基于問題學(xué)習(xí)方式的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

謝 微， 湯 泉， 陳秋娟， 蘇輝蘭， 羅楊合

(賀州學(xué)院 a.食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院 b.化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 賀州 542899)

基于問題學(xué)習(xí)方式的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

謝 微a， 湯 泉b， 陳秋娟b， 蘇輝蘭b， 羅楊合a

(賀州學(xué)院 a.食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院 b.化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 賀州 542899)

針對(duì)不同層次的學(xué)生，通過強(qiáng)化綜合性實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，精選儀器分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合“基于問題的學(xué)習(xí)”方式的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革，提出實(shí)驗(yàn)室課堂教學(xué)與科研項(xiàng)目相結(jié)合的教學(xué)改革模式，以大型精密儀器設(shè)備為依托，以開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體，讓學(xué)生通過合作來解決真正的問題，提高解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力，目的是培養(yǎng)多元化發(fā)展、技能靈敏化、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的應(yīng)用型人才。通過儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，學(xué)生自主性強(qiáng)，創(chuàng)造空間大，儀器操作能力、分析能力得到增強(qiáng)，科研能力得到提高。

PBL模式； 儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 改革

0 引 言

《全國(guó)食品藥品監(jiān)管中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》〔2012〕104號(hào)指出：建立科研基金，扶持中青年研究人才，培養(yǎng)一批研究型檢驗(yàn)檢測(cè)人才。食品安全檢驗(yàn)檢測(cè)是食品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和食品執(zhí)法監(jiān)管的重要技術(shù)支撐，在準(zhǔn)確識(shí)別判斷食品質(zhì)量、有效防范食品安全風(fēng)險(xiǎn)方面具有十分重要的作用。在培養(yǎng)檢驗(yàn)檢測(cè)人才的規(guī)劃中，儀器分析實(shí)驗(yàn)是一門重要的基礎(chǔ)課程，具有一定的完整性和獨(dú)立性；也是一門與儀器分析理論課相輔相成的實(shí)驗(yàn)課程；更是解決生命、化學(xué)及相關(guān)學(xué)科許多科研問題的重要手段[1]。它既是理論課的延續(xù)和提高，同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，理論聯(lián)系實(shí)際的過程。面對(duì)培養(yǎng)應(yīng)用型人才改革的目標(biāo)要求，儀器分析實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)應(yīng)將從過去單純的專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)和簡(jiǎn)單技能訓(xùn)練的培養(yǎng)方式向理論與實(shí)踐的結(jié)合；從單純的知識(shí)傳授向創(chuàng)新能力的培養(yǎng)轉(zhuǎn)變。因此，在這種大歷史背景的驅(qū)動(dòng)下，儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的改革勢(shì)在必行。

基于問題的學(xué)習(xí)(Problem-Based Learning，PBL)[2-3]，是讓學(xué)生圍繞著如何解決一些結(jié)構(gòu)不良的、真實(shí)的問題而進(jìn)行的一種有針對(duì)性、實(shí)踐性的學(xué)習(xí)。它倡導(dǎo)學(xué)習(xí)要以問題為起點(diǎn)，在教師的指導(dǎo)下，通過小組合作和學(xué)生的自主探究，以達(dá)到解決問題的目的。

近年來，國(guó)家對(duì)高等院校給予雄厚的資金支持，相續(xù)購(gòu)置了一批大型精密儀器，建立了學(xué)院儀器平臺(tái)，旨在推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，以促進(jìn)學(xué)院的教學(xué)、科研水平有跨越式的發(fā)展。學(xué)院開設(shè)儀器分析實(shí)驗(yàn)這門課，是為了適應(yīng)當(dāng)代社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求，使學(xué)生熟練掌握各種大型儀器操作的基本技能。作者通過綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、精選儀器分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合“基于問題的學(xué)習(xí)”的方法和手段組織安排儀器分析實(shí)驗(yàn)，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)考核的形式，以大型精密儀器設(shè)備為依托，以開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體，物盡其用，更能培養(yǎng)多元化發(fā)展、技能靈敏化、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的應(yīng)用型人才。

1 綜合性實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

綜合性實(shí)驗(yàn)是一種研究性、探究性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)要求，查閱文獻(xiàn)，正確選擇實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)儀器，合理安排實(shí)驗(yàn)步驟，獨(dú)立操作完成實(shí)驗(yàn)的全過程[4-5]。綜合實(shí)驗(yàn)所需知識(shí)多，是將多種基礎(chǔ)知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能有機(jī)地結(jié)合，具有設(shè)計(jì)技術(shù)高、實(shí)驗(yàn)難度大、數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜等特點(diǎn)，是有一定的創(chuàng)新分量的綜合靈活應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

開放性實(shí)驗(yàn)是由學(xué)生根據(jù)自己的興趣親自選定實(shí)驗(yàn)課題、選擇儀器設(shè)備、制定實(shí)驗(yàn)步驟、完成實(shí)驗(yàn)操作、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在這期間要求培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)性與創(chuàng)造性的實(shí)踐能力，形成自主式、合作式和研究式的學(xué)習(xí)方式。其次，開放性實(shí)驗(yàn)既綜合單一學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，又融進(jìn)相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，而且一般也都具有超前性。

2 合理實(shí)驗(yàn)選題，逐步建立儀器分析課程體系

2.1 實(shí)驗(yàn)選題原則

合理的實(shí)驗(yàn)選題遵循實(shí)驗(yàn)難度適宜，顧及3大基本分析方法——光譜法、色譜法和電化學(xué)方法的原則，依據(jù)探索未知、尋求真理的目的，經(jīng)歷“理論——實(shí)驗(yàn)——實(shí)踐”的過程，具有綜合性、實(shí)用性、趣味性和可擴(kuò)展性等現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 實(shí)驗(yàn)選題來源

在選題的設(shè)計(jì)和選擇上既要體現(xiàn)綜合性、能夠培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，也要切合學(xué)生的學(xué)術(shù)水平，考慮到儀器分析實(shí)驗(yàn)的課時(shí)安排、實(shí)驗(yàn)的延續(xù)性和難度控制等實(shí)際問題，讓學(xué)生在探索問題時(shí)，有意識(shí)地結(jié)合文獻(xiàn)給予的啟發(fā)與前期研究中的新發(fā)現(xiàn)，結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道中存在的矛盾與爭(zhēng)議，挖掘?qū)嶒?yàn)的真諦，探索實(shí)驗(yàn)的奧秘。

2.3 實(shí)驗(yàn)選題實(shí)例

實(shí)例1 原子熒光光譜法測(cè)定食品中硒含量實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)依托原子熒光光譜儀的技術(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)合當(dāng)?shù)靥厣氖称范_出的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與科研實(shí)踐“無縫對(duì)接”。完成實(shí)驗(yàn)，能夠掌握原子熒光光譜法測(cè)定的基本原理，建立熒光光譜測(cè)定食品中硒的方法，圖1中以“微波消解-原子熒光光譜測(cè)定稻谷中硒含量”[6]為例子具體說明。整個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生首先要理解實(shí)驗(yàn)和儀器的工作原理。然后結(jié)合不同的樣品，考慮試劑、溫度、壓力等選擇，做好前處理，可有不同的設(shè)計(jì)方案。

圖1 “微波消解-原子熒光光譜測(cè)定稻谷中硒含量”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架

實(shí)例2 高效液相色譜法測(cè)定果凍中的合成色素[7-10]實(shí)驗(yàn)以定量分析為核心，采用高效液相色譜法進(jìn)行分析。學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)了解人工合成色素的種類，理解高效液相色譜法的基本原理，掌握儀器的基本操作。具體實(shí)驗(yàn)方案見圖2。

圖2 “高效液相色譜法測(cè)定果凍中的合成色素”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架

學(xué)生需要考慮果凍中色素的提取方法；制定樣品的前處理方法；歸納實(shí)驗(yàn)所需器材和試劑；需配制一定濃度的色素標(biāo)準(zhǔn)溶液；利用色素標(biāo)準(zhǔn)品優(yōu)化流動(dòng)相的梯度、流速、波長(zhǎng)等測(cè)定條件及pH、鹽度、溫度等溶液條件以及根據(jù)研究對(duì)象選取合適的測(cè)定條件和溶劑條件。

實(shí)例3 電化學(xué)方法測(cè)定環(huán)境中有機(jī)污染物[11-13]實(shí)驗(yàn)以電化學(xué)分析法為核心，具體實(shí)驗(yàn)方案見圖3。學(xué)生在調(diào)研文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上制定樣品前處理方案、熟悉實(shí)驗(yàn)方案，注意實(shí)驗(yàn)條件中電極的選擇，設(shè)計(jì)頻率、掃描電位范圍、掃描圈數(shù)等儀器參數(shù)設(shè)置；重點(diǎn)研究pH、掃速、離子強(qiáng)度等電解液的溶液條件的影響。

圖3 “電化學(xué)方法測(cè)定環(huán)境中有機(jī)污染物”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架

3 構(gòu)建PBL學(xué)習(xí)和考核方法

根據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，按照“全體覆蓋、突出重點(diǎn)、分類實(shí)施”的原則，針對(duì)學(xué)生的多層次性，學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)實(shí)際，幾個(gè)同學(xué)組合，共同完成綜合實(shí)驗(yàn)，考核方式為：實(shí)驗(yàn)試題70%+教師評(píng)價(jià)20%+學(xué)生自評(píng)5%+學(xué)生互評(píng)5%。

“基于問題的學(xué)習(xí)”是以問題解決和多種學(xué)習(xí)途徑為中心，激發(fā)和支持學(xué)習(xí)者的高水平思維的教學(xué)模式[13]。學(xué)生在整個(gè)過程中扮演的角色是對(duì)問題積極思考的學(xué)習(xí)者，是解決問題的行動(dòng)者和實(shí)踐者，在分析實(shí)驗(yàn)過程中，不斷的分析問題，解決問題。教師具有雙重角色，是學(xué)生的同伴，與學(xué)生一起尋找解決問題的方法，又要實(shí)時(shí)給學(xué)生指導(dǎo)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)估。

3.1 多種設(shè)計(jì)方案，思維發(fā)散

實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)是分析實(shí)驗(yàn)需求和問題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定解決實(shí)驗(yàn)問題的步驟和方案，它是解決實(shí)驗(yàn)問題的關(guān)鍵，它以實(shí)驗(yàn)最優(yōu)化效果為目的，不同層次的學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案有所不同。在教師的指導(dǎo)下，確定了研究方向，分頭查閱文獻(xiàn)，收集材料，共享所獲信息，共同討論，設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)步驟；進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；分析、整理數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成，將儀器分析課分解到實(shí)際的活動(dòng)中，整個(gè)過程有分工有合作，使學(xué)生們相互商討、溝通，有助于培養(yǎng)他們主動(dòng)幫助別人和尋求別人幫助，獲取與人合作共同談?wù)?、研究問題的體驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程是動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)的、思維是發(fā)散的。

3.2 實(shí)驗(yàn)考核，以技能考核為中心

實(shí)驗(yàn)不僅強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，也需要對(duì)實(shí)驗(yàn)基本操作進(jìn)行考核。一般而言實(shí)驗(yàn)考核的內(nèi)容主要包括實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)、書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告水平、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、綜合分析和解決問題的能力以及實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)考核等5個(gè)方面[14-15]。其中，以技能考核為中心，重點(diǎn)關(guān)注實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范與否，實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)是否明確，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇與使用是否正確規(guī)范，實(shí)驗(yàn)中遇到問題是否能盡快分析和解決。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，若是能夠提出建設(shè)性、創(chuàng)新性的見解，實(shí)驗(yàn)考核給予適當(dāng)加分。例如：液相色譜實(shí)驗(yàn)中遇到管路有氣泡該如何排除、食品中重金屬檢測(cè)，如何排除其他離子的干擾、如何保證平行實(shí)驗(yàn)條件的一致性以求可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。

3.3 引入開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，拓展學(xué)生技能

拓展學(xué)生技能，以科研項(xiàng)目為基礎(chǔ)，開放精密儀器室，拓寬進(jìn)入渠道，通過大學(xué)生實(shí)驗(yàn)室助理的方式、教師助理的方式，大型精密儀器為媒介，逐步在開放實(shí)驗(yàn)室中引入大型儀器，既可以提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力，又提高了大型精密儀器使用率，具有雙重效果[16-17]。部分引進(jìn)大型精密儀器的開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表1。

表1 部分引進(jìn)大型精密儀器的開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

4 改革成效

化學(xué)教育、應(yīng)用化學(xué)、食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全專業(yè)的學(xué)生通過儀器分析實(shí)驗(yàn)課程改革實(shí)踐，動(dòng)手能力大幅提高，科研能力增強(qiáng)。每年可獲得校級(jí)大學(xué)生科研項(xiàng)目5項(xiàng)，廣西區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目10項(xiàng)，國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目2項(xiàng)，參加廣西化學(xué)化工類論文競(jìng)賽獲獎(jiǎng)人數(shù)在10人次以上；部分已就業(yè)的大學(xué)生，由于具備熟練的儀器操作使用和分析能力，屢屢獲得用人單位的好評(píng)。

5 結(jié) 語

精選儀器分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合“基于問題的學(xué)習(xí)”的方法和手段組織安排儀器分析實(shí)驗(yàn)，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)考核的形式，以大型精密儀器設(shè)備為依托，以開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體，是基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)重要突破與創(chuàng)新，是有利于學(xué)生多元化發(fā)展及技能靈敏化的方式，是由單一的知識(shí)教育轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰逃挠行緩?。?shí)踐證明，儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后，學(xué)生自主性強(qiáng)，創(chuàng)造空間大，能夠增強(qiáng)學(xué)生自信，激發(fā)學(xué)生的潛能，達(dá)到“以人為本，因材施教”的目的。

[1] 蔡向忠, 王秀紅, 李銀生. 改革儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2014(11): 168-171.

[2] 吳殿朝. PBL教學(xué)與建構(gòu)主義教育理論探析[J]. 河南商業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào), 2011(2): 95-97.

[3] 吳 剛. 基于問題式學(xué)習(xí)模式(PBL)的述評(píng)[J]. 陜西教育(高教版), 2012(4): 3-7.

[4] 黃品梅, 黃道平, 梁 錦. 開發(fā)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)促進(jìn)創(chuàng)新人才之培養(yǎng)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2010(6): 93-95.

[5] 朱志彪, 高山. 設(shè)置綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生綜合素質(zhì)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2010(7): 238-240.

[6] 袁 建, 蔣旭玲, 石嘉懌, 等. 微波消解—原子熒光分光光度法測(cè)定稻米中硒含量[J]. 糧食與油脂, 2012(12): 27-30.

[7] 陳 艷, 劉思潔, 李 皓. 高效液相色譜法測(cè)定果凍中的合成色素[J]. 食品科學(xué), 2007(9): 487-490.

[8] 王淑惠, 劉印平, 胡 平, 等. 高效液相色譜法同時(shí)測(cè)定糖果中的6種合成色素[J]. 應(yīng)用化工, 2013(9): 1723-1725,1728.

[9] 錢 聰. 高效液相色譜法同時(shí)測(cè)定果凍中9種添加劑[J]. 食品研究與開發(fā), 2014(21): 109-111.

[10] 吳曉紅, 蔣彩云, 胡文彥, 等. 高效液相色譜法測(cè)定配制酒中6種人工合成色素[J]. 釀酒科技, 2014(5): 102-104.

[11] 孟 寧. 電化學(xué)方法測(cè)定環(huán)境水體中的有機(jī)污染物[D]. 呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué), 2004.

[12] 陳 波. 新型樣品前處理技術(shù)在環(huán)境有機(jī)污染物分析檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D]. 重慶:西南大學(xué), 2012.

[13] 蔡小瓊. “基于問題的學(xué)習(xí)”在電化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D]. 福州:福建師范大學(xué), 2013.

[14] 林偉君. 多元化實(shí)驗(yàn)考核的實(shí)施研究[J]. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué), 2011(2): 201-204.

[15] 馬志廣, 劉 磊, 李志林, 等. 基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)考核體系的探索[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2012(3): 9-11.

[16] 趙杭美, 李金華, 孔利利, 等. 多途徑提高大型精密儀器設(shè)備的使用效益[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2014(11): 248-251.

[17] 邱偉強(qiáng), 王錫昌, 謝 晶, 等. 淺談提高高校大型精密儀器設(shè)備的使用效率[J]. 高校實(shí)驗(yàn)室工作研究, 2013(2): 87-89.

Reform of Instrument Analysis Experimental Teaching System with Problem-Based Learning

XIEWeia,TANGQuanb,CHENQiujuanb,SUHuilanb,LUOYanghea

(1. Research Institute of Food Science & Engineering Technology, 2. School of Chemical and Biological Engineering, Hezhou University, Hezhou 542899, Guangxi, China)

Facing on different levels of students, using comprehensive experiment and opening experimental design, and combining with “problem-based learning”, we select instrument analysis experiment content, and reform instrument analysis experimental teaching system. In order to solve real problems by precise instrument and open experimental projects to students, we encouraged students to solve problem by co-operation. The reform improved the students’ ability and skill of solving problems, and the ability of independent learning, such that students got diversified development, and became applied talents to meet society needs. At last the student autonomy is strong, it also enlarges creating space, enhances their instrument operation skills, analytical ability, scientific research ability.

PBL model; instrument analysis experimental teaching system; reforming

2016-08-01

廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目(KY2016LX381);賀州學(xué)院教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目(hzxyjg201636，hzxyjg201541，hzxysfzx201503，hzxyjg201614)

謝 微(1984-)，女，壯族，廣西蒙山人，碩士，助理研究員，研究方向：分析檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)室管理。

Tel.:18378406776 E-mail：249201676@qq.com

G 482

A

1006-7167(2017)04-0205-04