現(xiàn)代儀器分析課程教學(xué)方法的改革探索

李郤里

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南鄭州 450002)

·化工教育·

現(xiàn)代儀器分析課程教學(xué)方法的改革探索

李郤里

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南鄭州 450002)

現(xiàn)代儀器分析作為必修課，對(duì)培養(yǎng)研究生科學(xué)研究能力、自主創(chuàng)新能力和綜合分析能力具有重要的作用。要提高課程教學(xué)質(zhì)量，就必須針對(duì)課程自身特點(diǎn)，在教學(xué)中不斷積累和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷引入前沿知識(shí)充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，綜合運(yùn)用各種教學(xué)方法和教學(xué)手段，理論與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，不斷探索和實(shí)踐，努力提高理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的效果，從而適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)的要求。

現(xiàn)代儀器分析;科研型人才;教學(xué)改革

現(xiàn)代儀器分析發(fā)展至今，形成了以電化學(xué)分析、色譜分析、熱分析、光分析及波譜分析為支柱的儀器分析，其內(nèi)涵和外延非常豐富?，F(xiàn)代儀器分析不單純地用于物質(zhì)的定性和定量分析，已成為研究各種化學(xué)理論和實(shí)際問題的重要手段，它對(duì)基礎(chǔ)化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、生物化學(xué)、生命科學(xué)及材料化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展所起到的促進(jìn)作用已毋庸置疑，并從分析化學(xué)的專業(yè)課程轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)、藥學(xué)、生物、環(huán)境及材料等各專業(yè)的基礎(chǔ)課［1-2］。熟悉和掌握各種現(xiàn)代儀器分析的原理和技術(shù)已成為研究生這類科研型人才應(yīng)該具有的基本素質(zhì)，因而現(xiàn)代儀器分析教學(xué)內(nèi)容和方式方法也需要不斷改革與調(diào)整來適應(yīng)這種發(fā)展變化，從而跟上時(shí)代發(fā)展的節(jié)奏。

1 現(xiàn)代儀器分析課程特點(diǎn)及面臨問題

1.1 現(xiàn)代儀器分析課程特點(diǎn)分析

首先，現(xiàn)代儀器分析是一門多學(xué)科交叉、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，內(nèi)容涉及到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域，其中有力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、生物化學(xué)、信息自動(dòng)化、智能化及計(jì)算機(jī)等相關(guān)知識(shí)，涉及專業(yè)面廣，實(shí)踐性和理論性強(qiáng)，再加上原理較為抽象，因此課程內(nèi)容相對(duì)難以理解消化。其次，現(xiàn)代儀器分析的方法多種多樣，儀器類型繁多，隨著科學(xué)技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，已有的分析方法會(huì)不斷發(fā)展更新，同時(shí)新的分析方法還將不斷涌現(xiàn)。因此，從現(xiàn)代儀器分析內(nèi)容之豐富、發(fā)展之迅速的方面來看，所體現(xiàn)出的“與時(shí)俱進(jìn)”特征，是其他化學(xué)基礎(chǔ)課程所少見的鮮明特征之一。最后，無論儀器分析方法和儀器類型如何更新變化，都是在電化學(xué)分析法、色譜法、光學(xué)分析法、熱分析法及質(zhì)譜法的基礎(chǔ)上，結(jié)合各個(gè)時(shí)代科技發(fā)展特點(diǎn)，促進(jìn)新的方法與儀器應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 現(xiàn)代儀器分析課程面臨問題

分析化學(xué)、儀器分析和波譜分析等專業(yè)課已經(jīng)成為很多高等院校的必修課，將現(xiàn)代儀器分析課程納入研究生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課，如果在教學(xué)模式與授課對(duì)象上沒有隨著相應(yīng)轉(zhuǎn)變，將涌現(xiàn)出大量問題［1］:

一些教師對(duì)于教學(xué)方法選擇不當(dāng)，他們將現(xiàn)代儀器分析的課程像本科時(shí)期一樣僅局限在分析方法的原理或籠統(tǒng)地介紹應(yīng)用的范圍這些層面上。針對(duì)研究生這類從事科研工作的人才，通過這些課堂上獲得知識(shí)，不能及時(shí)結(jié)合實(shí)踐來應(yīng)用在自己的科研工作中，則只能將知識(shí)掌握到一知半解的程度。因此產(chǎn)生理論與實(shí)踐的脫節(jié)、原理與儀器的剝離，嚴(yán)重制約著研究生邁入實(shí)驗(yàn)室從事科研的步伐［3］?，F(xiàn)代儀器分析課程所涉及熒光光譜儀、紫外分光光度計(jì)、傅里葉變換紅外光譜分析儀、原子吸收光譜、X -射線單晶衍射儀和粉末多晶衍射儀、質(zhì)譜分析儀等。這些大型儀器均有著造價(jià)高、數(shù)量稀少的特點(diǎn)。

因此，學(xué)生難接觸這些實(shí)物，老師課堂上所描述的工作原理和操作流程僅能在腦海中想象畫面，而不能親身經(jīng)歷與親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。眾所周知，解決任何問題都必須經(jīng)歷以下過程:理論方法、處理過程、結(jié)果分析。現(xiàn)代儀器分析技術(shù)應(yīng)用在解決科研中所遇見的問題時(shí)勢(shì)必經(jīng)歷方法選擇、儀器實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)結(jié)果分析幾個(gè)階段。目前，很多高等院校承擔(dān)現(xiàn)代儀器分析課程的老師都忽視了對(duì)儀器測試結(jié)果分析的相關(guān)軟件的介紹。這方面，沒有專門的課程來傳授，現(xiàn)代儀器課程中僅局限在對(duì)圖的簡單分析，而對(duì)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果到圖的來歷只字不提，如紅外光譜圖、核磁共振圖譜、質(zhì)譜圖等。在用到時(shí)只能自學(xué)這些化學(xué)軟件(如Nuts、Origin、Shelxtl等)，其過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，甚至有時(shí)找不到教學(xué)資料。

2 現(xiàn)代儀器分析教學(xué)改革建議

2.1 優(yōu)化授課內(nèi)容，突出教學(xué)重點(diǎn)

盡管現(xiàn)代儀器分析的方法多種多樣，儀器種類多、更新快，但不少的分析方法和實(shí)驗(yàn)儀器有著相似的原理與特點(diǎn)。為了更好的講解，在教學(xué)的過程中可以將現(xiàn)代儀器分析課程的內(nèi)容分為電化學(xué)分析法、色譜法、光學(xué)分析法、熱分析法、核磁共振波譜法及質(zhì)譜法等幾大系統(tǒng)。在各大系統(tǒng)的講解過程中又可分為:發(fā)展歷程、基本原理、儀器結(jié)構(gòu)、操作流程和注意事項(xiàng)，以及實(shí)際應(yīng)用這五大模塊。將每個(gè)系統(tǒng)分模塊教育的過程中，不僅能使學(xué)生各個(gè)擊破知識(shí)點(diǎn)，又能在這五個(gè)模塊中，側(cè)重地介紹原理和實(shí)踐應(yīng)用這兩大模塊［4］。還可采用比較法的教學(xué)方法，以比較為出發(fā)點(diǎn)，將原理和應(yīng)用等一并講授，使知識(shí)層次分明，條理清楚，學(xué)生感到主線清楚，更容易理解，起到事半功倍的效果。隨著不同類型分析方法的學(xué)習(xí)和同類分析方法學(xué)習(xí)的深入，再結(jié)合理論與實(shí)踐、原理與儀器的融合，讓學(xué)生從中學(xué)會(huì)舉一反三、觸類旁通。

2.2 推進(jìn)實(shí)驗(yàn)改革，提高動(dòng)手能力

現(xiàn)代儀器分析所涉及的儀器都有數(shù)量少和造價(jià)高的特點(diǎn)，而且隨著科技信息化與智能化的發(fā)展，現(xiàn)代儀器改革與更新迅速。針對(duì)這些情況，在課堂的教學(xué)過程中應(yīng)采取相應(yīng)措施:百聞不如一見，無論在課堂上實(shí)驗(yàn)儀器講解的原理多么詳細(xì)、操作流程如何清晰，也沒有親自動(dòng)手完成整個(gè)行程來得實(shí)際。

因此，盡本校所有資源的最大利用率來滿足教，，即使不能每人都動(dòng)手操作，也可以通過實(shí)地觀摩或者老師的操作來深刻地認(rèn)識(shí)和了解本儀器的知識(shí)。對(duì)于本校沒有的現(xiàn)代大型儀器，可以結(jié)合多媒體的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的書面教學(xué)。換句話講，應(yīng)用幻燈片將儀器的操作流程做成視頻，學(xué)生在學(xué)習(xí)觀看的過程中猶如身臨其境，達(dá)到置身在整個(gè)儀器操作過程中的目的。在課程教學(xué)過程中，對(duì)那些更新迅速，處在世界前沿的大型儀器，教師可以利用一些圖片來做簡單地介紹，使研究生了解前沿知識(shí)的同時(shí)跟上時(shí)代的步伐。

2.3 重視數(shù)據(jù)分析，促進(jìn)學(xué)以致用

眾所周知，現(xiàn)代儀器分析是應(yīng)用大型分析儀器做檢測，有時(shí)并不能直接得出所需的結(jié)果。這就需要借助特定的軟件來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化的處理，得出直觀的表格和圖畫，以便形象地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如應(yīng)用核磁共振波譜法獲得有關(guān)化合物分子結(jié)構(gòu)時(shí)，采用脈沖傅里葉變換核磁共振波譜儀(FTNMR)，這一實(shí)驗(yàn)在幾分鐘內(nèi)即可完成。但所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能直接用于分析化合物分子結(jié)構(gòu)，首先需要應(yīng)用Nuts軟件，將實(shí)驗(yàn)所得到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成NMR譜圖，再通過這個(gè)譜圖直觀地分析出化合物分子結(jié)構(gòu)的信息。除此之外，像Origin軟件常常用于將表格轉(zhuǎn)化成圖表，使數(shù)據(jù)的增幅走勢(shì)比較直觀。尤其粉末多晶衍射儀和X-射線單晶衍射儀所涉及的解晶體軟件更是多種多樣。

由此可見，將現(xiàn)代儀器分析課程所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)科研工作中，所需要掌握的學(xué)問領(lǐng)域很廣。一方面，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀數(shù)據(jù)的工作范疇，需要多種多樣的軟件和計(jì)算機(jī)知識(shí)作支撐。故在學(xué)校有條件的情況下，應(yīng)盡可能開設(shè)與現(xiàn)代儀器分析相配套的化工軟件課程，利于學(xué)生今后對(duì)所學(xué)內(nèi)容的學(xué)以致用。另一方面，現(xiàn)代儀器分析課程教學(xué)過程中，盡可能將直觀數(shù)據(jù)分析納入重點(diǎn)，達(dá)到能從中分析出自己所需的信息，或者找出與預(yù)測結(jié)果相悖的原因。

2.4 結(jié)合成功案例，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣

結(jié)合當(dāng)代成功案例以及自己的科研案例，教師在課堂上通過選擇其中典型案例進(jìn)行解剖分析，并組織研究生有針對(duì)地進(jìn)行研究討論，進(jìn)而引導(dǎo)他們從個(gè)別到一般，從具體到抽象，在實(shí)際案例中循序漸進(jìn)地去理解和掌握現(xiàn)代儀器分析方法的原理與試驗(yàn)結(jié)果的分析等。另外，儀器分析是應(yīng)用性學(xué)科，或者說是科研過程中的一種工具手段，與生產(chǎn)實(shí)踐以及生活緊密聯(lián)系。在傳授課程內(nèi)容時(shí)，教師可以適時(shí)地引入當(dāng)時(shí)社會(huì)的熱點(diǎn)事件。比如當(dāng)年三聚氰胺奶粉相關(guān)的知識(shí):奶粉質(zhì)量檢測指標(biāo)之一的蛋白質(zhì)含量測量;通過“凱氏定氮法”測量蛋白質(zhì)的含量，以測定含氮量來估算蛋白質(zhì)的含量;現(xiàn)代儀器分析的多種分析方法綜合應(yīng)用，來推測出三聚氰胺的化學(xué)式以及含氮量。針對(duì)地溝油的分析學(xué)習(xí)，也涉及到很多儀器分析法。

2.5 用多媒體教學(xué)，使內(nèi)容形象化

針對(duì)現(xiàn)代儀器分析理論教學(xué)內(nèi)容上抽象、繁瑣的特點(diǎn)，結(jié)合多媒體技術(shù)，在授課的PPT中通過添加大量新型儀器的原理剖視圖和模擬視頻的展示，使學(xué)生對(duì)相關(guān)的儀器有較為形象直觀的認(rèn)識(shí)了解。這種方式不僅可以吸引學(xué)生，新型儀器原理剖視圖的展示讓學(xué)生對(duì)分析方法的原理產(chǎn)生深刻認(rèn)識(shí)，他們還能從模擬視頻中獲得操作流程的知識(shí)，學(xué)習(xí)和掌握后達(dá)到學(xué)以致用的目的。

總之，運(yùn)用多媒體教學(xué)技術(shù)，對(duì)理論內(nèi)容和儀器操作進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、交互式的學(xué)習(xí)，以直觀立體的授課方式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.6 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，加強(qiáng)師生互動(dòng)

信息化、網(wǎng)絡(luò)化紛呈的21世紀(jì)，大學(xué)教師應(yīng)該緊跟時(shí)代的潮流，順應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展，學(xué)會(huì)將這些高科技的網(wǎng)絡(luò)化成果應(yīng)用在自己的實(shí)踐教學(xué)中來。比如QQ軟件、微博、小木蟲和其他聊天軟件，不僅教師與學(xué)生共聚一堂各抒己見來延長課堂上的寶貴時(shí)間，還能討論學(xué)術(shù)知識(shí)和求助科研中遇到的問題。另外，從另一層次來看也打破一屆為師的局面，即促進(jìn)各屆學(xué)生間交流，在長期的交流與互動(dòng)過程中建立和諧的師生關(guān)系。因此要積極探索拓寬師生交往的渠道與方式，從制度上保證師生有一定的交往頻率，使師生的思想在交往中交流、碰撞和整合。

3 結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)代儀器分析課程是多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域開展工作不可或缺的工具，儀器的最大價(jià)值就是使用。作為教師，教學(xué)的目的是為了讓研究生掌握分析方法的原理知識(shí)和儀器的操作技能，同時(shí)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)以致用的能力。實(shí)踐證明，通過采用理論與實(shí)驗(yàn)協(xié)同教學(xué)、多媒體與成功案例融入課程、數(shù)據(jù)處理軟件和師生互動(dòng)走進(jìn)教學(xué)課程，可以使學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力在開放性實(shí)驗(yàn)中得到極大的鍛煉，為后續(xù)的科研、工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］ 李永峰，余 林，郝志峰.現(xiàn)代儀器分析課程教學(xué)改革的探索［J］.廣東化工，2010，37(9):167.

［2］ 劉志廣.儀器分析［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［3］ 閆立東，張美玲，張愛紅.現(xiàn)代儀器分析課程教學(xué)改革的研究［J］.山東化工，2013，42(9):151-152.

［4］ 鄧建新.《現(xiàn)代儀器分析》課程教學(xué)方法探索［J］.南方醫(yī)學(xué)教育，2013，(3):17.

［5］ 黃 凌.淺談分析化學(xué)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)——以“酸堿滴定法”教學(xué)實(shí)踐為例［J］.廣東化工，2011，38(6): 262.

G642.0

B

1003-3467(2014)12-0055-03

2014-10-11

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(21371156)

李郤里(1965-)，男，博士，副教授，從事化學(xué)專業(yè)教學(xué)、晶態(tài)無機(jī)功能材料研究工作，電話:(0371)86609676。