“現(xiàn)代儀器分析”教學(xué)創(chuàng)新體系在本科教學(xué)中的實(shí)踐

司曉晶，馮華峰，韓梅，宮霞

上海商學(xué)院（上海 200235）

“現(xiàn)代儀器分析”是培育新工科背景復(fù)合人才的重點(diǎn)課程，重點(diǎn)講述光譜、色譜、電化學(xué)分析法等多類(lèi)儀器分析，并包括儀器結(jié)構(gòu)、基本原理、分析方法技能及統(tǒng)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)，具有經(jīng)典的多學(xué)科知識(shí)交叉及跨學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域融合的特點(diǎn)，而且由于各類(lèi)先進(jìn)儀器設(shè)備科學(xué)技術(shù)發(fā)展，使該教材具有鮮明的先進(jìn)性和發(fā)展，但內(nèi)容仍亟待改進(jìn)。而在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，該教材中的課堂教學(xué)大多采用簡(jiǎn)單的上課講解教學(xué)形式[1]。但由于專(zhuān)業(yè)課內(nèi)容龐雜，且各儀器設(shè)備間聯(lián)絡(luò)不夠密切，所以教師常常需在限定的學(xué)時(shí)內(nèi)講授較多教學(xué)內(nèi)容，因而造成學(xué)習(xí)者被動(dòng)接受知識(shí)，學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)較重。加之傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)理論知識(shí)抽象，而儀器構(gòu)造繁雜，所以學(xué)習(xí)者常常對(duì)儀器構(gòu)造及基本原理缺少感性認(rèn)識(shí)，且了解不透徹，理論知識(shí)也不易內(nèi)化，因而造成其興趣和能動(dòng)性不強(qiáng)，而課堂教學(xué)也差強(qiáng)人意。在考核評(píng)價(jià)工作領(lǐng)域方面，由于傳統(tǒng)的教學(xué)模式一般以課堂教學(xué)作業(yè)檢查和試卷當(dāng)作重點(diǎn)考核手段，專(zhuān)注于結(jié)果性評(píng)價(jià)而忽略了過(guò)程性評(píng)價(jià)，因而無(wú)法全面客觀(guān)地反映學(xué)習(xí)者在整體學(xué)業(yè)活動(dòng)中的狀況[2]。

1 創(chuàng)新教學(xué)體系研究的意義

近年來(lái)，教育部要求全國(guó)高校深入開(kāi)展新工科建設(shè)，這是基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、立德樹(shù)人新要求而提出的工程教育改革方向。這就要求高校要培養(yǎng)符合新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的，工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力強(qiáng)，且具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才。但目前的“現(xiàn)代儀器分析”課程中存在一些問(wèn)題，傳統(tǒng)的教學(xué)方法限制了學(xué)習(xí)者的主體能力，無(wú)法充分調(diào)動(dòng)他們的自主學(xué)習(xí)積極作用與創(chuàng)新能力，難以達(dá)到新型工科人才綜合素養(yǎng)和學(xué)術(shù)水平的發(fā)展需要。所以，在新工科背景下，“現(xiàn)代儀器分析”的教學(xué)方法模式對(duì)培育多樣化、創(chuàng)新性并具備多專(zhuān)業(yè)學(xué)科交叉知識(shí)的應(yīng)用型工程人才有著重要意義。因此，在“現(xiàn)代儀器分析”的教學(xué)中創(chuàng)新教學(xué)體系的實(shí)踐，探討在有限的課時(shí)內(nèi)對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)評(píng)價(jià)等進(jìn)行優(yōu)化，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2 創(chuàng)新教學(xué)體系的實(shí)踐

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，建好SPOC

“現(xiàn)代儀器分析”學(xué)時(shí)為30學(xué)時(shí)，其中理論15學(xué)時(shí)、實(shí)踐15學(xué)時(shí)。教學(xué)內(nèi)容基本按照2個(gè)學(xué)時(shí)或4個(gè)學(xué)時(shí)為一個(gè)主題。根據(jù)我國(guó)食品安全分析行業(yè)中儀器的應(yīng)用普及情況，結(jié)合本學(xué)科學(xué)生課程體系的設(shè)計(jì)，把整個(gè)儀器分析課程分為電化學(xué)分析、光學(xué)分析和色譜分析3個(gè)模塊，數(shù)據(jù)處理和結(jié)果計(jì)算評(píng)價(jià)貫穿于每個(gè)模塊。由于現(xiàn)在食品安全檢測(cè)，樣品來(lái)源復(fù)雜，類(lèi)別繁多，有毒有害物質(zhì)含量較低且危害巨大，而每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目又包括多種需檢測(cè)組分，所以傳統(tǒng)的物理檢驗(yàn)和生化檢驗(yàn)在檢驗(yàn)類(lèi)別和準(zhǔn)確性上都沒(méi)法很好地適應(yīng)如今食品安全衛(wèi)生的要求。同時(shí)，越來(lái)越多的新技術(shù)涌現(xiàn)發(fā)展起來(lái)，如生物芯片檢測(cè)技術(shù)、高效毛細(xì)管電泳、電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)、同位素質(zhì)譜技術(shù)等，在食品安全檢測(cè)方面也有廣泛應(yīng)用，使得儀器分析的快速、靈敏、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)更加突出，而各種高新技術(shù)的結(jié)合與儀器聯(lián)用也使儀器分析的應(yīng)用范圍更為廣泛。先進(jìn)科學(xué)、自動(dòng)化、智能化的儀器分析方法的建立和應(yīng)用必將在食品安全檢測(cè)中發(fā)揮著不可替代的作用。所以，在教學(xué)內(nèi)容上對(duì)陳舊落后、難以反映學(xué)科領(lǐng)域最新研究成果和熱點(diǎn)問(wèn)題的內(nèi)容做出調(diào)整，都講授哪些內(nèi)容，對(duì)同一個(gè)內(nèi)容應(yīng)該講到多深，都結(jié)合行業(yè)、專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)增補(bǔ)哪些相關(guān)教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)，都按照儀器類(lèi)別精心組織，在不同的SPOC中實(shí)現(xiàn)這些訴求，以達(dá)到教學(xué)目的和任務(wù)。如：在電化學(xué)分析中，增加電化學(xué)生物傳感技術(shù)，結(jié)合納米材料的制備技術(shù)提高電化學(xué)生物傳感的靈敏度和應(yīng)用范圍；在光學(xué)分析中，增加碳量子點(diǎn)熒光納米探針技術(shù)，結(jié)合制備不同組成的碳量子點(diǎn)，提高熒光產(chǎn)率并摸索對(duì)該量子點(diǎn)有顯著猝滅作用的待測(cè)物質(zhì)，建立方法加以應(yīng)用；在色譜分析中，重點(diǎn)介紹色譜-質(zhì)譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)以處理生產(chǎn)實(shí)際中復(fù)雜樣品的同時(shí)定性定量多組分分析。

2.2 豐富實(shí)驗(yàn)手段，用好虛擬仿真

“現(xiàn)代儀器分析”實(shí)踐課程使用的儀器由于價(jià)格昂貴，很多高校的精密儀器大多用于教師的科研和學(xué)生的畢業(yè)論文，這些儀器在教學(xué)中無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足所有學(xué)生的使用，故采用虛擬仿真技術(shù)彌補(bǔ)該教學(xué)缺陷，但學(xué)生沒(méi)有親自動(dòng)手操作，學(xué)習(xí)效果不夠理想。因此在課程中，通過(guò)校園SPOC、慕課平臺(tái)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等線(xiàn)上資源平臺(tái)對(duì)線(xiàn)下課堂資源加以補(bǔ)充，并將教學(xué)中的課件、試題、教學(xué)錄像等資源直接發(fā)布于學(xué)校線(xiàn)上平臺(tái)[3]。同時(shí)設(shè)置小軟件，將線(xiàn)上資源推送到學(xué)生移動(dòng)端，學(xué)生既可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)課堂觀(guān)看教學(xué)視頻，也可以從教學(xué)資源中心下載課堂講義，也可在微信等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)帖向教師求助學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到困難，形成線(xiàn)下線(xiàn)上聯(lián)動(dòng)的教學(xué)模式，學(xué)生通過(guò)線(xiàn)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提前做好預(yù)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和儀器的基本操作，在實(shí)驗(yàn)室鼓勵(lì)學(xué)生親自動(dòng)手操作，課后通過(guò)線(xiàn)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)增加儀器操作的熟練度，由此實(shí)現(xiàn)學(xué)生和教師課前、課上、課后的良性互動(dòng)。實(shí)驗(yàn)課程中，針對(duì)某一種儀器不僅開(kāi)發(fā)一種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是線(xiàn)上虛擬仿真，有些在實(shí)驗(yàn)室親自實(shí)踐。對(duì)于學(xué)校沒(méi)有的儀器設(shè)備，可通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)或到合作企業(yè)，由企業(yè)帶教教師教學(xué)，真正做到將現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合。這些知識(shí)點(diǎn)通過(guò)線(xiàn)下和線(xiàn)上的融合，以及校內(nèi)和校外的合作，更能彰顯知識(shí)的先進(jìn)性、綜合性和跨學(xué)科的互補(bǔ)性，既大幅提高學(xué)校實(shí)驗(yàn)儀器的使用率，也開(kāi)闊學(xué)生的視野，使學(xué)生更進(jìn)一步加深對(duì)學(xué)科專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的理解和認(rèn)知，更有利于學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題技能的形成。

2.3 改進(jìn)教學(xué)方式，抓好翻轉(zhuǎn)課堂

對(duì)于學(xué)生科研意識(shí)和創(chuàng)新能力的培育，顯然不是靠填鴨式的灌輸，而應(yīng)該基于課堂教學(xué)，以學(xué)生為主體，開(kāi)展互動(dòng)式、開(kāi)放式、探究性、研究性的多樣教學(xué)模式，以培養(yǎng)他們由簡(jiǎn)單問(wèn)題向復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題遞進(jìn)的抽象思維意識(shí)。課程通過(guò)課堂講授、討論、實(shí)驗(yàn)、線(xiàn)上SPOC自學(xué)等，通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)向式教學(xué)、項(xiàng)目導(dǎo)向式教學(xué)、結(jié)果導(dǎo)向式教學(xué)、文獻(xiàn)探究式教學(xué)等，不斷探索改進(jìn)教學(xué)方法，提升課程的高階性和挑戰(zhàn)度[4]。如在熒光分光光度法教學(xué)中，通常教師只會(huì)介紹直接測(cè)定法，即具有苯環(huán)剛性平面結(jié)構(gòu)的物質(zhì)可發(fā)射熒光，可用熒光分光光度法進(jìn)行測(cè)定，但是，不能發(fā)射熒光的物質(zhì)如果要使用這種分析方法那該怎么測(cè)定呢？通過(guò)拋出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考，發(fā)散思維，向?qū)W生介紹間接測(cè)定法，介紹科研新方向——具有高熒光產(chǎn)率的碳量子點(diǎn)和熒光猝滅劑的研究進(jìn)展，此時(shí)學(xué)生的興趣就被調(diào)動(dòng)起來(lái)，鼓勵(lì)參與教師課題的學(xué)生在班級(jí)進(jìn)行科研分享，讓學(xué)生做主角，通過(guò)課堂的翻轉(zhuǎn)，讓學(xué)生意識(shí)到原來(lái)自己也是有可能完成科研項(xiàng)目的，繼而引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)制備方案，查閱文獻(xiàn)查找哪些食品污染物可對(duì)該碳量子點(diǎn)有猝滅作用的并通過(guò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目探索實(shí)踐，通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行知識(shí)分享和探討，有助于提升學(xué)生的參與度與行動(dòng)力。讓每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)作為課堂的主角，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，通過(guò)對(duì)成果的分享與報(bào)告，強(qiáng)化他們對(duì)學(xué)習(xí)成果的反饋，以確?！胺D(zhuǎn)”后的教學(xué)不流于形式、不走樣，真正收到實(shí)效[4]?，F(xiàn)有儀器分析教材中無(wú)法提供與科研內(nèi)容的融合，所有這些教學(xué)方式的融合，都有助于學(xué)生在通過(guò)掌握某一知識(shí)領(lǐng)域的研究進(jìn)展而學(xué)到新知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)一步提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，對(duì)推動(dòng)學(xué)生知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)的達(dá)成，以及對(duì)其科研工作興趣的培養(yǎng)和科學(xué)能力的養(yǎng)成都大有助益。

2.4 開(kāi)展創(chuàng)新活動(dòng)，科研成果導(dǎo)向

創(chuàng)新精神是國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和行業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿υ慈栽诮虒W(xué)中突出培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的能力尤為重要[5]。為切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，在開(kāi)展教學(xué)中，推出開(kāi)放式、互動(dòng)式教學(xué)方法，開(kāi)展創(chuàng)新性、高階性的科研活動(dòng)，包括吸納學(xué)生做科研小助手，組織學(xué)生組成科研創(chuàng)新小組，或者舉辦實(shí)驗(yàn)技能大賽，申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練課題和挑戰(zhàn)杯，自主設(shè)計(jì)畢業(yè)課題等有挑戰(zhàn)度的活動(dòng)。在每一種儀器的基本原理和分析方法學(xué)習(xí)后，組織學(xué)生4人或6人1組成立1個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，共同查閱文獻(xiàn)，并討論分析這些儀器和方法在食品安全檢測(cè)方面的實(shí)際應(yīng)用情況，在討論之后，小組自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證，最終形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出評(píng)估和過(guò)程指導(dǎo)，剖析失敗原因，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的最有效方式，如：指導(dǎo)的學(xué)生建立褪黑素的電化學(xué)生物傳感方法，成功申報(bào)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目；學(xué)生建立紅景天飲片中紅景天苷的電化學(xué)和高效液相色譜兩種分析方法，并進(jìn)行有效的方法比較；學(xué)生建立的功能碳量子點(diǎn)并成功應(yīng)用于食品和醫(yī)藥分子檢測(cè)，不僅申請(qǐng)專(zhuān)利還發(fā)表論文4篇。通過(guò)這些活動(dòng)的開(kāi)展，學(xué)生從獨(dú)立探索到小組寫(xiě)作，再到展示和評(píng)價(jià)，是一個(gè)自下而上的學(xué)習(xí)過(guò)程，將課堂所學(xué)內(nèi)化為自身綜合實(shí)力，有利于學(xué)生的職業(yè)發(fā)展和國(guó)家食品安全檢測(cè)專(zhuān)門(mén)人才的培養(yǎng)，這也是高階性的體現(xiàn)。因此，在“現(xiàn)代儀器分析”課程中培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和加強(qiáng)創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)“兩性一度”的教學(xué)目標(biāo)，并為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作積累的科研能力[6]。

2.5 課程思政融入，全程立德樹(shù)人

在教學(xué)過(guò)程中踐行立德樹(shù)人，融合思政教育，以典型食品安全社會(huì)事件為引領(lǐng)，培養(yǎng)具備愛(ài)國(guó)主義情懷、工匠精神、環(huán)境安全意識(shí)、社會(huì)主義核心價(jià)值觀(guān)和開(kāi)拓創(chuàng)新能力的高層次人才[7]。在我國(guó)食品工業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，食品安全事件時(shí)有發(fā)生，引入三聚氰胺、香蘭素等食品安全事件，引導(dǎo)學(xué)生知道三聚氰胺是一種三嗪類(lèi)含氮雜環(huán)有機(jī)化合物，被廣泛用作化工原料，不能用于食品加工或食品添加物；香蘭素雖是國(guó)家允許使用的食品添加劑，但嬰幼兒一段奶粉中是絕對(duì)不能被檢出的。這些事件讓學(xué)生了解到食品安全監(jiān)督管理在日常生產(chǎn)中的重要意義，有了先進(jìn)精密的儀器分析手段可以讓非法分子望而生畏，不敢隨意添加有毒有害物質(zhì)。作為一個(gè)食品專(zhuān)業(yè)人員，應(yīng)該要有誠(chéng)信、有道德，早早樹(shù)立良好的職業(yè)素養(yǎng)和公民責(zé)任意識(shí)，為國(guó)家的食品安全事業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量。正是有了不斷創(chuàng)新的先進(jìn)儀器分析手段，食品才會(huì)越來(lái)越安全，生活才會(huì)越來(lái)越美好。在實(shí)驗(yàn)課程中，往往一些有機(jī)試劑會(huì)具有一定毒性，如液相色譜的流動(dòng)相乙腈、甲醇等試劑，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不僅培養(yǎng)學(xué)生的科研精神，還可將遵紀(jì)守法、愛(ài)護(hù)環(huán)境、熱愛(ài)勞動(dòng)等思政元素融入課程，起到育人的作用。通過(guò)對(duì)這些典型案例的深入探討，既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又使其了解科學(xué)前沿，從而激發(fā)學(xué)生的開(kāi)拓創(chuàng)新精神和堅(jiān)持不懈的科學(xué)素養(yǎng)，讓課程思政也變成培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、奠定創(chuàng)新能力底蘊(yùn)、錘煉創(chuàng)新能力品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，以利于創(chuàng)新型人才的成長(zhǎng)，同時(shí)也在學(xué)生思想中植入學(xué)術(shù)道德的種子。

2.6 改進(jìn)評(píng)價(jià)方式，重視學(xué)生互評(píng)

為了更好地監(jiān)督課堂效果，改進(jìn)“現(xiàn)代儀器分析”考核方式，從傳統(tǒng)的單一結(jié)果評(píng)價(jià)方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑S的過(guò)程評(píng)價(jià)方式。線(xiàn)上豐富的資源和信息化構(gòu)建，貼近現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，教師考核也不再局限于傳統(tǒng)的做題，根據(jù)線(xiàn)上練習(xí)的完成度，系統(tǒng)給予學(xué)生即時(shí)評(píng)估。通過(guò)現(xiàn)代儀器分析技術(shù)發(fā)展的跟蹤追蹤和口頭報(bào)告，以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果匯報(bào)等，逐步引入學(xué)生之間實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，學(xué)生的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和互評(píng)是對(duì)已學(xué)習(xí)知識(shí)的深度思考，同時(shí)也對(duì)成功匯報(bào)展示結(jié)果的具體表現(xiàn)做出評(píng)估。在這一環(huán)節(jié)，學(xué)生是評(píng)價(jià)的主體，教師對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題和教學(xué)過(guò)程給予指導(dǎo)和幫助。而學(xué)生成為教學(xué)評(píng)價(jià)的主體后，能夠自主和主動(dòng)地從教學(xué)評(píng)價(jià)中習(xí)得知識(shí)、方法和情感，進(jìn)而使他們的認(rèn)識(shí)能力方面、知識(shí)和技能方面、態(tài)度和情感方面都得到提高和成長(zhǎng)[8]。通過(guò)提高平時(shí)的考核頻率，以提高學(xué)生課堂上互動(dòng)的參與性，并采用統(tǒng)一平臺(tái)評(píng)價(jià)、教師評(píng)分及學(xué)生互評(píng)，以形成一個(gè)多維度的考核評(píng)估系統(tǒng)，重視學(xué)生互評(píng)，以全面客觀(guān)地反映學(xué)生在整個(gè)課堂過(guò)程中的狀態(tài)。通過(guò)這種改革可以鼓勵(lì)學(xué)習(xí)積極參與課堂，進(jìn)而發(fā)揮優(yōu)化課堂的效果，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和信心，減少期末的考試壓力，對(duì)于綜合考核評(píng)價(jià)也起到積極作用。

3 結(jié)語(yǔ)

在新工科背景下，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革面臨著新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)，以及服務(wù)“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等國(guó)家政策措施引領(lǐng)，我國(guó)工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系等必須在高等教育中探索和深化。通過(guò)創(chuàng)新的工科教育理念及現(xiàn)代信息技術(shù)促進(jìn)“現(xiàn)代儀器分析”的教學(xué)改革，總體實(shí)現(xiàn)提高教學(xué)效果和培養(yǎng)質(zhì)量的目的，推動(dòng)食品行業(yè)現(xiàn)代儀器分析人才培養(yǎng)從初階的知識(shí)收獲向高階的能力發(fā)展和素質(zhì)養(yǎng)成轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生具有多元化、創(chuàng)新型并具備多學(xué)科交叉知識(shí)的應(yīng)用型工程人才。