結(jié)合科研改進(jìn)非化學(xué)專業(yè)學(xué)生原子吸收實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

馮雪松, 吳衛(wèi)兵

(1. 武漢大學(xué) 測(cè)試中心, 湖北 武漢 430072； 2. 武漢大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處, 湖北 武漢 430072)

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結(jié)合科研改進(jìn)非化學(xué)專業(yè)學(xué)生原子吸收實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

馮雪松1, 吳衛(wèi)兵2

(1. 武漢大學(xué) 測(cè)試中心, 湖北 武漢 430072； 2. 武漢大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處, 湖北 武漢 430072)

比較了在儀器分析教學(xué)中,化學(xué)專業(yè)學(xué)生和非化學(xué)專業(yè)學(xué)生教學(xué)的不同點(diǎn),以原子吸收教學(xué)為例,提出和科研課題相結(jié)合的教學(xué)培訓(xùn)方法,以用為主,培訓(xùn)學(xué)生自主獨(dú)立上機(jī),圍繞這個(gè)目的,通過(guò)溝通、查閱資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、樣品前處理、上機(jī)操作、數(shù)據(jù)處理等方面的內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性和獨(dú)立性。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室、靈活安排教學(xué)時(shí)間,提高學(xué)生的科研能力。

結(jié)合科研； 原子吸收； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

儀器分析是解決生命、化學(xué)及相關(guān)學(xué)科科研問(wèn)題的重要手段,儀器分析課程能系統(tǒng)地培訓(xùn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能,并掌握儀器的基本知識(shí)、使用方法,了解不同儀器與自己所從事的專業(yè)方向的相關(guān)性,可以有針對(duì)性并準(zhǔn)確地為其研究方向提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持[1-2]。該課的開(kāi)設(shè),可以培養(yǎng)創(chuàng)新及復(fù)合型人才,做到一專多能[3-4]。儀器分析中的一個(gè)分支“原子吸收光譜法”(atomic absorption spectroscopy,AAS),是基于氣態(tài)的基態(tài)原子外層電子對(duì)紫外光和可見(jiàn)光范圍的相對(duì)應(yīng)原子共振輻射線的吸收強(qiáng)度來(lái)定量被測(cè)元素含量為基礎(chǔ)的分析方法,是一種測(cè)量特定氣態(tài)原子對(duì)光輻射吸收的方法。此法是上世紀(jì)50年代中期出現(xiàn)并在以后逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型的儀器分析方法,它在地質(zhì)、冶金、機(jī)械、化工、農(nóng)業(yè)、食品、輕工、生物醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)、材料科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。該法主要適用于樣品中微量、痕量甚至超痕量組分分析。目前,大部分高校儀器分析課程都開(kāi)設(shè)有原子吸收光譜分析課程,并配套實(shí)驗(yàn)教學(xué)[5]。

近年,武漢大學(xué)在理工科各領(lǐng)域取得了引人注目的快速發(fā)展,完成了一大批與世界前沿接軌的科研成果,獲得包括“863”“973”、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目等千余項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的資助。這些項(xiàng)目涉及的領(lǐng)域極其廣泛,越來(lái)越多的課題組需要使用原子吸收光譜分析這樣的手段對(duì)自己的研究課題進(jìn)行表征,使用到原子吸收光譜儀的院系涉及化學(xué)學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院、物理學(xué)院、水利水電學(xué)院、土建學(xué)院、動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院、資環(huán)學(xué)院、藥學(xué)院、醫(yī)學(xué)院等,這些院系大部分沒(méi)有開(kāi)設(shè)儀器分析課程,學(xué)生對(duì)原子吸收光譜儀基本沒(méi)有接觸過(guò),但他們又有很多課題需要使用原子吸收光譜儀。針對(duì)以上需求,武漢大學(xué)測(cè)試中心原子吸收室每年都針對(duì)全校相關(guān)院系開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,并對(duì)用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技能教學(xué)和培訓(xùn),使之能獨(dú)立上機(jī)操作并達(dá)到良好的效果。

1 非化學(xué)專業(yè)與化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的區(qū)別

在化學(xué)專業(yè)本科生的儀器分析教學(xué)中,主要著眼于理論教學(xué)[6],重點(diǎn)讓學(xué)生掌握的是儀器的基本原理、應(yīng)用方向及儀器的基本操作方法,實(shí)驗(yàn)課往往課時(shí)少、內(nèi)容枯燥。通常采取的是教師講解演示、設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案、配制好實(shí)驗(yàn)用溶液、學(xué)生提問(wèn)并上機(jī)操作的方式。在原子吸收的教學(xué)中,在通過(guò)幾次理論課的學(xué)習(xí)后,會(huì)安排3～4次實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課,主要熟悉儀器的原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用范圍,并選擇幾個(gè)典型基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),教會(huì)學(xué)生如何選擇實(shí)驗(yàn)條件、如何操作儀器、如何進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到需要的結(jié)果。由于大型儀器比較貴重,高校不可能購(gòu)置很多臺(tái)來(lái)供學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用,每一個(gè)學(xué)生的上機(jī)時(shí)間非常有限,并且現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和生活及科研實(shí)際結(jié)合的不夠緊密,使得大部分學(xué)生興趣不足,機(jī)械完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程,實(shí)驗(yàn)效果不理想[7-8]。

武漢大學(xué)踐行“人才培養(yǎng)為本,本科教育是根”的辦學(xué)理念,試點(diǎn)本碩博貫通式培養(yǎng),因此很多本科生提前進(jìn)入科研團(tuán)隊(duì),跟隨導(dǎo)師進(jìn)行科學(xué)研究,這就形成了許多非化學(xué)專業(yè)的本科生需要學(xué)習(xí)并使用大型儀器的局面,而這部分學(xué)生分析化學(xué)等方面的知識(shí)儲(chǔ)備相對(duì)薄弱[9],對(duì)他們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能僅僅局限在了解儀器的基本原理及應(yīng)用領(lǐng)域,他們需要的是能夠憑借儀器分析來(lái)解決科研中的實(shí)際問(wèn)題,即“?！倍皇恰胺骸?。這就要求培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能,以用為主,能自主獨(dú)立上機(jī),也就是以實(shí)驗(yàn)室教學(xué)為主、課堂傳授為輔,并能有效結(jié)合科研課題進(jìn)行儀器分析實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)合科研課題,培養(yǎng)學(xué)生興趣

興趣是最好的老師,只有學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了興趣,才會(huì)積極主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中。帶著自己科研任務(wù)來(lái)學(xué)習(xí)原子吸收的相關(guān)知識(shí),學(xué)生會(huì)有很高的參與感和責(zé)任感,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)和自己的研究要解決的問(wèn)題息息相關(guān),并且要為自己的課題提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),學(xué)生學(xué)起來(lái)不會(huì)敷衍了事。指導(dǎo)教師通過(guò)和學(xué)生討論他們的科研課題,了解其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要得到的結(jié)果,可以有針對(duì)性地制訂其專屬的教學(xué)方案。本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)選取的是生命科學(xué)學(xué)院跟隨導(dǎo)師進(jìn)行水稻遺傳學(xué)研究的10名本科生。

2.1 實(shí)驗(yàn)前期充分準(zhǔn)備

由于生命科學(xué)學(xué)院沒(méi)有專門(mén)的儀器分析課程,學(xué)生對(duì)原子吸收毫無(wú)了解,指導(dǎo)教師根據(jù)課題組實(shí)際情況,首先制訂出科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案,并根據(jù)方案給學(xué)生一周的時(shí)間查閱文獻(xiàn)、撰寫(xiě)文獻(xiàn)小結(jié),使學(xué)生初步了解原子吸收取樣、制樣、分析方法的建立、實(shí)驗(yàn)條件的選擇、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理、趨勢(shì)分析等方方面面的問(wèn)題,這一過(guò)程可以很好地提高學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力和分析問(wèn)題的能力。由于學(xué)生來(lái)自生命科學(xué)學(xué)院,掌握分析化學(xué)知識(shí)的程度較弱,需要專門(mén)拿出一節(jié)課的時(shí)間培訓(xùn)學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本技能,包括實(shí)驗(yàn)室安全、玻璃儀器的識(shí)別和使用規(guī)則、小型儀器的操作方法、各種試劑使用的注意事項(xiàng)等,使其能夠掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本技能。學(xué)生掌握了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一般技能后,再拿出一節(jié)課的時(shí)間講解儀器的基本原理、儀器結(jié)構(gòu)、軟件的使用、分析方法的建立以及如何處理數(shù)據(jù),以PPT演示為主、操作儀器為輔,學(xué)生課后可以根據(jù)課件進(jìn)一步學(xué)習(xí),使學(xué)生可以基本掌握儀器的操作方法，夯實(shí)了學(xué)生進(jìn)入真正實(shí)驗(yàn)的基本功。

2.2 學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

在經(jīng)過(guò)一系列前期準(zhǔn)備后進(jìn)入真正的實(shí)驗(yàn)階段。學(xué)生的科研課題與水稻相關(guān),需要測(cè)定糙米中鉛、鎘、鋅、鐵的含量,并且要跟蹤測(cè)定2季水稻,同時(shí)比較不同地區(qū)種植的水稻中金屬元素含量的差別及與土壤環(huán)境的相關(guān)性。學(xué)生在查閱文獻(xiàn)階段互通有無(wú),遇到問(wèn)題積極討論,和指導(dǎo)教師及時(shí)溝通,充分發(fā)揮了他們的主觀能動(dòng)性,學(xué)會(huì)了思考、討論、評(píng)估及有效交流。為了改變傳統(tǒng)的由教師提供實(shí)驗(yàn)方案、學(xué)生機(jī)械照做,難以達(dá)到提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的不足,本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)采取學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的方式,因此,學(xué)生需要詳盡考慮實(shí)驗(yàn)所需要的試劑、關(guān)鍵條件、影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的因素、實(shí)驗(yàn)步驟等。經(jīng)過(guò)上述過(guò)程,可以很好地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析解決問(wèn)題的能力,為以后的科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

2.3 采取分組的形式培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神

通過(guò)前期查閱資料,學(xué)生已經(jīng)了解到要上機(jī)測(cè)定稻米中微量元素的含量,必須對(duì)樣品進(jìn)行前處理。前處理的方法包括常規(guī)電熱板消解法和微波消解法。常規(guī)電熱板消解法成熟簡(jiǎn)易,但微波消解技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的樣品的前處理方法,幾乎可以消解任何樣品,具有快速、樣品不易損失的特點(diǎn),是一種高效便捷的樣品處理方法[10]。因此把10名學(xué)生分為4組,每組2～3名學(xué)生,2組采用常規(guī)消解法,另2組采用微波消解法,以便于比較2種前處理方法的優(yōu)劣,從而確定最優(yōu)方案。組員之間有分工有合作,組與組之間對(duì)于各自遇到的問(wèn)題和難點(diǎn)及時(shí)溝通、相互學(xué)習(xí)、商討解決,提高了團(tuán)隊(duì)合作的精神,大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。

在整個(gè)過(guò)程中,學(xué)生始終是主體,由他們主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程,教師隨時(shí)了解出現(xiàn)的問(wèn)題,及時(shí)給予糾正,提出合理化建議,保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。樣品處理完成后,在教師的引導(dǎo)下,由學(xué)生自主編輯分析程序、優(yōu)化各個(gè)元素的測(cè)定條件,如火焰原子吸收法的燃?xì)夂椭細(xì)饬髁?、燃燒頭高度和進(jìn)樣量(由于本中心的原子吸收光譜儀為德國(guó)耶拿公司生產(chǎn)的高靈敏度連續(xù)光源原子吸收光譜儀,無(wú)需選擇光譜帶寬和燈電流的大小)以及石墨爐原子吸收法的灰化溫度、原子化溫度、基體改進(jìn)劑的使用等。鼓勵(lì)學(xué)生探討原子吸收光譜消除干擾的方法,使學(xué)生對(duì)原子吸收光譜分析法中的化學(xué)干擾、物理干擾、電離干擾、光譜干擾、基體干擾有充分的認(rèn)識(shí),并能提出解決方案,提高了理論水平并解決了科研中的實(shí)際問(wèn)題。

2.4 引入比對(duì)教學(xué),驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性,采取了以下幾種比對(duì)實(shí)驗(yàn)方法:與稻米標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)照、回收率實(shí)驗(yàn)、平行樣品的測(cè)定、同一預(yù)處理方法小組間實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)、不同預(yù)處理方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)、和等離子體發(fā)射光譜的比對(duì)(鐵、鋅的測(cè)定),結(jié)果證明2種預(yù)處理方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)顯著差異,實(shí)驗(yàn)取得了良好的效果,獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。但微波消解對(duì)于大量樣品的前處理有快速、準(zhǔn)確、試劑消耗量小的明顯優(yōu)勢(shì),在有條件的實(shí)驗(yàn)室可以推廣使用。在扣除空白后,對(duì)大量數(shù)據(jù)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行處理,總結(jié)出數(shù)據(jù)的趨勢(shì),對(duì)比2季樣品的檢測(cè)結(jié)果,得到的趨勢(shì)基本相同。另外,科學(xué)采樣對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的影響也不容忽視。以上結(jié)論,在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中均有體現(xiàn)。

3 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,增加創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和獨(dú)立能力的學(xué)生,是高等學(xué)校教育的首要任務(wù)。我校測(cè)試中心為了能培養(yǎng)出具有開(kāi)拓創(chuàng)新精神、能獨(dú)立思考、能充分利用分析儀器為科學(xué)研究提供強(qiáng)有力支撐的復(fù)合型人才,在全校范圍內(nèi)開(kāi)展儀器分析高層次人才的教學(xué)培訓(xùn),實(shí)行開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室管理[11]。對(duì)于原子吸收實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō),培訓(xùn)的學(xué)生涉及很多院系和研究方向,比如資源與環(huán)境學(xué)院主要研究方向有固體廢物處理、土壤修復(fù),土木與建筑工程學(xué)院研究方向有工程項(xiàng)目對(duì)土壤環(huán)境的影響,基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部的病理研究等?？傊?涉及的領(lǐng)域眾多,需要根據(jù)不同的研究方向制訂有針對(duì)性的教學(xué)培訓(xùn)方案,切實(shí)改進(jìn)和加強(qiáng)該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4 充分利用信息化平臺(tái),提高教學(xué)效率

雖然研究方向不盡相同,但是在原子吸收光譜分析法的學(xué)習(xí)中有共通性,因此,通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)使各個(gè)院系的學(xué)生建立聯(lián)系(比如建立微信群)[12],學(xué)生彼此可以討論遇到的問(wèn)題,分享自己的實(shí)驗(yàn)心得,共同進(jìn)步。原子吸收室實(shí)行開(kāi)放管理,學(xué)生預(yù)約自主上機(jī),教師為了能夠充分利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備,對(duì)不同的學(xué)生交叉安排時(shí)間,使實(shí)驗(yàn)室和儀器得到了科學(xué)高效利用,對(duì)于能熟練設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、上機(jī)操作、取得滿意結(jié)果的學(xué)生，經(jīng)考核合格發(fā)放上機(jī)證。取得上機(jī)證極大地促進(jìn)了學(xué)生的積極性,并在以后就業(yè)時(shí)增加了擁有技能的籌碼。

5 教學(xué)培訓(xùn)效果評(píng)價(jià)

在本次非化學(xué)專業(yè)學(xué)生原子吸收光譜法教學(xué)中,通過(guò)幾個(gè)方面來(lái)考察實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)效果:實(shí)驗(yàn)前文獻(xiàn)的查閱及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的主動(dòng)性、創(chuàng)新性、科學(xué)性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性；實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理的正確性及合理性。結(jié)果是所有學(xué)生均能積極主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)并相互討論,認(rèn)真把控每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟。由于進(jìn)行了比對(duì)教學(xué),使參與的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中都極為認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn),鍛煉了他們從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)到數(shù)據(jù)處理的能力,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪芰?為科研提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)和良好的技術(shù)支撐。

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Combining scientific research to improve experimental teaching method of atomic absorption for students in non-chemical majors

Feng Xuesong1, Wu Weibing2

(1. Analysis and Testing Center, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. Laboratory and Equipment Management Department, Wuhan University, Wuhan 430072,China)

Comparing the differences in Instruments Analysis Teaching between chemical major courses and non-chemical major courses on the teaching cases of Atomic Absorption Spectroscopy, this article presents the teaching method combined with the scientific research topic. Based on practice, this method aims to train the students’ individual working ability and establishes students’ creativity and independency via communication, research, experimental design, sample pretreatment, computer operation, data processing, etc. This method also aims to set free access to laboratory, make flexible arrangements of teaching timetable and improve students’ ability of scientific research.

combining scientific research; atomic absorption; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.055

實(shí)驗(yàn)課程改革

2016-07-15 修改日期：2016-07-25

馮雪松(1968—)，女(壯族),廣西南寧,碩士,實(shí)驗(yàn)師,主要從事儀器分析及實(shí)驗(yàn)室管理工作.

E-mail：xsfeng@whu.edu.cn

G642.423

B

1002-4956(2016)11-0213-03