現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索

翁超 陳效蘭 喬志芳 付倬

摘 要：現(xiàn)代大型精密儀器是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的代表，是科學(xué)研究的基本工具。在新時(shí)代下，本實(shí)驗(yàn)中心探索出了一套如何有效開(kāi)設(shè)好現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步有效指導(dǎo)科學(xué)研究的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代大型精密儀器;基本工具;科學(xué)研究;教學(xué)方法

現(xiàn)代儀器分析是科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中的一門基礎(chǔ)學(xué)科和基本工具[1-4]。對(duì)當(dāng)代化學(xué)學(xué)科的本科生、研究生開(kāi)設(shè)現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)十分必要。沒(méi)有好的儀器分析手段和能力，就不能很好的分析科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不能進(jìn)一步推進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。這就好比做科學(xué)研究不會(huì)英語(yǔ)一樣，不會(huì)廣泛的語(yǔ)言工具，就閱讀不了大量的科研文獻(xiàn)，就會(huì)成井底之蛙、故步自封。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在部分高校開(kāi)設(shè)了理論課教學(xué)，卻不開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，把理論和實(shí)際剝離開(kāi)了，理論指導(dǎo)不了實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐驗(yàn)證不了理論[5-10];部分高校既開(kāi)設(shè)了理論課教學(xué)，也開(kāi)設(shè)了實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，但是大部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是按照固定教材內(nèi)容開(kāi)設(shè)一個(gè)或者幾個(gè)實(shí)驗(yàn)[11-15]。這樣導(dǎo)致的結(jié)果是學(xué)生沒(méi)有真正把學(xué)的理論知識(shí)和自己將來(lái)要運(yùn)用的研究方向結(jié)合起來(lái)，自然感覺(jué)起來(lái)比較空洞枯燥，學(xué)的也不會(huì)深刻和透徹。下面以我們學(xué)校化學(xué)學(xué)院在現(xiàn)代儀器分析的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為例，剖析可行的有益方案。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

（一）理論課與實(shí)驗(yàn)課剝離。本校把現(xiàn)代儀器分析技術(shù)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)分離開(kāi)，分為兩套獨(dú)立班子上課。理論教學(xué)部分由在教學(xué)和科研一線的專家學(xué)者擔(dān)任。這些專任老師既有豐富的理論知識(shí)底蘊(yùn)，又時(shí)刻站在科學(xué)研究的最前線，因而能把儀器分析的理論知識(shí)與科學(xué)研究的前沿問(wèn)題有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使理論知識(shí)更加切合實(shí)際需求。而且理論課不是一個(gè)專家學(xué)者上，課頭可以為一位老師，院系再按照儀器的類別分為光學(xué)、電學(xué)、色譜學(xué)及其它類進(jìn)行分類，然后各個(gè)方向指派一個(gè)專業(yè)老師任教，這樣學(xué)習(xí)的內(nèi)容即豐富又生動(dòng)深刻且易于接受。

（二）實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)重實(shí)際和基礎(chǔ)。本院一屆本科生大約350人，研究生大約150多人，擺在眼前比較尖銳的問(wèn)題是：一方面實(shí)驗(yàn)所用的儀器都是大型精密儀器，每種儀器少的可能只有1臺(tái)套，如何讓這么多學(xué)生學(xué)習(xí)好這臺(tái)儀器就顯得困難重重;另一方面開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程的課時(shí)數(shù)又非常有限，如何在有限的時(shí)間里讓學(xué)生學(xué)有所得必須充分考慮;此外學(xué)院學(xué)生的專業(yè)方向也比較多，老師的課題研究方向更多，如何合理安排開(kāi)設(shè)的儀器種類非常重要。

首先我們結(jié)合院系的研究方向和課題組研究方向，制定了開(kāi)設(shè)的儀器種類。選擇了紫外光譜、紅外光譜、熱分析系統(tǒng)、飛行時(shí)間質(zhì)譜、核磁共振、掃描電鏡6套大型精密儀器作為學(xué)生必學(xué)儀器。這幾種儀器既有普通的大型精密儀器，也有貴重的專業(yè)性強(qiáng)的大型精密儀器，既有合成方向的常用儀器，也有分析、材料等方向的常用儀器。

其次是合理安排每次實(shí)驗(yàn)學(xué)生人數(shù)。我們安排每次實(shí)驗(yàn)人數(shù)在15人以下，每次實(shí)驗(yàn)可以6-8個(gè)小時(shí)。一般大型精密儀器一間房子一臺(tái)儀器，安排15個(gè)學(xué)生圍圈一次性聽(tīng)課，聽(tīng)課距離近，互動(dòng)方便，效果較好。動(dòng)手部分可以再適當(dāng)分組完成，提前完成的可以先結(jié)束該堂課程的學(xué)習(xí)。這種模式既避免了人員擁擠，又讓學(xué)生切實(shí)體驗(yàn)實(shí)踐了。

（三）實(shí)驗(yàn)課程專人專講。我校測(cè)試中心隸屬化學(xué)學(xué)院，主要對(duì)外開(kāi)放大型精密儀器測(cè)試和教學(xué)服務(wù)。每臺(tái)儀器都是專人負(fù)責(zé)管理、功能開(kāi)發(fā)、測(cè)試、維護(hù)、保養(yǎng)等。我院對(duì)學(xué)生開(kāi)設(shè)的現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)課程部分也是在充分考慮儀器的通用性和重要性以及結(jié)合學(xué)科研究方向的基礎(chǔ)上，安排6位擅長(zhǎng)不同儀器的老師擔(dān)任實(shí)驗(yàn)課任課教師。每位老師都是在基礎(chǔ)崗位上工作5年以上，有著扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。他們不但掌握著所負(fù)責(zé)講授儀器的硬軟件操作，同時(shí)把握著院系課題組的研究方向和該儀器方法的科學(xué)前沿，所講內(nèi)容就會(huì)讓同學(xué)們感到親切、有趣，同學(xué)們才能切實(shí)學(xué)有所用。

（四）實(shí)驗(yàn)課堂重理論運(yùn)用及步驟驗(yàn)證?，F(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)理論課程部分在本科教學(xué)階段已經(jīng)接觸，包括儀器分析、分析化學(xué)等課程，研究生階段也開(kāi)設(shè)了現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的理論課程。我們?cè)诂F(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)就不必重復(fù)基本理論部分知識(shí)。但是在講授的過(guò)程中，一定要注重理論的實(shí)際運(yùn)用解釋。以紫外-可見(jiàn)吸收光譜為例，它的吸收光譜曲線吸收值存在一個(gè)可信區(qū)間，不同品牌型號(hào)的儀器的可信區(qū)間不一樣。那么一是這個(gè)可信區(qū)間怎么來(lái)的？為什么不同儀器有不同的可信區(qū)間？實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的時(shí)候需要把這些問(wèn)題解決。

一些現(xiàn)代儀器智能化很高，基本操作非常簡(jiǎn)單，甚至可以說(shuō)是傻瓜式的。那么，該如何讓測(cè)試者掌握操作的正確性、可靠性與重現(xiàn)性，是個(gè)必須解決且關(guān)鍵的問(wèn)題。以前的大型精密儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是簡(jiǎn)單地告知實(shí)驗(yàn)測(cè)試者每一步的具體操作步驟，但是不會(huì)講述操作每一步的注意事項(xiàng)和目的意義，更加不會(huì)講解每一步完成后如何去判斷該步操作是否正確，從而導(dǎo)致學(xué)生都是一知半解，機(jī)械式操作，碰到任何問(wèn)題或者稍微不一樣的情況就完全看不出癥結(jié)，如此一來(lái)將影響測(cè)試結(jié)果的正確性，進(jìn)一步嚴(yán)重影響對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的有效判斷和指導(dǎo)。那么在我們的大型精密儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中就融入了詳細(xì)講解每個(gè)參數(shù)設(shè)置的意義，每個(gè)實(shí)驗(yàn)操作步驟的驗(yàn)證步驟和判斷步驟，這樣學(xué)生就能正真理解好參數(shù)如何設(shè)置，才能有效把握測(cè)試結(jié)果的有效性。以紫外可見(jiàn)吸收光譜為例，參數(shù)設(shè)置中比如掃描速度設(shè)置，掃描速度越快，勢(shì)必節(jié)約時(shí)間，操作完成時(shí)間越短，但是另一方面勢(shì)必導(dǎo)致精度下降。兩者之間相互矛盾和制約，到底要設(shè)置成什么合適值，就要看你的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鶕?jù)個(gè)人的實(shí)驗(yàn)要求的不同，選擇傾向性的實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置。這對(duì)于得到合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是非常重要的。又比如紫外可見(jiàn)吸收中經(jīng)常需要扣除空白吸收，然后再測(cè)試未知樣品的光譜吸收曲線。那么在扣除空白這個(gè)操作中很多實(shí)驗(yàn)者不去驗(yàn)證，也就是說(shuō)不管空白扣好了沒(méi)有，緊接著就往下做。這樣操作的風(fēng)險(xiǎn)就是可能導(dǎo)致某些區(qū)域數(shù)據(jù)結(jié)果不可信。如果再把空白樣當(dāng)做一個(gè)實(shí)際樣品來(lái)測(cè)試，看空白樣品的吸收光譜

曲線是否在噪音范圍類，這樣才能確保接下來(lái)的測(cè)試結(jié)果可靠。

（五）實(shí)驗(yàn)方案重課題方向結(jié)合?，F(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)課必須要突出與時(shí)俱進(jìn)性和前瞻性。在課程設(shè)計(jì)上就不能再開(kāi)設(shè)模塊化的內(nèi)容。比如紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)原來(lái)本科實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的是測(cè)定微量鐵含量的實(shí)驗(yàn)，一直沒(méi)有變化，甚至研究生還是開(kāi)設(shè)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。我們的側(cè)重點(diǎn)是設(shè)計(jì)和課題組研究方向一致的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。每次實(shí)驗(yàn)課都是對(duì)應(yīng)的一個(gè)大方向的學(xué)生，那么就安排這個(gè)方向的在研的課題內(nèi)容的材料作為實(shí)驗(yàn)的具體操作對(duì)象。讓同學(xué)們了解如何進(jìn)行樣品前處理、如何把握實(shí)驗(yàn)過(guò)程的參數(shù)設(shè)置、如何得到可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及如何研判分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步有效指導(dǎo)科研實(shí)驗(yàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)就能有效地與實(shí)際科研緊密結(jié)合起來(lái)，既能加深對(duì)儀器的理解，又能充分掌握好這門基本的實(shí)驗(yàn)工具，進(jìn)而有效為科研實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

（六）實(shí)驗(yàn)效果重課堂表現(xiàn)?，F(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)的課程表現(xiàn)采用考察形式，不強(qiáng)調(diào)千篇一律的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告。重要的是看同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程的表現(xiàn)和以問(wèn)答的形式掌握學(xué)生的課前預(yù)習(xí)，課后學(xué)生的總結(jié)格式不一定要是實(shí)驗(yàn)報(bào)告的模式，可以形式多變，只要是總結(jié)概括學(xué)習(xí)到的東西，并加以消化理解。

通過(guò)積極探索新形式下現(xiàn)代大型精密儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案改革，我們制訂了切實(shí)可行的近代儀器分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容方案，通過(guò)與科學(xué)研究方向緊密結(jié)合的方式教學(xué)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性，使學(xué)生不但掌握了現(xiàn)代儀器基本的操作使用方法，而且學(xué)會(huì)了理解與解決問(wèn)題的能力，學(xué)生能進(jìn)一步通過(guò)儀器分析結(jié)果，指導(dǎo)科學(xué)研究，達(dá)到了十分理想的效果。

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