關(guān)于獨立學(xué)院儀器分析實驗課程的設(shè)計與研究

黃嘉馳

獨立學(xué)院雖然在中國起步較晚,但是已成為高等教育的重要組成部分。[1]面對競爭,獨立學(xué)院必須以精品課程和優(yōu)異的教育質(zhì)量謀求發(fā)展?！百F精不貴多”是獨立學(xué)院教學(xué)的特點,因此每個獨立學(xué)院的精品課程和優(yōu)勢專業(yè)都有很大差異。儀器分析實驗這門課程是化學(xué)類相關(guān)專業(yè)的實驗課程體系的重要組成部分,怎樣合理設(shè)計實驗內(nèi)容、妥善安排實驗進程以達到最好的教學(xué)效果,這是值得我們深入研究和討論的。

儀器分析是分析化學(xué)的重要組成部分,隨著近代儀器分析技術(shù)的迅速發(fā)展,它在農(nóng)、林、水科學(xué)中的應(yīng)用與日俱增,是科學(xué)研究不可缺少的重要檢測手段。儀器分析是化學(xué)類相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,是一門理論與實踐密切結(jié)合的課程,儀器分析實驗是學(xué)生驗證分析理論、掌握儀器分析應(yīng)用的重要途徑。教育部《關(guān)于加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》的文件(即4號文件)明確指出了“高等學(xué)校要重視本科教學(xué)的實驗環(huán)節(jié)”,同時,根據(jù)獨立學(xué)院培養(yǎng)實用型人才的宗旨,培養(yǎng)和提高學(xué)生的實際動手能力成為實踐教學(xué)工作中的重要環(huán)節(jié)。

在儀器分析實驗教學(xué)過程中,我們越來越發(fā)現(xiàn)實驗內(nèi)容的設(shè)計極為重要。一方面要達到設(shè)定的教學(xué)目的,使學(xué)生對儀器分析的原理和操作有深刻的認(rèn)識;另一方面要適應(yīng)各學(xué)院現(xiàn)有的儀器設(shè)備硬件條件,并且能調(diào)動學(xué)生的興趣和實驗積極性。因此,有必要根據(jù)學(xué)校的基本情況對實驗內(nèi)容的選擇和設(shè)計進行深入地研究。

一、現(xiàn)狀分析

儀器分析實驗課程不僅涉及到相關(guān)儀器的原理和操作,還涉及有機和無機化學(xué)的基礎(chǔ)知識以及實驗室的配置,要最大程度地與儀器分析理論課配合。目前獨立學(xué)院的儀器分析實驗課主要以驗證性實驗為主,學(xué)生做實驗完全按教材或教師演示進行操作,造成對實驗方案的設(shè)計理解不深,對實驗原理理解不夠、對實驗內(nèi)容印象不深刻,積極性不高。就已經(jīng)開展的教學(xué)工作來看,儀器分析實驗主要存在以下四個方面的問題。

1.學(xué)生動手能力較差,實驗積極性不高。應(yīng)用化學(xué)、高分子材料與工程、環(huán)境科學(xué)等開設(shè)儀器分析實驗課程的專業(yè)中,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過有機化學(xué)和無機及分析化學(xué)等課程,儀器分析理論課與實驗課通常安排在同一學(xué)期學(xué)習(xí),這樣的安排是符合循序漸進的教學(xué)規(guī)律的,但是在具體教學(xué)過程中,我們發(fā)現(xiàn)以下問題:第一,學(xué)生對以往所學(xué)的知識遺忘較嚴(yán)重,理解不深刻。儀器分析涉及部分有機化學(xué)和無機化學(xué)的基本知識,如果缺乏這些知識將會造成對儀器分析的原理理解不深刻。第二,缺乏基本的安全防護知識。學(xué)生的實驗安全基本常識匱乏,造成師生人身安全及實驗室安全隱患。第三,缺乏對與實驗儀器相關(guān)聯(lián)的設(shè)備的了解。例如計算機和電機等,動手能力參差不齊。

學(xué)生是教學(xué)中最主要的部分,學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性高低在很大程度上決定了教學(xué)結(jié)果的成敗,以上這些因素導(dǎo)致了學(xué)生參與實驗的積極性不高,機械地模仿老師的操作,教學(xué)效果不佳。

2.教學(xué)資源有限。儀器分析使用的大多屬于大型精密儀器,操作復(fù)雜且價格昂貴,這就決定了學(xué)校購買的數(shù)量有限。例如紅外光譜、原子吸收光譜、氣相色譜和高效液相色譜等儀器,一般獨立學(xué)院的實驗中心都只有一臺,教學(xué)時學(xué)生只能分批分組輪流操作。

對于獨立學(xué)院這種新發(fā)展起來的教學(xué)載體,很多硬件設(shè)備都處在逐步完善的過程中,實驗室面積和儀器種類、數(shù)量有限,這會影響每個學(xué)生獨立操作試驗的時間和空間,影響教學(xué)質(zhì)量。

3.教材針對性差,有使用的局限性。儀器分析和其他普通化學(xué)實驗不同,儀器型號多樣且更新?lián)Q代較快,很難有可供不同學(xué)校共同采用的教材。市面上現(xiàn)成的課本是編寫者根據(jù)自身環(huán)境編寫,有其局限性,在實驗儀器選擇上,不能涵蓋現(xiàn)有儀器,或者書中所列的實驗儀器與各學(xué)院采用的不同,可能會導(dǎo)致誤操作;有些實驗的課時安排不符合各學(xué)院的教學(xué)要求;還有一些教材安排的實驗多為驗證性試驗,由于這類實驗的結(jié)果已為學(xué)生所知,往往不能引發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲,使課堂氣氛不夠活躍。

為了解決上述問題,各獨立學(xué)院通常采取的方法是從不同教材上選取與該院儀器相關(guān)的部分,印制零散的講義分發(fā)給學(xué)生,內(nèi)容與實際操作不完全配套,而且不能形成完整的體系,不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。

4.教學(xué)效果不佳。儀器分析實驗安排通常是以專業(yè)班級為單位,這樣的安排對理論知識的教學(xué)來說,師資是較為合理的,但是在進行儀器分析實驗教學(xué)時,往往顯得不夠。

例如,在電化學(xué)分析實驗中,二十多組學(xué)生同時開展實驗,教師一方面必須保證學(xué)生安全,時刻關(guān)注整個實驗室情況,另一方面要指導(dǎo)各組學(xué)生進行實驗,對教師而言是嚴(yán)峻的考驗。實驗室設(shè)備多面積大,使一些學(xué)生得不到教師的充分指導(dǎo)。而在原子吸收光譜等實驗中,一臺儀器二十多組學(xué)生輪流操作,參與實驗的學(xué)生多,每人分配在實驗操作上的時間就較少,有些實驗只有一次動手機會,學(xué)生掌握實驗技巧的時間不充分。

二、改進的方法

針對以上所列舉的問題和困難,結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗,我們從以下四個方面來改進和優(yōu)化儀器分析實驗課的教學(xué):

1.調(diào)整內(nèi)容,提高學(xué)生的積極性。根據(jù)各學(xué)院的硬件設(shè)施,編寫合適的儀器分析實驗講義。多采用探索性試驗,盡量避免驗證性試驗,實驗結(jié)果的不確定性會增加學(xué)生對實驗過程的興趣。實驗內(nèi)容的選取貼近生活,如牙膏中氟離子濃度的測定、“雪碧”中苯甲酸的測定、飲料中咖啡因的測定等,引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到生活和實踐中去,培養(yǎng)成就感。

以氣相色譜為例,該實驗是科研、生產(chǎn)、檢驗等領(lǐng)域常用的儀器分析方法,實驗內(nèi)容貼近生產(chǎn)實際情況,要求學(xué)生掌握色譜圖的分析方法,并根據(jù)實際情況調(diào)整試驗參數(shù)的設(shè)置,條件允許的話從色譜柱的填充這一基本步驟開始。每位同學(xué)必須自己動手操作,而不是像以前一樣僅僅觀看教師演示。

2.增加設(shè)計性實驗,提高實踐能力。在實驗內(nèi)容上,除了常規(guī)的儀器分析實驗,還安排兩到三次設(shè)計性實驗。教育部高教司的關(guān)于《普通高等學(xué)校本科教學(xué)工作水平評估方案》(試行)對設(shè)計性實驗有明確的定義:設(shè)計性實驗是指給定實驗?zāi)康囊蠛蛯嶒灄l件,由學(xué)生自行設(shè)計實驗方案并加以完成的實驗。賈素云等人認(rèn)為在設(shè)計性實驗中,教師給出的“實驗?zāi)康呐c要求”要符合學(xué)科的培養(yǎng)目標(biāo),實驗室提供必需的儀器與藥品,由學(xué)生自擬實驗方案并獨立自主完成實驗的全過程。

在設(shè)計性實驗的講義里,只提出了實驗?zāi)康呐c要求,其他步驟都要求學(xué)生根據(jù)掌握的知識進行設(shè)計,對學(xué)生運用知識解決實際問題的能力有較高的要求?？稍O(shè)計提示性的問題幫助學(xué)生理清思路,然后由學(xué)生獨立完成實驗全過程。教師可根據(jù)教學(xué)情況自由選擇,讓學(xué)生兩人一組設(shè)計實驗步驟。學(xué)生設(shè)計實驗步驟,必須深入了解實驗?zāi)康?掌握實驗涉及的藥品和試劑以及儀器的物性和安全常識,理解實驗步驟背后的理論意義,比照書本操作要求更深入地了解,這避免了以往學(xué)生機械模仿老師操作的模式,加深其對實驗過程的理解記憶。

開設(shè)必修實驗和選做實驗兩類,將會使學(xué)生在強化基本操作技能的基礎(chǔ)上有綜合性較強的訓(xùn)練,有普通儀器操作,也能接觸到一些先進的科學(xué)儀器和方法,以開拓眼界,擴大知識面。教師可在教學(xué)過程中對各個實驗有不同的級別要求,以適應(yīng)不同專業(yè)的需求。

3.改進教學(xué)方法,讓學(xué)生有機會動手操作。改變教學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生獨立思考,培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)和工作能力。遵循實驗教學(xué)和人才培養(yǎng)規(guī)律,學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)要循序漸進,逐步放手,逐步加強和深化。多引進生產(chǎn)實際案例,充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性,以利于學(xué)生能力的培養(yǎng)。

每次實驗前的理論課都在幻燈片上以圖片的形式介紹實驗儀器的基本組成和試驗流程。布置學(xué)生預(yù)習(xí)實驗,完成思考題?？紤]儀器數(shù)量和實驗室面積,可采用雙實驗雙教師同時進行的教學(xué)方法。將學(xué)生劃分為兩部分,每部分學(xué)生做一個實驗,每個實驗一個指導(dǎo)老師,然后交換。這樣提高了設(shè)備的利用率,使學(xué)生有更加充分的動手時間,每個學(xué)生都有機會動手,投入到實驗中來。

4.改進實驗室管理。建議與實驗中心的老師配合,課余時間向?qū)W生開放實驗室。集中組織有興趣的學(xué)生在課余時間進入實驗室,在教師監(jiān)管下進行實驗,這既可以作為課堂實驗的補充,又可以擴展到課堂之外的內(nèi)容。

三、實驗內(nèi)容設(shè)計的特點

各獨立學(xué)院應(yīng)結(jié)合專業(yè)特點和現(xiàn)有儀器設(shè)備,以及學(xué)生的教學(xué)和實訓(xùn)情況,選擇合適的實驗內(nèi)容,編寫適用于本校的實驗講義?？蓪⑷繉嶒灧譃楸刈鰧嶒灪驮O(shè)計性選做實驗兩部分。必做實驗內(nèi)容包括電化學(xué)分析、紅外光譜分析、氣相色譜和液相色譜等多個專業(yè)試驗,要求學(xué)生親自動手操作各種大型儀器,解決實際問題,其實驗內(nèi)容在社會上有著極為廣泛的應(yīng)用;設(shè)計性選做實驗由師生根據(jù)教學(xué)情況自由選擇,是學(xué)生在掌握儀器分析原理和設(shè)備操作基本技能的基礎(chǔ)上對理論和實踐知識的綜合運用。

講義的主要特點是針對性強。國內(nèi)現(xiàn)有的實驗教材,每個實驗針對特定的儀器,對實驗條件的設(shè)置、參數(shù)的確定有固定的要求。目前分析儀器發(fā)展迅速,種類和型號多樣,該講義應(yīng)針對各校所購買的特定儀器,可直接用于以后的儀器分析實驗教學(xué)工作。

另外,在實驗的設(shè)計上要突出強調(diào)學(xué)生的實際動手能力,要求實驗內(nèi)容貼近實際生產(chǎn)生活,一方面調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性,另一方面培養(yǎng)的學(xué)生在社會上有更廣闊的就業(yè)空間,滿足社會對動手能力強的人才的需求。

總之,儀器分析實驗在獨立學(xué)院化學(xué)類相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)體系中有著重要的地位。隨著實驗室的建設(shè)和發(fā)展,各獨立學(xué)院將購買更多儀器設(shè)備,在今后的教學(xué)過程中,教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)要求和硬件條件的變化,不斷完善儀器分析實驗內(nèi)容,教學(xué)內(nèi)容的編排始終以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)為目標(biāo),根據(jù)社會對人才的需求,強調(diào)學(xué)生的動手能力及解決實際問題的能力。

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