儀器分析課程的教學(xué)改革與探索

吳繼魁周冬香 毛芳

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院 上海201306)

儀器分析課程是我校面向食品、水產(chǎn)與生命、海洋等學(xué)院相關(guān)專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要的化學(xué)類專業(yè)基礎(chǔ)課程。本課程適應(yīng)面廣、應(yīng)用性強(qiáng)，但由于儀器分析方法眾多，而且各自具有比較獨(dú)立的原理和理論基礎(chǔ)，各種分析方法之間聯(lián)系較少，可以自成體系，內(nèi)容比較抽象，因而課程顯得龐雜、難學(xué)，這給儀器分析課程教學(xué)帶來(lái)了一定的困難［1-2］。近年來(lái)，我們針對(duì)儀器分析課程具有的實(shí)踐性、多學(xué)科交叉性、發(fā)展性等特點(diǎn)［3-4］，立足于我校專業(yè)特色和學(xué)生實(shí)際，結(jié)合現(xiàn)代分析科學(xué)技術(shù)的發(fā)展前沿，對(duì)儀器分析課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方式進(jìn)行了一系列研究與改革，介紹如下。

1 調(diào)整課程內(nèi)容

根據(jù)各種分析方法的區(qū)別與聯(lián)系，我們把整個(gè)理論教學(xué)內(nèi)容模塊化，分為光譜分析、電化學(xué)分析和色譜分析3個(gè)主要模塊。光譜分析根據(jù)產(chǎn)生光譜的物質(zhì)不同，又分為分子光譜(紫外可見(jiàn)吸收光譜、熒光光譜、紅外光譜)和原子光譜(原子吸收光譜、原子熒光光譜)。光譜分析的靈敏度高、重現(xiàn)性好，但由于分光系統(tǒng)或原子化系統(tǒng)的存在，使光譜分析儀器體積較大、比較笨重，大大限制了它們的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)能力和應(yīng)用。電化學(xué)分析方法恰好能夠彌補(bǔ)光譜分析儀器不便攜的缺點(diǎn)。電化學(xué)分析又分為電位分析、電位滴定和伏安分析。盡管電化學(xué)分析方法具有靈敏度高、便攜等優(yōu)點(diǎn)，但是重現(xiàn)性差是其主要弱點(diǎn)，也是電化學(xué)儀器走向市場(chǎng)化的主要障礙之一。在面對(duì)復(fù)雜的實(shí)際樣品時(shí)，要想準(zhǔn)確靈敏地進(jìn)行組分檢測(cè)，樣品中各組分的有效分離就顯得尤其重要，而色譜法則是一種集高效分離與靈敏檢測(cè)于一身的分析技術(shù)。色譜法包括氣相色譜、液相色譜、超臨界色譜等，色譜與其他檢測(cè)技術(shù)(質(zhì)譜、紅外、核磁共振等)的聯(lián)用更進(jìn)一步拓展了色譜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)儀器分析方法的模塊化，使得整個(gè)理論授課思路清晰、內(nèi)容緊湊且邏輯性強(qiáng)。各個(gè)模塊的內(nèi)容可以根據(jù)不同專業(yè)的授課對(duì)象進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，做到詳略得當(dāng)。比如環(huán)境工程專業(yè)在光譜學(xué)和電化學(xué)方面的應(yīng)用較多，而食品質(zhì)量與安全專業(yè)則會(huì)側(cè)重于色譜分析。

隨著現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)等新技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，許多新的儀器分析技術(shù)及方法如雨后春筍般出現(xiàn)。高靈敏度、高選擇性、高自動(dòng)化、智能化、微型化儀器的開(kāi)發(fā)和利用代表著整個(gè)儀器分析學(xué)科的發(fā)展方向。相對(duì)于學(xué)科發(fā)展，儀器分析教材的內(nèi)容顯得比較陳舊且滯后。為處理好教學(xué)內(nèi)容經(jīng)典性與先進(jìn)性的關(guān)系，我們?cè)谑谡n的過(guò)程中有意識(shí)地將學(xué)科發(fā)展的前沿成果與教材內(nèi)容對(duì)接。比如在講授原子吸收光譜時(shí)，我們引入了教材中沒(méi)有涉及的連續(xù)光源原子吸收光譜儀這一德國(guó)耶拿儀器公司的最新成果。經(jīng)典原子吸收光譜儀的光源主要是空心陰極燈，即銳線光源。銳線光源雖有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但因每分析一個(gè)元素就要更換一個(gè)元素?zé)?，再加上燈的工作電流、波長(zhǎng)等參數(shù)的選擇和調(diào)節(jié)，使原子吸收分析的速度、信息量和使用方便性等方面受到了限制。分析速度慢和依賴空心陰極燈的固有特性成了原子吸收光譜的弱點(diǎn)，而解決問(wèn)題的最有效方法，就是采用連續(xù)光源進(jìn)行多元素測(cè)定。2004年，德國(guó)耶拿儀器公司以高聚焦短弧氙燈這一連續(xù)光源替代經(jīng)典的空心陰極燈，成功設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出了世界上第一臺(tái)商品化的連續(xù)光源原子吸收光譜儀。將這些最新的科技成果及時(shí)介紹給學(xué)生，不僅更新和完善了基本教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)也能開(kāi)拓學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的求知欲，豐富他們的知識(shí)儲(chǔ)備，為今后的科研工作打好基礎(chǔ)。

儀器分析是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科［5］;實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的廣度和深度對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力是至關(guān)重要的。過(guò)去儀器分析實(shí)驗(yàn)主要是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，這樣容易養(yǎng)成學(xué)生“照方抓藥”的習(xí)慣，結(jié)果是對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)理解不深，往往實(shí)驗(yàn)做過(guò)后就忘記。針對(duì)這些情況，我們合理編排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的循序漸進(jìn)以及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的廣泛性和針對(duì)性，充分突出我校的專業(yè)特色。我們?cè)诮虒W(xué)中，一改以往同一層次的儀器分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重復(fù)操作，降低了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的比重，增加了設(shè)計(jì)綜合型實(shí)驗(yàn)的數(shù)目，以便增加實(shí)驗(yàn)的探究性和趣味性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。例如在利用循環(huán)伏安法測(cè)定鐵氰化鉀的電極反應(yīng)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生覺(jué)得金電極的拋光及伏安掃描很神奇，有的學(xué)生甚至不厭其煩地重復(fù)做幾遍實(shí)驗(yàn)。另外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的廣度也由原來(lái)的以紫外可見(jiàn)光譜法、原子吸收光譜法和色譜法為主，進(jìn)一步拓展出熒光光譜、電化學(xué)工作站等，這樣也就提升了實(shí)驗(yàn)的深度。我們還通過(guò)不斷增加儀器臺(tái)套數(shù)，讓每位學(xué)生都有接觸和親自操作儀器的機(jī)會(huì)，熟悉實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程并掌握最新的分析技術(shù)。

2 改革教學(xué)方法

傳統(tǒng)的儀器分析教學(xué)方法是以教師、課堂、教材為中心的灌輸式模式，學(xué)生處于被動(dòng)接受、從屬的地位，教學(xué)效果欠佳。很多教師往往是按照儀器分析方法的產(chǎn)生、原理、儀器結(jié)構(gòu)及該方法在實(shí)際中的應(yīng)用這一主線展開(kāi)自己的課堂教學(xué)，盡管授課思路清晰，但學(xué)生提不起學(xué)習(xí)興趣。近些年，有些教師嘗試在教學(xué)中，以儀器的工作原理或結(jié)構(gòu)為主線，對(duì)相對(duì)獨(dú)立的不同分析方法進(jìn)行歸納與分類，通過(guò)對(duì)比、分析，找出不同分析方法在工作原理、儀器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方面的共性，適當(dāng)?shù)瘑蝹€(gè)儀器的內(nèi)容講解，總結(jié)出課程教學(xué)內(nèi)容的連貫性和系統(tǒng)性，然后突出各類分析法之間的差異。這種方法有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和歸納綜合能力。另外，多媒體技術(shù)因其可視性強(qiáng)，界面優(yōu)美，集文字、動(dòng)畫(huà)、視聽(tīng)于一體等優(yōu)點(diǎn)而被引入課堂教學(xué)，以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但多媒體技術(shù)是雙刃劍，若過(guò)度依賴多媒體技術(shù)，忽略師生之間的思想交流和情感傳遞，也難以取得好的教學(xué)效果。

我們?cè)诮梃b吸收先進(jìn)教學(xué)方法的同時(shí)，根據(jù)我校的教學(xué)設(shè)施和學(xué)生的特點(diǎn)，探索出一條傳統(tǒng)與現(xiàn)代技術(shù)融合的教學(xué)方法之路。在課堂教學(xué)中，我們?nèi)匀徊捎脗鹘y(tǒng)的板書(shū)方法，這樣教師能夠有效調(diào)控自己的授課節(jié)奏，加強(qiáng)與學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)溝通和交流;同時(shí)，學(xué)生也有足夠的時(shí)間跟隨教師的教學(xué)思路進(jìn)行思考和理解，并認(rèn)真做好筆記，以備課后復(fù)習(xí)。多媒體技術(shù)作為輔助教學(xué)手段，只是在講解儀器結(jié)構(gòu)及使用方法時(shí)使用，以便給學(xué)生比較直觀的印象。為進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，達(dá)到較好的教學(xué)效果，我們將一些新教學(xué)理念融入教學(xué)中。首先，對(duì)于儀器分析教學(xué)而言，數(shù)據(jù)的繪圖與處理非常重要。我們把Sigmaplot或Origin等科技繪圖專業(yè)軟件系統(tǒng)地介紹給學(xué)生，學(xué)生可以通過(guò)這些軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪出專業(yè)的圖表，為他們今后的科研和工作打下了一定的基礎(chǔ)。其次，將教師的一些科研成果轉(zhuǎn)化為課堂教學(xué)內(nèi)容。在講授比色檢測(cè)時(shí)，我們將自己在基于納米金膠構(gòu)建新型比色傳感器方面的科研工作轉(zhuǎn)化為授課內(nèi)容。納米金膠是一種新型的納米顯色劑，它在可見(jiàn)光區(qū)具有高于普通有機(jī)顯色劑幾個(gè)數(shù)量級(jí)的摩爾吸光系數(shù)和利用裸眼就能觀察到的溶液顏色變化。基于納米金膠進(jìn)行比色檢測(cè)的原理是:分散狀態(tài)的金膠溶液呈酒紅色，但分析目標(biāo)物會(huì)引起金膠顆粒聚集，使溶液的顏色迅速變?yōu)樗{(lán)灰色。我們通過(guò)在課堂上現(xiàn)場(chǎng)演示這些實(shí)驗(yàn)過(guò)程，激發(fā)了學(xué)生的科研興趣。再次，實(shí)施案例教學(xué)法，將不同的儀器分析方法依托具體的社會(huì)案例進(jìn)行講解，同時(shí)根據(jù)專業(yè)的不同調(diào)整案例內(nèi)容。例如對(duì)于食品質(zhì)量與安全專業(yè)的學(xué)生，我們會(huì)在教學(xué)中結(jié)合最新的一些食品安全案例(如2011年上海染色饅頭事件、2008年牛奶中三聚氰胺事件、2006年粉絲中含有的吊白塊事件等)，向?qū)W生講述相關(guān)有毒有害物質(zhì)的檢測(cè)方法以及分析儀器的原理和應(yīng)用，從而加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象。最后，將理論和實(shí)驗(yàn)授課同步進(jìn)行。在講完儀器的原理、結(jié)構(gòu)之后，我們將儀器的用戶界面軟件系統(tǒng)帶到課堂，詳細(xì)講述參數(shù)設(shè)置以及檢測(cè)過(guò)程中的注意事項(xiàng)，以使抽象的知識(shí)具體化，讓學(xué)生較易接受。

3 改革考核方式

儀器分析是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為主的學(xué)科，使用傳統(tǒng)的閉卷筆試考核方法難以對(duì)學(xué)生的綜合能力特別是實(shí)驗(yàn)操作、運(yùn)用儀器分析理論解決實(shí)驗(yàn)具體問(wèn)題等能力進(jìn)行考核，這就需要改革傳統(tǒng)的考核方式，建立多元化的考核體系。儀器分析課程的最終考核成績(jī)由3部分組成:即期末成績(jī)或論文成績(jī)(70%)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)(20%)、平時(shí)成績(jī)(10%)。前面的70%成績(jī)采用不同的考核方式，對(duì)于必修專業(yè)的學(xué)生，我們采用半開(kāi)卷的考試方式，考試時(shí)，只允許學(xué)生攜帶課本，而禁止攜帶相應(yīng)的習(xí)題集和ppt課件，這樣不僅可以將學(xué)生從死記硬背的機(jī)械記憶中解脫出來(lái)，同時(shí)還能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課本中相關(guān)內(nèi)容的細(xì)心研讀和梳理。通過(guò)近3年的實(shí)踐，學(xué)生普遍贊同這種考核方式。對(duì)于選修專業(yè)的學(xué)生，我們采取撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述的考核方式。由教師布置與學(xué)生專業(yè)相關(guān)的題目(在學(xué)生專業(yè)領(lǐng)域中常用或最新的儀器分析方法和技術(shù))，要求學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)，然后提煉總結(jié)，對(duì)其中的某個(gè)方面進(jìn)行綜述。這樣的考核方式不僅培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析、解決問(wèn)題的綜合能力，同時(shí)還能讓他們了解相關(guān)的專業(yè)知識(shí)。

教育不僅僅要傳授知識(shí)，而且還要激發(fā)學(xué)生的求知興趣，培養(yǎng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的能力。因此，在儀器分析課程的教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)不斷更新教學(xué)觀念和內(nèi)容，改革教學(xué)方法，完善考核體系，不斷引進(jìn)先進(jìn)的教學(xué)手段和教學(xué)理念，進(jìn)一步提高教學(xué)效果。

［1］李亮亮，李海鋒，周艷明，等.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2004，6(4):415

［2］劉曉宇.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2007，68(2):138

［3］陳景文.大學(xué)化學(xué)，2010，25(1):29

［4］王霆，張鋒，陳立鋼，等.大學(xué)化學(xué)，2011，26(6):21

［5］胡小剛，俞英.大學(xué)化學(xué)，2010，25(6):28