(jì)有什么好處”？ “如果結(jié)果不理想怎么辦”？讓學(xué)生學(xué)會思考，養(yǎng)成科學(xué)思維。課程總結(jié)和反思是教師逐步改進(jìn)和自我經(jīng)驗(yàn)總結(jié)必不可少的工作。

2.5 有效管理和開放共享

良好的實(shí)驗(yàn)管理和實(shí)驗(yàn)人員是上好實(shí)驗(yàn)課程有力保障。存在儀器一旦需要維修需要聯(lián)系設(shè)備管理處，但是層層程序下來，維修周期很長。張貼醒目的注意事項(xiàng)，羅列學(xué)生常見的使用問題，避免一些不必要的錯(cuò)誤而影響正常使用。注重大型儀器的日常維護(hù)，降低儀器損壞頻率。節(jié)假日及寒暑假前后，對儀器進(jìn)行檢查保養(yǎng)。加強(qiáng)儀器管理人員隊(duì)伍建設(shè)。定期邀請儀器公司的人來為實(shí)驗(yàn)平臺人員做儀器使用、維護(hù)方面的培訓(xùn)，鼓勵實(shí)驗(yàn)平臺人員積極參加學(xué)術(shù)會議、儀器培訓(xùn)會等相關(guān)的技術(shù)交流活動。實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員或授課老師沒有太多機(jī)會去參加儀器培訓(xùn)，眼界不夠開闊，在長期的儀器管理中就會和其他優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)平臺差距拉大。相關(guān)人員多去兄弟院校或優(yōu)秀的分析測試平臺去取經(jīng)學(xué)習(xí)，儀器更新?lián)Q代比較快，只有老師滿桶水才能游刃有余的去澆灌給學(xué)生。老師要不斷拓展自身知識和能力邊界，老師是天空，學(xué)生才能成為雄鷹。

3 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革迫切需要數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)資源作補(bǔ)充，迫切需要“以虛補(bǔ)實(shí)”推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。我校資源與環(huán)境學(xué)院分別由化學(xué)、生物科學(xué)和地理科學(xué)3個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的本科專業(yè)組建而成，實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐貫穿整個(gè)教學(xué)過程。隨著學(xué)生規(guī)模的日益擴(kuò)大，迫切需要“以虛補(bǔ)實(shí)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式來推進(jìn)教學(xué)改革和創(chuàng)新。學(xué)院已廣泛開展了MOOC教學(xué)、學(xué)習(xí)通、融智云考平臺虛擬仿真結(jié)合，線上線下相融合對儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。當(dāng)然，也有亟待解決的問題：理工類專業(yè)人才培養(yǎng)離不開實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是離不了動手實(shí)驗(yàn)操作的體驗(yàn)感。虛擬仿真教學(xué)的應(yīng)用雖解決了上述的諸多問題，但在學(xué)生實(shí)際操作能力的扎實(shí)培養(yǎng)方面仍很難實(shí)現(xiàn)，，缺乏生動性。特別是難以實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景中的手、眼、腦協(xié)同，因此必須堅(jiān)持能實(shí)不虛，加強(qiáng)虛實(shí)結(jié)合環(huán)節(jié)。對實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的評價(jià)任然不完美。受制于成本的因素，項(xiàng)目的仿真度達(dá)成和質(zhì)量控制也將受到影響。但還是應(yīng)加強(qiáng)虛擬仿真一流課程建設(shè)和開放共享來順應(yīng)實(shí)際需求。