淺談衛(wèi)生化學(xué)中高端儀器分析的教學(xué)建議

王和興

（復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，上海 200032）

淺談衛(wèi)生化學(xué)中高端儀器分析的教學(xué)建議

王和興

（復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，上海 200032）

為更好地適應(yīng)公共衛(wèi)生分析領(lǐng)域發(fā)展要求，有效介紹高端儀器分析成為衛(wèi)生化學(xué)教學(xué)中需要思考的問題。從理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)出發(fā)，提出傳統(tǒng)教學(xué)方法的注意點(diǎn)和當(dāng)前備受關(guān)注的新教學(xué)方法，包括對分課堂、翻轉(zhuǎn)課堂和開放實(shí)驗(yàn)室，以提高衛(wèi)生化學(xué)中高端儀器分析教學(xué)效果。

公共衛(wèi)生；衛(wèi)生化學(xué)；儀器分析

公共衛(wèi)生的根本目的是保障和促進(jìn)人群健康。水、空氣、土壤、化妝品、食品等中存在大量對人體有益或有害的化學(xué)物質(zhì)，與人類健康息息相關(guān)。確定這些化學(xué)物質(zhì)在水、空氣、食品或人體中的存在和含量是研究其對人群健康影響的關(guān)鍵一步。為此，衛(wèi)生化學(xué)學(xué)科在公共衛(wèi)生基礎(chǔ)教育中應(yīng)運(yùn)而生。它是分析化學(xué)與預(yù)防醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科，以分析化學(xué)的基本理論和實(shí)驗(yàn)技能為基礎(chǔ)，主要研究預(yù)防醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中與健康相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)[1]。衛(wèi)生化學(xué)的發(fā)展取決于分析化學(xué)的進(jìn)步和預(yù)防醫(yī)學(xué)的需要，同時(shí)也為預(yù)防醫(yī)學(xué)研究提供新技術(shù)手段和方法。因此，衛(wèi)生化學(xué)在公共衛(wèi)生基礎(chǔ)教育體系中占有重要地位。

早期的衛(wèi)生化學(xué)教學(xué)內(nèi)容以化學(xué)分析為主，涉及大量中學(xué)化學(xué)知識，學(xué)生并不感到陌生，教學(xué)相對容易。近年來，隨著儀器制造技術(shù)的進(jìn)步和預(yù)防醫(yī)學(xué)研究內(nèi)容的轉(zhuǎn)變，所分析的化學(xué)物質(zhì)，尤其是有機(jī)物大量增多，樣品基質(zhì)也越趨復(fù)雜，且含量越來越低，分析內(nèi)容已經(jīng)由過去以化學(xué)分析為主過渡到儀器分析為主，尤其是高端儀器分析[2]。然而，目前關(guān)于儀器分析的教學(xué)，絕大部分高校仍停留在單純基本理論介紹層面，學(xué)生之前對分析儀器，尤其是高端分析儀器接觸較少，加之儀器分析知識點(diǎn)獨(dú)立、理論較抽象，難以理解；同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)往往是機(jī)少人多，多以示教為主，學(xué)生動手機(jī)會不多。這些因素共同導(dǎo)致學(xué)生課上注意力不集中，學(xué)習(xí)熱情不高，難以培養(yǎng)其獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力[3]。為更好地適應(yīng)公共衛(wèi)生分析領(lǐng)域發(fā)展要求，培養(yǎng)合格的公共衛(wèi)生人才，有效介紹高端儀器分析的基本理論、構(gòu)造和使用成為高校衛(wèi)生化學(xué)教學(xué)中需要思考的問題。為此，本文淺談高校衛(wèi)生化學(xué)教學(xué)中高端儀器分析的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)建議，以期提高教學(xué)效果。

1 理論教學(xué)

公共衛(wèi)生領(lǐng)域涉及的分析內(nèi)容主要是各種環(huán)境或食品介質(zhì)和生物樣本中的化學(xué)物質(zhì)，可分為無機(jī)元素和有機(jī)物。無機(jī)元素分析涉及的高端儀器分析包括原子吸收分光光度法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法和電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)等，而有機(jī)物涉及的高端儀器分析包括氣相色譜法、液相色譜法、氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)和液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)等。下面以氣相色譜分析為例，介紹3種常見的理論教學(xué)方法。

1.1 講授法

講授法是用教師“講”、學(xué)生“聽”來傳遞信息的傳統(tǒng)教學(xué)方法，其特點(diǎn)是時(shí)效快、通用性強(qiáng)、傳遞信息量大，但該教學(xué)方法是單向的知識傳輸，強(qiáng)調(diào)教師的作用，忽視教學(xué)過程中學(xué)生的參與[4]。為保證教學(xué)效果，教師課前要求學(xué)生預(yù)習(xí)氣相色譜的基本理論，如踏板理論、速率理論等，同時(shí)了解定性、定量分析的依據(jù)以及氣相色譜分類等，讓學(xué)生帶著問題參與教學(xué)活動；教師課上需對如何理解踏板理論、速率理論以及如何從理論中推導(dǎo)出定性、定量分析的依據(jù)等難點(diǎn)進(jìn)行集中講授，同時(shí)通過圖片或視頻方式展示化學(xué)物質(zhì)在氣相色譜中的分離和檢測過程，多舉一些與日常生活較為接近的使用氣相色譜分析的例子，并采用提問等方式增加師生互動，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性；課后通過有針對性地布置作業(yè)，讓學(xué)生進(jìn)一步鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容，并對學(xué)生作業(yè)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行解答，以提高教學(xué)效果。

1.2 對分課堂

對分課堂是近年來由復(fù)旦大學(xué)心理系張學(xué)新教授提出的一種針對我國學(xué)生實(shí)際情況的教學(xué)方法。其核心理念是把一半課堂時(shí)間交由教師講授，另一半交給學(xué)生進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)，使學(xué)生有充分理解所學(xué)知識的時(shí)間。張學(xué)新教授把教學(xué)過程分為時(shí)間上清晰的3個(gè)過程，分別為講授（Presentation）、內(nèi)化吸收（Assimilation）和討論（Discussion），由此對分課堂也簡稱為PAD課堂[5]。在氣相色譜教學(xué)中，可安排4學(xué)時(shí)，前兩個(gè)學(xué)時(shí)用于課堂講授，教師需對氣相色譜內(nèi)容框架、基本概念、基本理論、難點(diǎn)和應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行集中講解，同時(shí)給出氣相色譜對分課堂的安排、要求和討論方式，之后留出一周左右時(shí)間，讓學(xué)生理解教師所講授的內(nèi)容，查閱資料，深入學(xué)習(xí)，內(nèi)化吸收；后面兩學(xué)時(shí)在教師安排下學(xué)生5～6人一組進(jìn)行討論，要求在組內(nèi)討論遇到的各種問題，匯總問題后，進(jìn)行組間討論，要求每組至少提出兩個(gè)他們覺得理解很透徹的知識點(diǎn)或新思路向其他組提問，至少提出兩個(gè)他們感覺理解不清楚的知識點(diǎn)向其他組求助。教師需保證討論順利而有效進(jìn)行，避免討論偏離主題或在某一問題上糾纏過久，并關(guān)注問題是否及時(shí)正確解決。對分課堂既保留了傳統(tǒng)講授法的精華，保證知識傳遞的系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性，又發(fā)揮了討論式課堂的優(yōu)勢，增加師生、生生互動交流，加強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，提升了學(xué)習(xí)效果。此外，對分課堂是對教學(xué)流程的改革，投入少，是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的教學(xué)方法。

1.3 翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂最初構(gòu)想源于2007年美國兩位化學(xué)教師的嘗試，2011年得益于可汗學(xué)院的推動，現(xiàn)已成為全球教育界備受矚目的新型教學(xué)模式[6]。翻轉(zhuǎn)課堂是以信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)為平臺，顛倒傳統(tǒng)教學(xué)課前課后順序的逆向教學(xué)，是課前教師提供以視頻為主的學(xué)習(xí)資源，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，課上師生面對面交流、完成作業(yè)和總結(jié)評價(jià)的一種教學(xué)方法。在氣相色譜教學(xué)中，課前教師需將氣相色譜的概念、基本理論、定性及定量依據(jù)、各組成部分及功能、分類、應(yīng)用實(shí)例等知識點(diǎn)制作成微課視頻，根據(jù)氣相色譜學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)安排作業(yè)，給出進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)氣相色譜的網(wǎng)絡(luò)資源、書刊等，要求學(xué)生課前自主安排時(shí)間學(xué)習(xí)，并完成作業(yè)；同時(shí)教師通過網(wǎng)絡(luò)收集學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程中遇見的問題，并關(guān)注其作業(yè)完成情況，評價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果。課上，教師通過互動式、探討式、小組合作式等以學(xué)生為主體的活動，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)過程中遇到的各種問題。值得注意的是關(guān)鍵知識點(diǎn)可在作業(yè)中以問題方式提出。例如，氣相色譜為什么能實(shí)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)的分離？氣相色譜的踏板理論和速率理論如何解釋氣相色譜的分離行為？可用一個(gè)比喻來描述氣相色譜的分離過程嗎？翻轉(zhuǎn)課堂既能發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)自主管理、交流溝通和獨(dú)立思考等多方面能力，又能增強(qiáng)教師在教學(xué)中的主動性，并且要求教師具備更多的技能，如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的使用、微課視頻的制作等，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長。翻轉(zhuǎn)課堂要求學(xué)生具有較強(qiáng)的自學(xué)能力和自律性，以自主完成主要學(xué)習(xí)任務(wù)。因此在翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)踐初期，需要遵循循序漸進(jìn)原則，對于學(xué)習(xí)態(tài)度消極、學(xué)習(xí)能力較差的學(xué)生給予更多幫助。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

鑒于高端儀器分析主要包括無機(jī)元素和有機(jī)物分析，建議在這兩類物質(zhì)的儀器分析中，至少分別進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如原子吸收分光光度法與氣相色譜法。若儀器條件滿足，則可進(jìn)一步開展質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)和液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)。下面以氣相色譜分析為例，介紹兩種常見的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是通過教師先講解和演示，再指導(dǎo)學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)規(guī)范完成實(shí)驗(yàn)，最后總結(jié)并給予評價(jià)的過程[7]。這種教學(xué)方法雖能讓學(xué)生較快地掌握基本實(shí)驗(yàn)技能，但難以培養(yǎng)其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果能力，不利于啟發(fā)思維、激發(fā)學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。為彌補(bǔ)這些缺陷，實(shí)驗(yàn)課前教師需根據(jù)儀器的配置特點(diǎn)，編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，制定實(shí)驗(yàn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并發(fā)給學(xué)生要求其預(yù)習(xí)；教師需結(jié)合課堂所講理論知識，介紹儀器構(gòu)造，演示實(shí)驗(yàn)過程，如解釋氣相色譜進(jìn)樣口的構(gòu)造如何實(shí)現(xiàn)密封，防止空氣損傷色譜系統(tǒng)，利用真實(shí)色譜柱講解色譜柱的構(gòu)造、類型，以及如何選擇色譜柱的長度、內(nèi)徑和固定液的厚度，同時(shí)結(jié)合踏板理論、速率理論啟發(fā)式解釋這些參數(shù)與分離效果的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)過程中，教師需監(jiān)督實(shí)驗(yàn)過程，做好實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)，及時(shí)解決學(xué)生遇到的各種問題，同時(shí)做好安全工作；在獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，對照真實(shí)的氣相色譜圖，可采用提問方式解釋色譜的基本概念，如保留時(shí)間、峰寬、踏板高度和分離度等，并要求學(xué)生盡快完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。值得注意的是由于高端分析儀器價(jià)格及維護(hù)費(fèi)用昂貴，一般只會配置1～2臺，數(shù)量少。因此，建議將學(xué)生3～5人一組分為多個(gè)小組，每組完成一個(gè)完整實(shí)驗(yàn)或分別完成一個(gè)周期較長實(shí)驗(yàn)的一部分，如空氣中苯系物的采集、氣相色譜的操作等，保證每位學(xué)生都有動手機(jī)會；也可以多個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)開展，不同小組同時(shí)完成不同實(shí)驗(yàn)，既保證學(xué)生都有動手機(jī)會，又縮短實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間，提高儀器使用效率。

2.2 開放實(shí)驗(yàn)室平臺

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法相比，開放性實(shí)驗(yàn)室讓學(xué)生有更多的自主性，有利于培養(yǎng)其學(xué)習(xí)興趣，較好解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的一些問題，是當(dāng)前備受關(guān)注的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[8]。開放實(shí)驗(yàn)室平臺包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備和管理制度兩方面內(nèi)容，前者指開放的儀器等硬件，后者指如何管理維護(hù)儀器和學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的規(guī)章制度等軟件。一般來說，由于學(xué)生不熟悉高端儀器，因此進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前需要經(jīng)過培訓(xùn)，才能獲得上機(jī)資格?？梢圆扇【W(wǎng)上預(yù)約實(shí)驗(yàn)方式，在管理人員審核學(xué)生實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和具備上機(jī)能力之后，方可開始實(shí)驗(yàn)。由于高端儀器往往是專人專管，機(jī)多人少，單靠實(shí)驗(yàn)管理人員難以承擔(dān)開放實(shí)驗(yàn)室對時(shí)間、精力的要求，因此，可以考慮采用“學(xué)生助崗，教師負(fù)責(zé)”方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室管理[9]。對于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以針對每類儀器開發(fā)多個(gè)不同方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生根據(jù)興趣選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對于氣相色譜，可以開發(fā)如空氣中苯系物、水或食品中農(nóng)藥殘留等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。教師可以結(jié)合自己的研究方向，面向有科研興趣的學(xué)生，設(shè)計(jì)一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，將科研和教學(xué)結(jié)合起來。開放實(shí)驗(yàn)室對學(xué)生、教師、實(shí)驗(yàn)室管理、硬件設(shè)施等方面的要求較高，只有當(dāng)學(xué)生自覺性、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編寫、師資配置、各項(xiàng)操作規(guī)程和管理程序等達(dá)到一定水平時(shí)，開放實(shí)驗(yàn)室才能起到應(yīng)有的作用。

3 結(jié)語

當(dāng)前高端儀器分析已經(jīng)成為公共衛(wèi)生領(lǐng)域的主要分析方法之一。在公共衛(wèi)生教育中，高端儀器學(xué)習(xí)是培養(yǎng)綜合性衛(wèi)生人才的重要內(nèi)容。理論教學(xué)有利于學(xué)生對知識深入思考，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)則有利于將理論知識與實(shí)踐結(jié)合起來，是對理論教學(xué)的重要補(bǔ)充，兩者相互促進(jìn)，共同實(shí)現(xiàn)對學(xué)生創(chuàng)新能力、綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)。在實(shí)際教學(xué)中，鑒于不同的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法具有不同的特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體情況，如學(xué)生知識及學(xué)習(xí)背景，學(xué)校網(wǎng)絡(luò)、儀器硬件設(shè)施和師資配置等情況，因地制宜，因材施教，采用不同教學(xué)方法，提高教學(xué)效果。

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G420

B

1671-1246（2017）01-0065-03

注：本文系上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（16ZR1403400）