儀器分析實驗教學(xué)改革實踐*

李愛峰 孫愛玲 柳仁民

(聊城大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 山東聊城 252059)

儀器分析實驗是儀器分析課程的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生了解各種儀器的結(jié)構(gòu)、熟悉各種儀器的操作方法、掌握各種儀器的原理、理解課堂上所學(xué)理論知識的重要途徑，對于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力和學(xué)以致用的能力可以起重要的作用[1]。

為適應(yīng)時代和科技發(fā)展的需要、提高大學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)全面發(fā)展的優(yōu)秀人才，同時也為了充分發(fā)揮儀器分析實驗的作用，我們在完成基本教學(xué)任務(wù)的同時，按照創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式[2]，全面地推進儀器分析實驗教學(xué)方法改革，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，調(diào)動他們學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，提高分析解決問題的能力。

1 目前儀器分析實驗教學(xué)方法存在的問題[3]

(1) 為了保護大型的貴重分析儀器不受損害，實驗指導(dǎo)教師一般不向?qū)W生展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這樣會使學(xué)生做完實驗后對儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理還是不太清楚，并且學(xué)生對每種儀器一般只有一次學(xué)習(xí)機會，缺乏鞏固練習(xí)的機會。

(2) 為了保護大型的貴重分析儀器不受損害以及受實驗學(xué)時數(shù)的限制，學(xué)生只能按照實驗指導(dǎo)教師預(yù)先優(yōu)化好的實驗條件進行實驗，在實驗過程中不允許出錯。這樣會使學(xué)生對于實驗條件的選擇沒有充分的認(rèn)識，難以從錯誤和失敗中總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。這將使他們在走上實際工作崗位后，不會獨立地建立實驗方法，缺乏發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

(3) 由于儀器分析實驗課采取循環(huán)式安排，有些實驗安排在相應(yīng)的理論講授之前，造成學(xué)生預(yù)習(xí)實驗的效果不好，而且在實驗課上指導(dǎo)教師需要花一定時間講解相關(guān)的理論內(nèi)容，這樣就會縮短學(xué)生的實驗操作時間，不利于提高學(xué)生的實踐能力。

(4) 傳統(tǒng)的教學(xué)方式通常是教師就實驗講實驗，而不是教學(xué)生應(yīng)用同一儀器做不同實驗的方法，也沒有對不同的方法和儀器進行橫向比較。

(5) 實驗成績考核方案過于強調(diào)分析測定結(jié)果的準(zhǔn)確度、精密度及實驗報告的書寫情況，往往造成個別學(xué)生抄襲實驗報告，隨意篡改甚至編造實驗數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

2 改革儀器分析實驗教學(xué)方法

(1) 運用啟發(fā)研討式的互動教學(xué)。

傳統(tǒng)實驗課的教學(xué)方法是：實驗前由教師講授實驗?zāi)康摹⒃?、儀器、實驗步驟和注意事項，學(xué)生只需“照方抓藥”做實驗即可，這種教學(xué)模式使學(xué)生處于被動狀態(tài)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。為了使學(xué)生在實驗教學(xué)中變被動為主動，我們采用啟發(fā)討論式的互動教學(xué)方法。例如，用高效液相色譜測定飲料中咖啡因的含量時，教材都會注明在286nm下進行定量測定。在啟發(fā)研討式的互動教學(xué)中，我們引導(dǎo)學(xué)生去思考為什么選擇286nm為檢測波長，如何選擇定量分析的檢測波長，然后讓學(xué)生使用紫外分光光度計對咖啡因?qū)φ掌返牟ㄩL進行掃描，以確定最佳檢測波長。這樣做可以讓學(xué)生施展自己的能力，強化學(xué)生自身的實驗感受、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情[4]。

(2) 注重理論聯(lián)系實際。

長期以來，學(xué)生普遍存在重理論輕實驗的思想，對于理論課講授的方法、原理等掌握較好，但沒有與實驗課聯(lián)系起來。如果教師在講解實驗時只是“照本宣科”，那么，學(xué)生就很少會思考為什么要這樣做。這樣不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維[5]。針對這種情況，我們首先從思想上對學(xué)生進行教育，端正其學(xué)習(xí)態(tài)度；其次，注意將理論課與實驗課有機結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗課來消化理論課上所學(xué)的知識，用理論來指導(dǎo)實驗。例如，關(guān)于用庫侖滴定測定As(Ⅲ)的含量，教材都會強調(diào)在配制KI電解液時要加入NaHCO3，至于NaHCO3的作用卻往往介紹得不詳細(xì)，我們可以藉此引導(dǎo)學(xué)生去思考NaHCO3溶液的pH約是多少，為什么實驗要求介質(zhì)為弱堿性，如果介質(zhì)為酸性或強堿性會給分析結(jié)果帶來什么影響，滴定分析對于滴定反應(yīng)的完全程度有什么要求，庫侖滴定的前提條件是什么，As(Ⅲ)的還原能力與介質(zhì)的pH有什么關(guān)系，為什么介質(zhì)的pH決定著該反應(yīng)的方向等一系列問題。這些問題的答案都可以在理論課中找到，從而可在實驗過程中加深學(xué)生對于理論知識的理解和鞏固，同時也能體現(xiàn)理論對于實驗的指導(dǎo)意義。這樣能使學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)中更注意理論聯(lián)系實際。

(3) 借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺強化實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)。

如果學(xué)生做實驗之前能夠充分預(yù)習(xí)，帶著問題來實驗室，那么實驗教學(xué)就有可能取得更理想的效果。因此，實驗預(yù)習(xí)效果直接影響到實驗課的教學(xué)質(zhì)量。儀器分析實驗基本上都采用循環(huán)式安排，經(jīng)常會出現(xiàn)理論與實驗不同步的情況。如果指導(dǎo)教師在實驗課上講解過多與實驗相關(guān)的理論知識，就會縮短學(xué)生動手操作的時間，不利于提高他們的動手能力[6]。因此，如何幫助學(xué)生對實驗進行預(yù)習(xí)是擺在實驗指導(dǎo)教師面前的一個大問題。我們把購買或自己制作的一些虛擬實驗室、多媒體課件、教學(xué)錄像、儀器操作規(guī)程等發(fā)布到儀器分析實驗課程網(wǎng)站上，使學(xué)生能夠方便地在實驗前了解實驗內(nèi)容、相關(guān)基本理論以及儀器的構(gòu)造和操作過程，并對預(yù)習(xí)效果進行自我測試。這樣能使學(xué)生做實驗時心中有數(shù)，從而能在實驗過程中發(fā)揮主觀能動性，提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。

(4) 注重計算機在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用。

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，分析儀器向著軟件化、自動化、集成化、智能化的方向發(fā)展。分析儀器的功能越來越強大，分析軟件在整個分析系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用[7]。學(xué)生很容易從實驗中獲得所需的譜圖和完整的數(shù)據(jù)，但是很多學(xué)生對于后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作的掌握和認(rèn)識程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我們不僅要求學(xué)生規(guī)范地記錄實驗數(shù)據(jù)，而且要求學(xué)生會用代數(shù)法和圖解法處理實驗數(shù)據(jù)。例如，在直接電位法測定水中氟的含量時，我們要求學(xué)生用標(biāo)準(zhǔn)曲線法和單次標(biāo)準(zhǔn)加入法對同一個樣品進行測定，不僅要對標(biāo)準(zhǔn)曲線法和公式計算的結(jié)果進行比較，還要對兩種定量分析方法的優(yōu)缺點、適用范圍等進行分析比較，這樣學(xué)生就能根據(jù)實際樣品的情況選擇合適的定量分析方法。在電位滴定法測定混合溶液中的I-、Br-含量時，不僅要求學(xué)生將代數(shù)法計算的結(jié)果與滴定曲線、一次微分曲線、二次微分曲線上獲得的結(jié)果進行比較，還要指出手工繪制的曲線具有很大的隨意性，往往會導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確。我們還利用學(xué)生普遍愛鉆研電腦的特點，鼓勵學(xué)生借助Excel軟件或Origin圖像處理軟件進行數(shù)據(jù)處理。在色譜分析實驗中，我們還教會學(xué)生先從儀器的操作軟件獲得數(shù)據(jù)文件，然后用Origin圖像處理軟件繪制色譜圖，這樣可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并提高他們的科研素質(zhì)。

(5) 開設(shè)虛擬實驗。

虛擬實驗教學(xué)是實驗教學(xué)的一個重要發(fā)展方向。與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬實驗不但可以彌補教學(xué)條件的不足、極大地降低實驗成本，還可以避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。因此，將虛擬實驗應(yīng)用到實驗教學(xué)中，不僅能完善真實實驗、豐富實驗項目及內(nèi)容，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[8]。在虛擬實驗中，學(xué)生可以大膽模擬實驗過程，而不必?fù)?dān)心損壞儀器；可以作各種嘗試，甚至錯誤的實驗操作，以了解錯誤產(chǎn)生的原因及造成的危害。例如學(xué)生在模擬液相色譜分析過程時會發(fā)現(xiàn)，如果改變流動相的組成、流速、檢測波長和洗脫模式，色譜峰的保留時間、峰型、峰面積及分離效果會發(fā)生較大的變化。通過此虛擬實驗，學(xué)生既能加深對色譜理論的理解，又能學(xué)會如何進行實驗條件的優(yōu)化。這樣，在以后的真實實驗中，學(xué)生就可以結(jié)合虛擬實驗的摸索，進行實驗條件的選擇。

(6) 對不同的方法和儀器進行橫向比較。

例如，在學(xué)生做完光學(xué)分析法、電化學(xué)分析法、色譜分析法實驗后，可以布置一個設(shè)計實驗題目，如“果蔬中維生素C含量的測定”，要求學(xué)生查閱資料，盡可能設(shè)計多種實驗方案。學(xué)生經(jīng)過查閱資料發(fā)現(xiàn)，維生素C分子內(nèi)有共軛雙鍵，在紫外光區(qū)有吸收，可以用紫外分光光度法進行測定；維生素C具有還原性，可以被I2氧化后用庫侖滴定法進行測定；還可以用高效液相色譜法將維生素C與其他組分分離后再測定。這樣，對同一種物質(zhì)的測定就有了幾種原理各不相同的方法，充分體現(xiàn)了儀器分析方法的多樣性。

(7) 發(fā)揮廢舊儀器的作用。

在儀器分析實驗中會用到大型貴重分析儀器，但大多數(shù)儀器的核心部件是從外面觀察不到的。為了避免灰塵進入或儀器精度受損，實驗指導(dǎo)教師一般不向?qū)W生展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這樣會使學(xué)生對儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理缺乏感性認(rèn)識，做完實驗后往往還是不甚清楚[9]。針對這一問題，我們充分發(fā)揮廢舊儀器的作用，騰出專門的實驗室用于展示儀器的組成和結(jié)構(gòu)。在這里，學(xué)生不僅可以近距離觀察到每一個部件的構(gòu)造，而且可以動手操作，不用擔(dān)心損害儀器。

(8) 完善實驗考核方案。

為了調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，正確評價他們的理論水平及實驗技能，我們在實驗成績評定時以“重在過程，不惟結(jié)果”為指導(dǎo)思想，實行多元化考評制度，不斷完善實驗考核方案[10]。我們對實驗過程進行合理分解，將對學(xué)生的考評體現(xiàn)在預(yù)習(xí)情況、實驗操作、學(xué)習(xí)態(tài)度、實驗作風(fēng)、實驗結(jié)果、實驗數(shù)據(jù)處理、實驗結(jié)果分析與討論等各個小過程中，每一部分分別賦予不同的分值。實踐證明，由于多元化的考評體系更加注重學(xué)生參與實驗的過程，更能合理、全面公正地反映學(xué)生的真實水平，因而學(xué)生的積極性被很好地調(diào)動起來，有益于養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、認(rèn)真踏實、實事求是的科學(xué)態(tài)度和作風(fēng)。

3 結(jié)語

教學(xué)改革是一項長期的任務(wù)，只要教師認(rèn)真鉆研，針對儀器分析實驗本身特點并結(jié)合學(xué)生實際情況，在教學(xué)實踐中不斷積累和總結(jié)經(jīng)驗，通過不斷創(chuàng)新給實驗教學(xué)增添活力，就能使儀器分析實驗課程的教學(xué)質(zhì)量進一步提高，培養(yǎng)出滿足社會需要的創(chuàng)新型人才。

[1] 徐曉安,張文華.江西化工,2009(4):46

[2] 田曉溪,趙維梅.科教文匯,2009(4):46

[3] 張國平,訾言勤.淮北煤炭師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,31(2):84

[4] 陳旭,雍克嵐.實驗室研究與探索,2009,28(4):118

[5] 張桂文.甘肅科技,2009,25(19):163

[6] 朱文彩,許青.山東教育學(xué)院學(xué)報,2010(3):87

[7] 石瑩瑩.廣西輕工業(yè),2009(11):19

[8] 王巖.內(nèi)江科技,2010(8):182

[9] 周云,張連慶,林金明.大學(xué)化學(xué),2010,25(6):48

[10] 余邦良,楊柳,艾朝輝,等.海南醫(yī)學(xué),2010,21(8):119