適合地方農業(yè)院校的儀器分析實驗課程改革與實踐

孔令瑤，董憲武，馬朝紅，薛曉麗，馬鳳霞，王鳳云，尤莉艷

儀器分析課程是研究物質組成、含量、結構和形態(tài)等化學信息的表征及測量的一門學科，具有很強的實踐性，每種分析方法都有相應的分析儀器和獨立的原理方法及理論基礎[1]。因此，掌握各種分析方法的基本原理、儀器的結構、性能和操作方法，對于培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新意識及學生綜合素質具有十分重要的意義。

儀器分析實驗課程是吉林農業(yè)科技學院應用化學、中藥學、食品科學與工程等專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課。通過本門課程的學習，使學生能夠全面系統(tǒng)地掌握其基本理論、計算及基本實驗操作技能，培養(yǎng)良好的實驗習慣和嚴謹的科學態(tài)度。同時了解其前沿領域的發(fā)展趨勢，了解分析新技術、新方法在化學化工、生物技術和食品科學等學科中的應用以及各學科的進展對分析化學的要求，使學生初步具備分析和解決實際問題的能力。

國內外絕大多數理工科院校及相關學科專業(yè)，都十分重視對學生儀器分析課程的理論和實踐操作技能的培養(yǎng)。遵循儀器分析課程的教學和學生認知規(guī)律，結合吉林農業(yè)科技學院現(xiàn)有實驗條件，探索和實踐適合學生能力培養(yǎng)的儀器分析課程教學和實驗方法是一項重要任務。

1 當前儀器分析實驗教學現(xiàn)狀及存在問題

儀器分析課程是一門理論性和實踐性都很強的課程。理論教學大致可以分為四大類：光化學分析法、電化學分析法、色譜法和其他分析法。其中光化學分析法包括原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法、X射線衍射法、火焰光度法、分光光度法(紫外、可見、紅外)、熒光光譜法等；電化學分析法包括電導分析法、電位分析法、極譜法、伏安法等；色譜法包括氣相色譜法和液相色譜法等；其他方法有熱重法和差熱分析法[2]。這些方法無論原理、定量、定性以及儀器結構都相對獨立，涉及到的學科和知識較多且抽象。授課過程中，如果不接觸儀器，只按照教材中提供的圖片進行講解，學生不容易完全掌握[3-4]。

儀器分析課程一般是先講理論內容，然后進行實驗。由于地方院校辦學經費有限，儀器設備不能保證學生課程需求和教師科研，尤其是吉林農業(yè)科技學院大型分析儀器設備臺套數相對較低，而且還要完成較多科研任務，這都降低了儀器設備的教學使用率。另外，儀器分析實驗課中使用的多是精密儀器設備，學生需要較長時間熟練儀器，并且實際操作難度大、實驗組數多，不能保證學生對儀器的充分利用。同時由于理論教學和實踐教學中間出現(xiàn)較大的時間間隔，使學生在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題不能及時分析和解決，這構成了學生能力培養(yǎng)的阻礙[5]。另外由于儀器更新迭代速度快，不同廠家的儀器型號不同，而教材中提供的儀器圖片或者是結構細節(jié)圖和實際操作的儀器結構有差別，這樣就導致學生實驗課上接觸到的是全新的內容。如何解決這一矛盾，在授課過程中充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學生的實踐動手能力，是亟待解決的重要問題[6-8]。

2 儀器分析實驗教學改革

2.1 教學內容按照以基礎應用為主、突出重點的原則進行重新設計

對于應用化學及中藥學、食品類專業(yè)的學生，學習儀器分析課程的主要目的是掌握各種分析儀器設備的基本原理和維護知識，學習儀器的操作過程，能夠根據需要設計簡單的實驗方案解決實際問題。同時，還要協(xié)調處理好課程內容的基礎性與先進性、經典與現(xiàn)代、本課程與相關課程內容之間的關系等問題。因此，在保證學生掌握常用分析方法的原理及各種分析儀器的構造和儀器工作原理的基礎上，對教學內容進行了改革，既保證教學內容的先進性，又把儀器分析研究領域的最新研究成果和發(fā)展動向引入授課內容中。例如：實驗室加入了檢測化肥各成分含量和野山雞中各個器官富集重金屬的種類和含量的測定等實驗項目，這些都是可以充分聯(lián)系實際并且激發(fā)學生興趣的項目。另外，改革后的實驗課程和以往相比加強了前處理的操作環(huán)節(jié)，不同樣品測定成分不同，制備樣品的方法也不同，而且不同的制樣方法最后呈現(xiàn)的結果也不盡相同。以往為了節(jié)約時間，經常讓學生只做簡單的前處理，而大部分處理任務都由實驗老師完成，學生上課時能動手做的部分很少，學生積極性很難被調動。改革后每一個實驗從配制溶液到最后的測定給出結論都需要學生自己動手操作，在這個過程中大大地鍛煉了學生的動手能力。

2.2 合理采用多媒體教學手段，開發(fā)圖形、圖像、動畫等多種直觀形式的教學輔助手段

由于儀器分析課程內容較多，涉及到的分析方法及相應分析儀器的原理、結構及裝置圖較多；另外，教學內容多、課時量少的矛盾比較突出。若采用傳統(tǒng)教學方法(粉筆+黑板)，相當費時，且效果不理想。因此，有必要運用多媒體手段，在有限的課時內增大課堂信息量，同時生動、形象地給學生展示各種分析儀器的結構及其動態(tài)地測量過程，使學生深刻理解儀器的作用原理，將枯燥的知識轉化為具體的形象，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。由于學院具有多媒體仿真實驗室，其中包含儀器分析實驗教學模擬軟件，在實驗課前讓學生通過模擬軟件了解儀器的結構和使用步驟。例如，原子吸收分光光度法測定谷物中錳元素含量實驗，在模擬軟件中展示了整個實驗的操作步驟：第一步樣品前處理，在充分預習和教師講解的前提下，學生模擬完成包括玻璃儀器的浸泡和選擇合適的消化液前處理的過程。第二步配制標準溶液，學生根據實際測定的樣品濃度選擇合適的標準曲線的濃度范圍，計算標準溶液的稀釋倍數，然后進行模擬配制。第三步預熱儀器，設定儀器參數，然后進行測定。經過這一系列流程，學生了解了實驗步驟和各個部分的結構，增加了對儀器的感性認識。此外，教師還收集了網絡中一些制作精良的儀器使用手冊和講解資料，當學生在課堂上遇到問題可以自己查閱解決，上課效率明顯提高。

為了能讓學生了解更多的先進儀器設備，授課教師組織學生去相關院校的實驗室或工廠參觀，讓學生深入一線，了解產品的生產過程和檢測過程，開闊學生眼界。通過理論聯(lián)系實際能力的培養(yǎng)對塑造應用型本科專業(yè)人才起到了至關重要的作用。

2.3 深化課堂教學模式的改革，采取興趣教學，提高教學效果

引入討論式、啟發(fā)式教學法等理念，克服傳統(tǒng)教學方法的弊端，使課堂教學充分體現(xiàn)以學生為主體，教師為主導的理念，從而促使學生積極思考，激發(fā)學生的潛能，開拓學生思路，調動學生學習的積極性，活躍課堂氣氛，增強學生的學習興趣。實驗項目的選擇也強化了和其他課程的聯(lián)系，如有機化學實驗項目“茶葉中提取咖啡因”，學生只能從升華后咖啡因重量和顏色評價實驗結果的好壞，純度無法測得，可將產品在儀器分析實驗課中用高效液相色譜儀檢驗其純度，通過數據分析即可實現(xiàn)。再如現(xiàn)代分離分析實驗課中“超臨界萃取法提取松針中揮發(fā)油”，得到了淺棕色的揮發(fā)油，將其密封保存，在儀器分析實驗課中用氣相-質譜儀檢測其中成分，通過氣相色譜得到揮發(fā)油的色譜圖，運用氣相色譜理論知識判斷設定的分離條件的合理性并相應改進，通過質譜分析讓學生了解揮發(fā)油中幾種主要成分和其在食品、藥品、工業(yè)中的用途，這些和實際相結合的實驗學生都很感興趣。學生興趣被明顯調動，實驗課考試的及格率也從原來的85%上升到95%以上。

2.4 以學生能力培養(yǎng)為核心，構建操作性強的實驗、實踐課程

本著提高學生動手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、加深理解分析方法原理并與實踐相結合的設計思想進行實驗和實踐教學體系的改革。將實踐教學分為基本實驗和綜合性實驗兩部分，基本實驗主要訓練學生了解儀器的基本結構并熟悉分析儀器的基本操作，涉及內容與課堂教學密切相關，充分體現(xiàn)本課程的實踐性；“綜合性實驗”是通過化學分析方法與儀器分析技術相結合的綜合訓練，使學生掌握儀器分析方法的應用技術與技巧，要求學生在教師的指導下，通過查閱文獻資料，自主設計實驗方案。通過課堂教學與實踐教學綜合性訓練，學生的視野開闊、綜合能力明顯增強。實踐環(huán)節(jié)中，學生針對自己感興趣的項目，首先進行資料的查找，確定可行性后，經指導教師批準，自行設計實驗過程并進行操作。例如用高效液相色譜法測定飲料中的苯甲酸、山梨酸鉀、糖精鈉、咖啡因、靚藍、檸檬黃等含量。對同一樣品還可進行不同方法的比較分析，例如用高效液相色譜法和紫外分光光度法測定蘆丁含量，對比兩種儀器使用流程和不同數據，能夠更直觀地認識每種儀器的測量特點和不足之處。針對受到污水污染的耕地種植的作物會相應富集重金屬元素的特性，結合測定金屬的理論內容，學生還設計了用原子吸收分光光度法測定了多種市售谷物中Cd、Cr、Mn、Cu、Fe等金屬元素含量的實驗項目，通過這些實驗，學生學習了原子吸收分光光度計的使用方法、測量對象，也讓學生了解了不同作物富集金屬的能力。除了重視學生綜合素質的培養(yǎng)外，基礎操作的規(guī)范性和科學研究的嚴謹精神也是重點培養(yǎng)內容。在實驗過程中，讓學生體會到細節(jié)決定成敗的重要性，從玻璃儀器的浸泡、洗滌，到稱量藥品、配制溶液，每一步都要求準確規(guī)范。在保證實驗學時的前提下，盡量讓學生多進行平行試驗，并且學會用軟件處理數據，把得到的數據進行對比分析，如果遇到可疑的數據，不能立刻刪除或者篡改，應該仔細分析產生問題的原因，總結對應解決辦法和注意事項，培養(yǎng)學生以事實為依據，實事求是的學習態(tài)度。學校積極鼓勵學生參加行業(yè)資格認證(化學檢驗員3級考試)，實驗課改革后學生的通過率明顯提高，從往年的70%左右上升到了85%以上。另外學校具有畢業(yè)生就業(yè)單位進行滿意度調查回訪的制度，企業(yè)對學生動手能力的滿意度也明顯提高。

2.5 建立實驗室開放制度，便于學生積極主動參與研究項目

儀器分析實驗室不僅對教師科研和實驗課開放，還對學生的畢業(yè)論文、大學生科技創(chuàng)新、實驗技能大賽等項目開放，使學生的儀器分析學習向深度和廣度延伸。例如針對大學生創(chuàng)新項目，學生利用課余時間進行自主實驗設計和操作，教師在項目初期只對實驗項目的可行性進行審核，講解儀器的使用，讓學生盡快熟練掌握儀器的使用。因為實驗項目是全新的，在這個過程中會出現(xiàn)很多的問題，學生可以通過網上查找、圖書館查閱相關資料或者向高年級同學請教，完成整個項目。另外，學生可以選擇性的參與到教師的科研項目中，進行一些程序性的測試工作，如天然物的提取、分析、分離、紅外光譜測定、氣相質譜儀、X射線衍射儀等數據分析及表征工作并對得到的圖譜進行解圖分析，鍛煉解圖能力，為以后的繼續(xù)學習或者工作打下良好的基礎。除了大學生創(chuàng)新項目和教師的課題，每位同學都要獨立完成畢業(yè)論文，在這個過程中也會使用相應的儀器。通過實驗室開放極大地提高了學生自主創(chuàng)新和實踐能力。

2.6 建立健全課程考核制度，細化考核內容

建立適合的考核制度也是儀器分析實驗改革的重要組成部分，儀器分析實驗學時有限，儀器有限，有些實驗不能讓每個學生都得到充分的鍛煉，所以考核的形式不能只注重實驗結果，要注重實驗過程的考核?？刹扇〉霓k法是：把學生盡可能分成多的小組，讓他們共同完成實驗任務，在實驗過程中教師考查每個同學的預習情況、實驗動手操作能力、實驗操作的標準程度和團隊協(xié)作的默契程度，同時也要加強對學生的指導，糾正學生的錯誤操作，及時對學生的問題做出反饋。因為都是相同的樣品，所以最終結果可以進行平行比較，比如標準曲線中每個點相關性的好壞，配制、定容等操作的標準性與標準曲線的相關系數關系，樣品前處理的徹底程度和儀器的操作流程也決定了最后的實驗結果，每組的樣品重復進樣得到的結果要進行精密度分析，精密度越好，實驗效果越好。通過這些操作有效激勵了學生的細節(jié)意識和相互配合精神。不同的實驗考核，標準也不同，需要在今后的課堂中反復進行摸索，制定一整套適合儀器分析實驗的考核標準。

3 展 望

和國外高校的儀器分析實驗相比，吉林農業(yè)科技學院的儀器分析實驗課程還有很多問題需要改革，例如課程設置比較重視基礎和理論的學習，而國外更注重解決實際問題，可以讓學生自主選擇時間完成實驗，最后以墻報展示的形式匯報實驗內容，讓學生體驗完整的科研過程。借鑒這些經驗，學院可以增加學生獨立操作實驗和展示實驗成果的機會。另外，學生和教師不僅需要“走出去”，還需要請專家學者“走進來”。學院可以聘請企事業(yè)單位的高級技術人才來學校進行講座、授課或者是參與實習指導，結合學科前沿和社會熱點問題不斷更新實踐項目。歷屆畢業(yè)生也是學校寶貴的財富和資源，讓他們參與到課程的設計，參與到教師和學生的培訓中，推動教師的科研項目發(fā)展和學生的就業(yè)，激發(fā)學生自主學習熱情，為學生將來走向工作崗位打下良好的基礎。