生物儀器分析理論及實踐教學改革探索

黃 毅， 馬 林， 陳紅英， 李良春， 鄭仁林

(西南科技大學 生命科學與工程學院, 綿陽 621010)

伴隨技術的發(fā)展，科研創(chuàng)新中的儀器功能愈發(fā)強大，使得分析化學發(fā)生了深刻的變革。分析化學中的儀器分析，已成為生命、環(huán)境、材料、食品、醫(yī)藥以及航天科學等領域的重要研究工具。因此，在高等教育中，許多高校為了使培養(yǎng)的人才能從容面對新世紀科學技術快速進步的挑戰(zhàn)，早已將儀器分析列為相關專業(yè)學生必修的基礎課程。

在生命科學領域，儀器分析對該學科的滲透更是愈發(fā)快速，冷凍電鏡技術[1]、單細胞測序[2]等新分析技術的更新使很多生命科學進步由量變到質變，其已成為推動該學科發(fā)展的重要動力。相關專業(yè)(生物工程、生物技術等)學生通過掌握常用分析儀器的基本原理和操作技術，再通過實踐訓練，可顯著提高學生在未來研究或工作中樣品分析和解決問題的能力。由于儀器分析課程內容廣，部分高校生命學院為了體現(xiàn)其與生命科學的結合，將課程更名為“生物儀器分析”。但是，從本課程組文獻調研和與同行的教學交流中發(fā)現(xiàn)，生物儀器分析課程在國內的教學實踐依然存在教學內容不突出，理論及實踐內容和學科結合弱等諸多問題。我校通過對以上問題的反思，構筑了一套課程改革方案，并用了兩年時間革新實踐，獲得了一定的優(yōu)化結果。

1 現(xiàn)狀和問題

1.1 理論和實踐教材匱乏

因儀器分析隸屬化學學科[3]，市面現(xiàn)有教材多為分析化學專業(yè)所用教材的移植和壓縮，雖內容經典，但未能充分體現(xiàn)與生命科學學科的銜接。唯一相關教材是2014年由化學工業(yè)出版社出版的《現(xiàn)代生物儀器分析》，該書介紹在生物科學中應用的各種儀器分析方法，但內容非常寬泛，重點不突出，案例介紹較少。此外，在實驗教材方面，只有生物化學儀器分析實驗，臨床生化儀器分析實驗等教材，而無任何統(tǒng)一的生物儀器分析實驗教材可供采用。

1.2 課時少且內容繁雜

儀器分析涵蓋內容豐富，包括光、色、波譜及電化學等多領域。分析方法多，種類雜，儀器和方法均更新快速，各章內容又相對獨立，邏輯和連貫性不強。當其作為一門單獨課程，在有限學時內，學習難度會非常大。通常，生命科學相關專業(yè)僅在一學期中開設該課程，如果授課教師不能根據(jù)應用熱點和實踐條件做針對性的內容選擇和精簡，教學內容的繁雜會大幅降低教學效果。

1.3 實踐教學困難

作為一門實踐性很強的課程，實驗必須依托設備這一媒介開展。但該硬件條件受諸多因素影響，比如科研設備的專人使用，貴重設備的限制使用，舊設備的淘汰更換以及設備臺套數(shù)等客觀現(xiàn)實都將制約該課程的實踐教學。目前，部分學校該課程的實踐環(huán)節(jié)教學，仍多以大組演示和觀摩為主，鮮有小組學生直接操作。動手機會的匱乏造成學生即便理論考試成績再好，也無太多實際價值。

2 改革方案

任何有效改革的成功都需要考慮實際的環(huán)境現(xiàn)狀，本課程改革也遵循這一基本規(guī)律。首先，我們參考相關課程同行的做法，融合專業(yè)特色挑選教學內容[4-5]，根據(jù)我校生物工程、生物技術專業(yè)的常規(guī)應用點擬定教學范疇，摒棄不常用的教學章節(jié)；其次，調研現(xiàn)有學院可供該課程使用的設備并據(jù)此再次精選理論和實踐教學范圍。有以上基礎后，課題組再以“學以致用”為出發(fā)點，以實際生產和研究中的分析應用為導向，擬定具體教學章節(jié)和實踐項目。

2.1 理論教學

2.1.1 模塊重構

包括光、電、色、波譜分析等多個領域的儀器分析教學，其在生命科學領域的應用范圍較大，因此在有限的理論課學時下(理論教學32學時)選擇最適宜的教學內容至關重要。由于生物儀器分析的研究對象多是生物體中的各類分子，包括蛋白質、核酸、糖類等生物大分子，也涉及脂肪酸、維生素、氨基酸和一些有機小分子。因此，光譜分析(紫外可見分光光度法和紅外光譜法)、色譜分析(氣相色譜法、液相色譜法和平面色譜法)和電泳分析最常用。而生物樣品預制備主要介紹各種生物材料在分析前的通用處理方法(包括材料預處理，提萃取技術，固液分離，濃縮和干燥及樣品保存等)，是多數(shù)分析操作初始階段的相同工作，也是必講內容。以上4大模塊同時在實踐環(huán)節(jié)設備滿足度上也最易達成，因此應作為必講章節(jié)，不可省略。

另外，結合我校生物學專業(yè)特色——生物環(huán)境修復可選講原子吸收和發(fā)射光譜；專業(yè)特色——天然產物開發(fā)可選講核磁和質譜分析。對于學有余力的同學，給予部分自學內容供其自我提高。整體32學時的理論課學時分布如表1，這種教學模塊構成相比一般的儀器分析課程去掉了部分章節(jié)(比如熒光分析、電化學分析等)，但卻和生命科學方向結合更緊密，反而顯得精簡和實用。以上這些章節(jié)的實踐在生命科學相關院系也最易實現(xiàn)，理論學習后即可實踐加強。此外，課題組還自編講義，授課前下發(fā)PDF版講義給學生，大幅降低了該課缺乏統(tǒng)一教材的影響。

表1 生物儀器分析課程理論教學模塊

2.1.2 教學方法

病蟲害防治是冬棗幼果期的一項重要管理內容。病害主要防治炭疽病、斑點落葉病、銹病等，蟲害主要防治盲蝽蟓、紅蜘蛛、桃小食心蟲等。

1)講授的條理和重點。在課程教學時對每種儀器分析均按“基本原理→儀器結構→定性與定量分析方法→應用”為綱細致講解，以應用案例提升學生興趣并串起內容。如講授液相色譜章節(jié)時，首先列表介紹其在生命科學中的應用，再細致講明踏板理論、速率理論及各種色譜參數(shù)等基本知識。最后將色譜峰定性，內外標定量方法作為重點內容，以案例形式進行講解，力求讓學生學一個方法，就知其基本原理，應用面及如何使用。而一些固定相、流動相的種類及選擇優(yōu)化等高階內容就以PDF文件形式留作閱讀資料，讓學有余力的學生在課后自學。

2)音視頻和實物教學。多媒體質量的好壞是本課程理論教學水平提高的關鍵。PPT中要用圖片抓住學生注意力，視頻演示提升知識記憶度，再拿出實物展示，效果層層推進。課程組教師常會帶上一些小設備或報廢儀器的拆件進入理論課堂，面對實物講解原理、結構、功能和操作方法。比如講解樣品預處理時帶入渦旋混合器，紫外可見分光光度法教學時帶入比色皿，紅外光譜法教學時帶入KBr壓片，色譜法教學時帶入商用TLC薄層板和拆開的廢舊液相色譜柱。理論課上這些小實物的帶入再結合圖片和音視頻的使用會大幅優(yōu)化教學效果。

3)問題引導教學。通常在講解技術原理時，內容會比較深澀，學生難于理解。比如，在講授化學官能團的吸收光譜時，學生并不能在頭腦中形成直觀認識。這時可采用PBL問題引導式教學法[6]，首先和同學們討論顏色的形成機制——互補色原理(兩種色光以適當比例混合得到白光，紅色與綠色互補，藍色與橙色互補，紫色與黃色互補)[7]。當太陽光(白光)照射到物體上時，若物體吸取了波長為400～435 nm的紫光，則物體呈現(xiàn)黃綠色。因此對于吸收波長在300～400 nm處的黃酮類物質自然就顯示出淡黃色。通過這種問題引導方式教學，很快學生就能理解分子化學結構和吸收光譜波長間的對應關系，從而通過化學結構基本能預判最大吸收波長，快速掌握色譜和光譜分析中波長掃描的條件預設范圍。

4)“熱點案例”強調應用點。儀器分析在生命科學領域的應用很廣，在新聞中隨時都有最新案例可供引用。利用這種熱點案例引出章節(jié)，對學生的注意力吸引度很大。比如2008年奶制品三聚氰胺事件，可引出液相色譜法章節(jié)；2012年醫(yī)藥行業(yè)毒膠囊事件，可引出原子吸收發(fā)射光譜法章節(jié)；2012年白酒塑化劑事件可引出氣相色譜法章節(jié)等。熱點案例和平時生活息息相關，學生關注度很高，帶著問題的學習使得學生積極性大為提高，同時也迅速掌握了一種分析方法的應用點。部分同學課后還因興趣會跟蹤查閱新聞和文獻，提高了專業(yè)素養(yǎng)。

5)自學模塊推進學習新技術。由于課程學時有限而生物儀器分析本身發(fā)展非常迅速，因此對于新分析技術，教學組采用推薦PDF閱讀材料的形式讓學生自學了解，這樣既能在課上重點掌握常用分析方法，學有余力或有更大專業(yè)興趣的同學還能在課后大幅拓寬知識面。

2.2 實踐教學

實踐教育對儀器分析類課程非常重要，其是理論課的驗證和重要衍生，因為動手中學習所得會遠大于理論學習[8]。不過，實踐教育通常投入較大，客觀外在條件會限制該模塊的良好實施。因此，結合自身硬件情況合理安排該模塊是每個學院必須面對的問題。本課題組根據(jù)現(xiàn)有實際條件采用3個層次完成16學時實踐教學安排(表2)。

表2 生物儀器分析課程實踐教學模塊

2.2.1 基本實驗

基本實驗即學生能分組操作的實驗項目。課題組首先自編講義，結合理論課內容和現(xiàn)有硬件條件，優(yōu)選實用性實驗項目。比如測定我校后勤集團生產的“清源”牌飲用水中的鉀和鈉的含量(火焰原子吸收光度法)，測定我校所處川西北地區(qū)道地藥材天麻中天麻素的含量(液相色譜方法)，測定我院食品專業(yè)學生化工原理實驗制得的奶粉主要營養(yǎng)成分(紅外光譜法)等，這些實驗項目的開設緊密結合實踐生產需求，學生感覺學有所用，學有所得。

2.2.2 仿真實驗

由于儀器分析設備種類太多，不可能有時間和資源對學生進行全面教學，這時就需要仿真教學來彌補以上問題了。例如通過仿真教程模擬液相色譜分析過程，通過調整流動相的流速和種類，可以得到不同的出峰時間和峰型。這樣，學生既可以了解如何進行儀器設備的調試和操作，加深對色譜理論中塔板、速率理論的理解，又可大大降低實驗的成本。同時，可激發(fā)學生的學習興趣和鍛煉學生的科研能力。目前市售收費仿真軟件較多，但價格不菲，課題組在經費有限的情況下，通過一些收費軟件并結合部分免費仿真平臺的使用，比如Virtual Labs網站(http://vlab.co.in/index.php)，彌補了學生對儀器分析實踐知識點的擴充。

2.2.3 參觀

除仿真實驗外，課題組組織學生到本校分析測試中心或市級食藥質檢部門進行短暫參觀學習。在這些部門技術人員的講解下，學生可增加多種新設備的感性認識，了解最新前沿設備和應用，豐富學生的知識體系。

2.3 考核

教學效果需要合理的考核方式來評價，課題組在考核上也做了一定的革新。本課程涵蓋實驗，評價采用結構評分方式，期末考試成績占45%，自學部分提交的自學筆記占5%(可監(jiān)督學生完成自學內容)；實踐部分實驗操作現(xiàn)場評分占30%，實驗報告占20%。

教學的目的在于引導和激發(fā)學習熱情，而考核在于控制學生掌握重要知識點。因此期末考試內容主線非常明確，重點考查學生對基本概念、基本原理和方法的認識。同時，還強調對分析基本要素的理解，比如精密度、靈敏度、線性范圍、檢出限、選擇性和準確度等。除以上基礎測試外，設置約10%的綜合應用題，以理論聯(lián)系實際與專業(yè)密切結合的形式，重點考核學生對所學知識的綜合運用能力。如對生物工程專業(yè)的學生，設置檢測“地溝油”為目的的綜合題，讓學生說明使用什么方法，如何選擇儀器，樣品如何處理等？這種考核方式既考查了基礎，也考查了應用能力，可考查學生是否思考，真正學以致用。

3 教學效果

在針對生物工程和生物技術兩個專業(yè)，2013和2014級應用兩年以上改革方案后，我們對教務系統(tǒng)的學生反饋信息進行總結(表3)，顯示學生對生物儀器分析課程的認可度逐年提高，認為該課程有用的學生大幅度增加。

表3 教學效果反饋結果

綜上，生物儀器分析課程的開設對生命科學相關專業(yè)的學生學習專業(yè)知識、擴展視野和培養(yǎng)實驗及研究能力有很大的作用。通過對本專業(yè)開設的生物儀器分析課程教學改革的初步探索，加強了本課程對專業(yè)的適應性，改善了課程的教學質量和效果，調動了學生學習的積極性和主動性，提高了學生運用知識、解決問題的能力，為他們今后的學習、科研和工作打下了堅實的基礎。課題組后續(xù)還將利用“PDCA循環(huán)”模式[9]持續(xù)改進教學方法，并參考同行的做法，從開放性實驗循環(huán)開課[10]和科研創(chuàng)新團隊實驗[11]入手，擴大課程受眾面，這也有利于生命科學專業(yè)對全校的展示和各種交叉學科學習和研究的促進。