環(huán)境科學(xué)專業(yè)現(xiàn)代儀器分析課程的應(yīng)用性課程改革

高毅+李元娜+許仁鑫+王丹

（安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230601）

摘要：現(xiàn)代儀器分析課程是環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)生重要的專業(yè)課程，為了提高教學(xué)質(zhì)量，更好的培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)、專題化教學(xué)體系，我們開展了該課程的應(yīng)用性課程改革。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代儀器分析；應(yīng)用型課程；虛擬仿真

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）21-0147-02

傳統(tǒng)儀器分析是分析化學(xué)學(xué)科的重要分支，它主要利用比較特殊或復(fù)雜的儀器設(shè)備，通過測量物質(zhì)某些物理或物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)及其變化（如磁學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)等）來獲取物質(zhì)的化學(xué)組成、組分含量以及化學(xué)結(jié)構(gòu)等信息。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是生命科學(xué)、材料學(xué)、空間科學(xué)取得了突破性進(jìn)步，逐漸形成了綜合化學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、地學(xué)等學(xué)科的現(xiàn)代儀器分析。對于環(huán)境學(xué)科來說現(xiàn)代儀器分析是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容在環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程、環(huán)境化學(xué)、環(huán)境管理學(xué)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)等課程中都有涉及，同時(shí)具有這方面知識對于學(xué)生畢業(yè)從事環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程工作及環(huán)境科學(xué)研究均具有重要的指導(dǎo)意義。作為一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程，現(xiàn)代儀器分析是各種理論知識與應(yīng)用技術(shù)的連接橋梁。在教學(xué)中如能將更多的實(shí)際應(yīng)用案例加入到教學(xué)實(shí)踐中，必將極大的提升課程教學(xué)質(zhì)量。筆者長期從事大型儀器管理的一線工作，熟識各類儀器設(shè)備的原理、應(yīng)用、維護(hù)等知識，在承擔(dān)的現(xiàn)代儀器分析課程中開展了應(yīng)用型教學(xué)的探索和改革。

一、傳統(tǒng)儀器分析課程教學(xué)中存在的不足

現(xiàn)代儀器分析課程主要任務(wù)是學(xué)習(xí)有關(guān)先進(jìn)儀器的基本原理、掌握儀器操作技能及熟識其在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用。現(xiàn)代儀器分析課程可以為環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)生今后的學(xué)習(xí)與工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是環(huán)境科學(xué)專業(yè)中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。目前，在實(shí)際的教學(xué)過程中，傳統(tǒng)現(xiàn)代儀器分析課程存在著許多不足。

1.教學(xué)儀器臺套數(shù)少，學(xué)生自主操作機(jī)會不多。儀器分析主要講述的是大型分析儀器的原理及使用，以往由于設(shè)備種類較多、單價(jià)較貴，教學(xué)中無法提供所有的大型儀器設(shè)備，如氣質(zhì)聯(lián)用儀、激光共聚焦顯微鏡、電感耦合等離子體-質(zhì)譜聯(lián)用、流式細(xì)胞儀等儀器的總價(jià)已超過了1000萬。課程常以理論教學(xué)為主，學(xué)生不能自主操作儀器設(shè)備，而儀器的操作主要以演示的方式進(jìn)行，這就造成了學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)積極性，有些基礎(chǔ)知識差的學(xué)生甚至無法理解老師講述的原理內(nèi)容，失去了學(xué)習(xí)的興趣。這是傳統(tǒng)儀器分析課程面臨的主要問題之一。

2.課程內(nèi)容較多且零散。傳統(tǒng)的儀器分析課程主要包含了分析化學(xué)的光譜、色譜、質(zhì)譜等三大譜以及電化學(xué)的內(nèi)容。隨著科技的進(jìn)步，生態(tài)學(xué)、生物學(xué)以及地學(xué)等學(xué)科的研究手段在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這就要求我們在環(huán)境科學(xué)儀器分析課程中加入相關(guān)內(nèi)容。如此多種原理及應(yīng)用各不相同的儀器設(shè)備放在一個(gè)課程中講述，課程的學(xué)習(xí)難度非常的大，如不能將知識點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合在一起，教學(xué)的效果很難保障。

3.理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合不緊。傳統(tǒng)儀器分析教學(xué)中由于教材以及實(shí)驗(yàn)條件的限制，儀器的操作實(shí)驗(yàn)多以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生只需按部就班的完成實(shí)驗(yàn)，很難認(rèn)識到課程學(xué)習(xí)的重要性與實(shí)用性，難以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。這就讓學(xué)生忽視了課程在今后學(xué)習(xí)、工作、生活中的重大作用，課程也失去了本該具有的吸引力。

4.缺乏激勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考的環(huán)節(jié)。對學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考能力的培養(yǎng)一直是大學(xué)教育的要點(diǎn)與難點(diǎn)，傳統(tǒng)儀器分析課程的教學(xué)內(nèi)容較多較散，學(xué)生在內(nèi)容掌握方面有很大差異性，教學(xué)中很難加入自學(xué)的部分。為了提高學(xué)生在課程中自主學(xué)生與獨(dú)立思考的能力，必須更好的調(diào)動學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的積極性、增強(qiáng)其解決問題的能力。

5.教學(xué)內(nèi)容陳舊。各種分析類儀器多凝聚了各門類學(xué)科最尖端的核心技術(shù)，儀器本身也在快速的進(jìn)步，如幾年前在環(huán)境微生物檢測方面廣泛應(yīng)用的DGGE（梯度凝聚電泳），在近幾年就以基本被高通量測序與宏基因組文庫技術(shù)取代，失去了應(yīng)用的價(jià)值。教師如不能快速主動的更新自己的知識結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容陳舊，影響教學(xué)效果。

二、環(huán)境學(xué)科現(xiàn)代儀器分析課程應(yīng)用型課程改革的探索

1.在教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)主要利用仿真軟件將外形仿真、操作仿真和視覺感受仿真相結(jié)合，使用虛擬仿真模型作為參與者的操控平臺，利用虛擬顯示技術(shù)，通過仿真操作，使參與者有身臨其境的切身體會。在儀器分析課程中，學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)幾乎可以達(dá)到真正做實(shí)驗(yàn)的效果，或者在學(xué)生真正上儀器做實(shí)驗(yàn)之前，提供一個(gè)模擬平臺，減少儀器的損壞率，更好的保護(hù)儀器。筆者課程組在北京歐貝爾公司開發(fā)的虛擬仿真軟件的基礎(chǔ)上，結(jié)合儀器分析課程特點(diǎn)，開發(fā)了一套針對性的虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺。此平臺包含了氣相色譜、液相色譜、原子吸收光譜、紅外光譜等分析儀器的模塊，每個(gè)模塊不僅包含了儀器設(shè)備的全仿真操作界面，還有相關(guān)實(shí)驗(yàn)完整的操作及前處理過程。平臺還包含了考核和自學(xué)板塊，學(xué)生可以通過自學(xué)并接受考核獲得獨(dú)立操作設(shè)備的資質(zhì)，在儀器閑時(shí)完成更多的上機(jī)實(shí)習(xí)。

2.建立專題授課體系。環(huán)境科學(xué)關(guān)注的是水、土、氣、生等研究對象性質(zhì)的分析測試，筆者課程組將儀器分析課程所需介紹的儀器按功能分為：環(huán)境樣品理化性質(zhì)分析、金屬元素分析、有機(jī)污染物分析、微尺度觀測與研究、分子生物學(xué)分析、地理信息及應(yīng)用等6個(gè)專題。每個(gè)專題均包含了若干相互聯(lián)系或互成系統(tǒng)的儀器設(shè)備，學(xué)生在學(xué)習(xí)此專題時(shí)不僅掌握了這幾種設(shè)備的原理和使用方法及注意事項(xiàng)，還系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了各類環(huán)境樣品中金屬分析的全過程。將單純的理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為全過程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，理論知識與實(shí)際操作能力的教學(xué)效果均得到大幅提升。

3.結(jié)合社會熱點(diǎn)建立更有吸引力的實(shí)驗(yàn)庫。在專題授課的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的各類社會熱點(diǎn)事件，發(fā)掘可以開展的相關(guān)實(shí)驗(yàn)建立實(shí)驗(yàn)庫。如在講述有機(jī)污染物分析專題時(shí)，結(jié)合近年來出現(xiàn)的在果汁飲料中添加鄰苯二甲酸酯作為穩(wěn)定劑的事件，設(shè)計(jì)了利用氣質(zhì)聯(lián)用儀測定飲料中增塑劑的實(shí)驗(yàn)。授課過程中在講述氣質(zhì)聯(lián)用儀的原理及操作步驟的同時(shí)，介紹了增塑劑的危害以及近期一系列食品安全問題的前因后果。隨著這些熱點(diǎn)問題的代入，極大地活躍了課堂教學(xué)氛圍，同時(shí)也加深了學(xué)生對儀器分析課程應(yīng)用性的認(rèn)識。課程組共建立了6個(gè)專題相關(guān)的18個(gè)課程實(shí)驗(yàn)，并在每年教學(xué)過程中不斷更新，保證了課程教學(xué)的時(shí)效性。

4.協(xié)助學(xué)生尋找并設(shè)立自主實(shí)驗(yàn)課題。由于虛擬仿真技術(shù)的引入以及相關(guān)平臺的開放，學(xué)生可以通過自學(xué)的方式完成大量的理論知識的學(xué)習(xí)。在課程教學(xué)中引入專題討論與案例分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力得到了一定的提升。在課程后期可以鼓勵學(xué)生自己去尋找一些感興趣的問題設(shè)計(jì)課題，老師可以在課題意義、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、前沿進(jìn)展等方面給學(xué)生提出建議。如有學(xué)生就從近期限制性使用抗生素的事件出發(fā)，設(shè)計(jì)了測定醫(yī)院、養(yǎng)殖場附近土壤中抗生素的含量的課題，并參照相關(guān)科研論文制定了實(shí)驗(yàn)方案及方法。在完成了課題提出、設(shè)計(jì)、完成等一系列工作后，學(xué)生不僅更系統(tǒng)的學(xué)好了相關(guān)課程內(nèi)容，更鍛煉了發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，為以后的學(xué)習(xí)、工作打下良好基礎(chǔ)。

5.教師積極學(xué)習(xí)并提高自身能力。更好的課題教學(xué)氛圍與學(xué)生更多的互動過程，不斷促使教師提高自身的業(yè)務(wù)水平。參加相關(guān)學(xué)術(shù)會議、培訓(xùn)課程均是最直接的掌握儀器分析最新動態(tài)手段，同時(shí)必要的在職學(xué)歷教育也可使教師得到更寬的發(fā)展前景，主持和參與相關(guān)科研項(xiàng)目的研究工作也能使教師及時(shí)掌握行業(yè)最新的分析對象及手段。

三、結(jié)語

現(xiàn)代儀器分析課程是環(huán)境科學(xué)專業(yè)非常重要的專業(yè)課程，它涉及的學(xué)科非常廣泛，內(nèi)容抽象、繁雜、難于理解和掌握。通過課程的學(xué)習(xí)不僅需要學(xué)生學(xué)習(xí)各類儀器的原理及應(yīng)用，還需掌握其性能、操作規(guī)程等。通過應(yīng)用性課程改革實(shí)踐，結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)、專題式課程設(shè)計(jì)，通過將大量應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)加入課程教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及效果得到了大幅提升。當(dāng)然好的課程改革是一項(xiàng)長期的系統(tǒng)工程，有了教師與學(xué)生共同進(jìn)步，教學(xué)質(zhì)量必將得到進(jìn)一步的提高。

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收稿日期：2016-11-30

基金項(xiàng)目：本文系安徽大學(xué)應(yīng)用性教學(xué)改革與建設(shè)項(xiàng)目研究成果：“儀器分析及實(shí)驗(yàn)”課程建設(shè)