儀器分析教學(xué)改革探索與研究

徐 鵬

北京林業(yè)大學(xué) 北京 100083

儀器分析教學(xué)改革探索與研究

徐 鵬

北京林業(yè)大學(xué) 北京 100083

儀器分析課是北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院面向生物學(xué)院、環(huán)境學(xué)院、材料學(xué)院的相關(guān)專業(yè)開設(shè)的專業(yè)課程。本文從課程體系的優(yōu)化、教學(xué)內(nèi)容選擇、教學(xué)方法的改革、實驗教學(xué)以及考核方式等方面探討了本校儀器分析課程改革的具體措施。

儀器分析；教學(xué)改革；教學(xué)方法

儀器分析是指采用比較復(fù)雜或特殊的儀器設(shè)備，通過測量物質(zhì)的某些物理或物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)及其變化來獲取物質(zhì)的化學(xué)組成、成分含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)等信息的方法。儀器分析在物理學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、計算機(jī)等科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來，多學(xué)科交叉性是儀器分析的一個特點(diǎn)。儀器分析常使用大型儀器完成分析任務(wù)，要求使用者除具有深厚的理論基礎(chǔ)外，還需要具有很強(qiáng)的動手能力，處理好實驗課程與理論課程的關(guān)系是本課程教學(xué)中需要考慮的一個重要問題。此外，儀器分析的發(fā)展是一個動態(tài)發(fā)展的過程，當(dāng)前儀器分析的新理論、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這就要求教師對其授課內(nèi)容要時時更新。為了更好地完成我校儀器分析課程的教學(xué)任務(wù)，筆者針對本課程的教學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行了教學(xué)改革。

1 明確教學(xué)目的

我校儀器分析課程教學(xué)大綱規(guī)定：“儀器分析課程的主要任務(wù)是使學(xué)生在掌握分析儀器的基本原理和基本操作，了解分析方法在實際中的應(yīng)用，初步具有能根據(jù)分析的目的選擇適宜的分析方法的能力”。儀器分析對于我校學(xué)生而言主要是一種獲得數(shù)據(jù)的有效手段，是其今后學(xué)習(xí)、科研以及工作的重要工具。使學(xué)生掌握分析儀器的基礎(chǔ)理論，熟悉分析儀器的實際操作是我校開設(shè)本課程的主要目的。

2 優(yōu)化課程體系，精心選擇教學(xué)內(nèi)容

2.1 根據(jù)不同專業(yè)的實際需求優(yōu)化課程體系

精心篩選教學(xué)內(nèi)容同時進(jìn)行必要的修改和更新是儀器分析教學(xué)中的一項重要的內(nèi)容。我校的儀器分析課程主要面向生物學(xué)院、環(huán)境學(xué)院、材料學(xué)院的相關(guān)專業(yè)開設(shè)。教師應(yīng)該根據(jù)不同學(xué)院人才培養(yǎng)目標(biāo)的不同，對教材進(jìn)行合理取舍，選出在相關(guān)專業(yè)科研工作中應(yīng)用廣、實用性強(qiáng)的分析方法講解。我校儀器分析課程可以講授的教學(xué)內(nèi)容有光譜法、色譜法、質(zhì)譜法和電化學(xué)分析法4個部分。為加強(qiáng)教學(xué)的針對性，同時應(yīng)開設(shè)本課程的學(xué)院要求，化學(xué)系對本課程的課程體系進(jìn)行了優(yōu)化，并已寫入教學(xué)大綱中。教學(xué)大綱規(guī)定，光譜法和色譜法為共同講授的內(nèi)容；質(zhì)譜法僅對生物學(xué)院學(xué)生講授；電化學(xué)分析法僅對環(huán)境和材料學(xué)院學(xué)生講授。

2.2 選擇適宜的教科書

一本好教材對儀器分析課程的成敗至關(guān)重要。目前市場上有關(guān)儀器分析的教科書種類繁多,但側(cè)重各有不同。生物、環(huán)境和材料學(xué)院的學(xué)生專業(yè)相差較大,為其選擇一本適宜教科書比較困難。加之大學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)較重,同時推薦多本教科書也不可行。筆者在授課中選擇了趙士鐸先生編寫的《儀器分析簡明教程》,此書專門針對農(nóng)林類院校的大學(xué)本科生編寫,內(nèi)容簡潔清晰。對于補(bǔ)充講解的內(nèi)容,筆者都在課件上都進(jìn)行了明確的標(biāo)注,將其作為教科書的補(bǔ)充。

2.3 精心選擇教學(xué)內(nèi)容

要在有限的教學(xué)課時內(nèi)取得更好的教學(xué)效果，教師就要對所講內(nèi)容作精心的設(shè)計。儀器分析課程重點(diǎn)講解分析方法的基本原理、分析儀器和實際應(yīng)用，教師應(yīng)當(dāng)針對上述3個教學(xué)重點(diǎn)準(zhǔn)備教學(xué)內(nèi)容。本課程教學(xué)難點(diǎn)主要來源于基本原理和分析儀器的講解，原因有2點(diǎn)：(1)本課程內(nèi)容交織著數(shù)學(xué)、物理、生物、電子技術(shù)和化學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)知識，學(xué)生由于此類學(xué)科的基礎(chǔ)薄弱，常缺乏學(xué)習(xí)興趣；(2)課程涉及的儀器大多有復(fù)雜的電子線路，也會使學(xué)生望而生畏。教師可以選擇幾本經(jīng)典教材（如：朱明華主編的《儀器分析》等）中基本原理和分析儀器的介紹內(nèi)容，選擇其中最簡明的描述作為授課內(nèi)容，力爭用最清晰、簡潔的語言說明較復(fù)雜的科學(xué)問題，這樣學(xué)生接受起來就容易多了。儀器分析的另一個特點(diǎn)是新理論、新技術(shù)層出不窮，而教材的更新往往遠(yuǎn)落后于儀器的發(fā)展，這就要求教師把相關(guān)新內(nèi)容及時引入教學(xué)中。以原子吸收光譜法為例，目前高端原子吸收光譜儀的分光系統(tǒng)可以從連續(xù)光源中分離出寬度小于10-3nm的原子吸收線，但是這部分內(nèi)容在很多教科書中仍沿用了老教材中原子吸收光譜儀不能使用普通的連續(xù)光源的講解方法，這已和原子吸收光譜儀的發(fā)展不符，所以教師在介紹這類內(nèi)容時需要選擇近期出版、增加了最新分析技術(shù)和方法的教材用于分析儀器進(jìn)行介紹。此外，作為儀器分析課程教師，應(yīng)該經(jīng)常查閱有關(guān)儀器分析的專業(yè)文獻(xiàn)，參加分析儀器公司舉辦的培訓(xùn)班，通過多種途徑了解分析儀器的最新進(jìn)展，并把分析儀器的最新成果引入課堂。

3 重視課堂教學(xué)

課堂是教師傳授知識和學(xué)生學(xué)習(xí)的主要場所,課堂教學(xué)質(zhì)量直接影響著學(xué)生能力的培養(yǎng)。教師應(yīng)該重視課堂教學(xué)工作、改進(jìn)教學(xué)方法、發(fā)掘課堂教學(xué)的內(nèi)在美、做到講課的藝術(shù)性。筆者結(jié)合自己近些年的教學(xué)經(jīng)驗,提出幾點(diǎn)提高課堂教學(xué)效果的方法,供同行參考。

3.1 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

激發(fā)學(xué)生對儀器分析課程的興趣是提高課堂教學(xué)效果的第一步。筆者在教學(xué)實踐過程中常采用3種方式：(1)收集相關(guān)背景資料。通過查找相關(guān)背景資料，力爭使有關(guān)內(nèi)容的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展生動地再現(xiàn)在學(xué)生腦海中，引發(fā)學(xué)生的興趣；(2)把所講授的儀器分析方法與相關(guān)專業(yè)的科研工作緊密聯(lián)系。這樣可以清楚的指明儀器分析在學(xué)生所學(xué)專業(yè)中所處的重要地位。如：在給環(huán)境學(xué)院的學(xué)生講解色譜法應(yīng)用時，可以講述飲用水中消毒副產(chǎn)物的色譜分析方法，并指出消毒副產(chǎn)物的分析在環(huán)境化學(xué)中意義，這樣做會使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識到儀器分析在其所學(xué)專業(yè)的地位和作用；(3)充分發(fā)揮多媒體的作用。多媒體的應(yīng)用可以將文本、圖形、圖像、聲音、動畫有機(jī)地融合起來，給學(xué)生以立體形象思維。例如色譜法講解過程中，如果選用Flash動畫的形式表示用裝有碳酸鈣的色譜柱分離4種植物色素的過程, 將抽象的描述轉(zhuǎn)化成直觀、生動的動畫，就能吸引學(xué)生的注意力，達(dá)到很好的教學(xué)效果。

3.2 采用靈活多樣的授課方式

單一的平鋪直敘的授課方式很難將知識講解的清晰透徹,也會使教學(xué)效果大打折扣。教師應(yīng)該根據(jù)儀器分析課程的特點(diǎn),根據(jù)授課內(nèi)容選擇不同的授課方式。

本課程涉及許多大型分析儀器，將學(xué)生帶到實驗室面對大型分析儀器講解，教學(xué)效果雖好，但并不切合實際。為提高教學(xué)效果，教師平時可以收集一些簡單的儀器部件，隨堂展示給學(xué)生。這些儀器部件包括：(1)實驗室中常見且不易損壞的部件（如：電位分析中的pH玻璃電極）；(2)從儀器上更換下來的受損部件，(如：光譜儀上替換下來的光電倍增管等)。上述部件均可拿到課堂上，對幫助學(xué)生形象生動地了解儀器結(jié)構(gòu)和工作原理十分必要。

盡管高等學(xué)校的辦學(xué)條件越來越好,但是沒有哪所高校會為儀器分析課程準(zhǔn)備所有的分析儀器。為拓展學(xué)生的知識面,教師可以網(wǎng)上下載儀器的結(jié)構(gòu)圖、操作規(guī)范和保養(yǎng)方法的動畫或者錄像,這樣做會使教學(xué)效果更加形象直觀,同時有助于學(xué)生對教學(xué)重難點(diǎn)的把握。

3.3 通過對比強(qiáng)調(diào)分析方法的特點(diǎn)

儀器分析課程的培養(yǎng)目的之一是使學(xué)生具有根據(jù)分析任務(wù)能選擇出合適分析方法的能力。本課程講解的分析方法都具有獨(dú)立的理論基礎(chǔ)、實驗技術(shù)和應(yīng)用特點(diǎn)，不同分析方法間即存在區(qū)別也存在聯(lián)系，講解時如不加以區(qū)分必然會給學(xué)生造成模糊的認(rèn)識，應(yīng)用對比法可以收到很好的教學(xué)效果。所謂的對比法就是在講課過程中經(jīng)常將各種儀器分析方法方法在不同層面仔細(xì)加以比較，這樣做既可以使學(xué)生加深對分析方法特點(diǎn)的理解，明確清楚不同分析方法的適用范圍，增強(qiáng)他們的實際應(yīng)用能力。如紫外可見光譜法和紅外光譜法同樣作為分子光譜法，學(xué)習(xí)過程中會使學(xué)生感到難于區(qū)分。教師應(yīng)在講課過程中不斷地將2種方法的原理、儀器和應(yīng)用范圍作對比，通過比較各種分析方法的區(qū)別與聯(lián)系，加強(qiáng)了學(xué)生對2種分析方法的掌握和理解。

3.4 通過形象的比喻解釋抽象的科學(xué)現(xiàn)象

儀器分析講解課程中需要介紹教較多的專業(yè)術(shù)語和科學(xué)原理，學(xué)生接受和理解比較困難。如果教師通過形象的比喻來介紹，以淺顯的道理來描述，教學(xué)效果就不同了。如在色譜法中介紹色譜峰為什么呈正態(tài)分布峰時，筆者將其比喻成萬名大學(xué)生長跑比賽的結(jié)果統(tǒng)計，在所有的參賽選手中跑的特別快和特別慢的人都很少，大多數(shù)選手的到達(dá)時間會在平均時間前后，如果以長跑結(jié)果以到達(dá)的時間為橫坐標(biāo)，以到達(dá)的人數(shù)為縱坐標(biāo)，那統(tǒng)計結(jié)果一定是一個以平均值為中心的正態(tài)分布峰。色譜峰表明的是大量分子在色譜中運(yùn)動時間的統(tǒng)計學(xué)結(jié)果，與萬人長跑比賽結(jié)果的統(tǒng)計是類似的，色譜峰自然也就是正態(tài)分布峰了。

3.5 適當(dāng)利用提問式教學(xué)法

提問式教學(xué)法是教師提出的問題，學(xué)生自學(xué)，然后教師再進(jìn)行評述性講解。該法能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，并能使其利用已有的知識快速有效地獲取新的知識。如在色譜法講解過程中，教師會講解保留值定性的原理，即當(dāng)操作條件一定時，物質(zhì)的保留值是一個定值。接著教師可以假定有一個乙酸、丙酸、丁酸的混合物，讓學(xué)生討論如何對其進(jìn)行定性分析，最后通過教師的歸納總結(jié)得出結(jié)論。這樣能很好地把教師的主導(dǎo)作用置于引導(dǎo)和教會學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，以問題為杠桿啟動學(xué)生自學(xué)和探索的積極主動性，把學(xué)法和教法融為一體。

4 重視儀器分析實驗

實驗教學(xué)是儀器分析教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，儀器分析課程強(qiáng)調(diào)實際操作，只有實際應(yīng)用和操作，才會真正領(lǐng)會儀器的基本原理和使用方法。我校理學(xué)院化學(xué)系近幾年引進(jìn)了傅里葉變換紅外光譜儀、石墨爐原子吸收光譜儀、液相色譜和氣相色譜等多臺先進(jìn)的進(jìn)口大型儀器設(shè)備，在設(shè)計實驗課時，筆者盡可能將上述儀器設(shè)備納入實驗內(nèi)容，使學(xué)生更直觀的了解現(xiàn)代分析儀器的結(jié)構(gòu)，體驗其使用方法，為今后科研工作打下堅實的基礎(chǔ)。

5 建立合理的考試制度

筆者認(rèn)為本課程考試應(yīng)該采用理論和實驗相結(jié)合的模式。儀器分析的理論課考試應(yīng)該以注重基礎(chǔ)知識的測試為主，同時輔以少量實驗設(shè)計方面的試題（如；要求學(xué)生設(shè)計臨二氮菲法測定鐵的實驗步驟等），用以考查學(xué)生分析問題解決問題能力。

實驗課考試則可采用更靈活的考核辦法。教師可以提前一周告知學(xué)生考試的內(nèi)容（如：要求學(xué)生用氣象色譜法分離6～7種有機(jī)物的混合物，每名學(xué)生的混合物種類不同），隨后要求學(xué)生自行查文獻(xiàn)，設(shè)計實驗，考試時學(xué)生按照設(shè)計好的步驟實施實驗。這樣既考查了學(xué)生的分析儀器的基本操作，又鍛煉了學(xué)生分析問題解決問題的能力。

儀器分析課程理論較新、實踐性較強(qiáng)，在教學(xué)活動中需要充分考慮其教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，找出適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法才能順利實現(xiàn)教學(xué)目的。筆者在儀器分析課程教學(xué)過程中，通過上述教學(xué)方法的探索和改革，取得了較好的教學(xué)效果。

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[2] 北京大學(xué)化學(xué)系儀器分析教學(xué)組.儀器分析教程[M].北京: 北京大學(xué)出版社, 1997

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An exploration in teaching reform of the course of instrumental analysis

Xu Peng
Beijing forestry university, Beijing, 100083, China

Based on the investigation of the development and application of the in strumental analysis, an approach of reformon the content and method of teaching about the instrumental analysis is proposed. This paper conducts a series of analyses on the following aspects:adjusting teaching mode, updating teaching content and curricular system, constructing teachingmaterials and facilities. The aim of the teaching reform is to improve the teaching quality.

instrumental analysis; teaching contents; teaching method

2010-12-13

徐鵬，博士，講師。