國內(nèi)外儀器分析教材的對比研究*

翁立洋，馮 啟

(浙江外國語學院科學技術學院，浙江 杭州 310023)

儀器分析作為分析化學的一大分支，是一門技術和理論知識含量很高的應用型化學課程，具有多學科交叉性、前沿性和發(fā)展性的特點，是培養(yǎng)一流化學化工復合型高技術人才的必修課程。近年來，儀器分析的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)如下特點：從常量分析逐步轉(zhuǎn)向微量分析和痕量分析；由元素成分分析轉(zhuǎn)為綜合形態(tài)分析發(fā)展；測量方式由離體檢測向活體實時、在線分析轉(zhuǎn)變；分析儀器逐步智能化、芯片化、微型化，分析對象轉(zhuǎn)向生命科學。目前儀器分析課程教學中存在教學內(nèi)容繁雜、課程內(nèi)容陳舊和實驗教學效果差等問題[1]，難以服務于培養(yǎng)具有扎實理論知識、適應現(xiàn)代科技發(fā)展的創(chuàng)新型人才的目標。

國內(nèi)的教育工作者對于儀器分析課程的教學改革進行了不斷地嘗試與探索，包括翻轉(zhuǎn)課堂[2]、虛擬實驗技術[3]、多媒體技術[4-5]、BOPPPS教學模式[6]、科研型教學[7-8]和混合式教學[9]等，為課程教學提供了新思路和新材料。隨著各分析化學領域一系列的發(fā)展，國內(nèi)外涌現(xiàn)出不少優(yōu)秀的儀器分析教材。同時，由于國內(nèi)外長久以來學科發(fā)展情況和教學模式的差距，中外儀器分析教材的編寫有很大不同。本文的主旨在于對比國內(nèi)外經(jīng)典教材的內(nèi)容編排方面的特點，為儀器分析課程教材的選用提供參考。

表1 國內(nèi)高校常用儀器分析教材

續(xù)表1

6儀器分析郭旭明化學工業(yè)出版社第一版2014.37儀器分析張紀梅中國紡織出版社第一版2013.68儀器分析李繼萍北京理工大學出版社第一版2013.410儀器分析董慧茹化學工業(yè)出版社第三版2016.811儀器分析陳浩科學出版社第三版2019.612儀器分析白玲化學工業(yè)出版社第一版2013.913現(xiàn)代儀器分析干寧化學工業(yè)出版社第一版2016.114儀器分析孫延一華中科技大學出版社第二版2019.315儀器分析王元蘭化學工業(yè)出版社第一版2014.316基礎儀器分析黃承志科學出版社第一版2018.317儀器分析原理何金蘭科學出版社第一版2016.1218新編儀器分析高向陽科學出版社第四班2017.1219儀器分析教程劉坤平華中科技大學出版社第一版2019.420儀器分析嚴拯宇東南大學出版社第二版2016.821儀器分析教程朱鵬飛化學工業(yè)出版社第二版2016.922儀器分析姚開安南京大學出版社第一版2014.723儀器分析曾元爾科學出版社第一版2017.324儀器分析賈春曉河南科技出版社第二版2015.3

1 對比教材的選取

根據(jù)筆者的統(tǒng)計，近五年來國內(nèi)面向本科院校的儀器分析教材多達24種，如表1所示。其中武漢大學聯(lián)合廈門大學、中山大學、南開大學和浙江大學等高校主編的《分析化學(下冊)》是國內(nèi)最暢銷、受眾最廣的儀器分析教材，已于2018年出第六版，因此將其作為國內(nèi)教材的代表。國外教材方面，結(jié)合張立新等[10]對于多本國外教材的綜合評論，選用《Principles of Instrumental Analysis》(第六版)，主要原因是《Principle of Instrumental Analysis》的作者寫過多本分析化學教材，對分析化學以及儀器分析課程教學和教材編寫均富有經(jīng)驗，在美國、中國香港、新加坡、澳大利亞等國家和地區(qū)高校均獲得較高的評價。國內(nèi)外的這兩本教材自從面世后就不斷根據(jù)新的研究成果進行教材的改版升級，能夠反映當前儀器分析課程的整體面貌，是較為合理的對比研究對象。

表2 國外高校常用儀器分析教材

2 兩本教材的基本情況

2.1 《分析化學(下冊)》的編排體系

《分析化學(下冊)》是“十二五”普通高校教育本科國家級規(guī)劃教材。在編寫時參考了國內(nèi)外最新版本的儀器分析教材，習題解答等配套教輔材料比較豐富。該教材主要作為儀器分析基礎課程來使用，全書分為23章，主要內(nèi)容包括：光譜分析法、電化學分析法、核磁共振波譜法、質(zhì)譜法、色譜法、毛細管電泳法等，還適當?shù)亟榻B了如表面分析、熱分析、流動注射分析及微流控技術、各種聯(lián)用技術等內(nèi)容。限于篇幅，未涉及很多應用較少的儀器分析技術的介紹，總體的結(jié)構(gòu)安排是相當合理的。全書重心放在儀器分析方法和技術的基本原理、儀器結(jié)構(gòu)及應用，并附有思考題、練習題和參考資料。

本書作為最受歡迎的國內(nèi)基礎儀器分析教材，主要有以下優(yōu)點：內(nèi)容知識面廣、涉及學科多，本書在編寫中精選基礎知識，理論聯(lián)系實際，突出儀器分析內(nèi)容在化學學科教學中的基礎作用；內(nèi)容既精益求精，又注重拓寬知識范疇，反映了學科發(fā)展與交叉滲透的新成果。文字方面具有通俗易懂，深入淺出，便于自學的特點。

2.2 《Principle of Instrumental Analysis》的編排體系

《Principle of Instrumental Analysis》(中文譯為《儀器分析原理》)由斯坦福大學的D M Skoog教授主編，是美國影響力最高的儀器分析教材之一，目前的第六版繼承了前幾版的主要優(yōu)點，根據(jù)學科技術發(fā)展的特點，詳細、系統(tǒng)地介紹了儀器分析的基本原理和基本概念，知識結(jié)構(gòu)安排合理，用處于科技前沿的最新理論和模型來解釋基本原理，同時也介紹了各分析方法的具體應用。作者在更新的版本中不斷介紹引入新技術和新特色，可以使讀者體會到儀器分析的發(fā)展與進步。

從第五版開始，本書開始把原先相對獨立的章節(jié)編排、內(nèi)容堆疊方式，改為相互聯(lián)系的方法，把內(nèi)容分為六個部分。相較于先前的版本，閱讀與使用更為方便，且教學內(nèi)容有機結(jié)合，有利于教學展開。本書內(nèi)容較為突出的方面包括：

(1)充分考慮質(zhì)譜法的發(fā)展進程和應用情況，本書中質(zhì)譜法相關內(nèi)容分為兩個部分：就原子質(zhì)譜法的部分，主要敘述質(zhì)譜儀和質(zhì)譜法的基礎知識，詳細地介紹了質(zhì)譜法的特殊離子化方法如何應用于原子分析實驗，相應地敘述電感耦合等離子體，輝光放電及火花源等的基本結(jié)構(gòu)及應用。同時介紹用質(zhì)譜法進行表面原子分析的新技術，較為完整的體現(xiàn)了質(zhì)譜法應用于元素分析領域的發(fā)展過程；在分子質(zhì)譜法部分，作者主要介紹有機化學和生物化學中質(zhì)譜法的應用，特別是應用于有機化學中的各種離子化方式及應用的介紹更為詳細。同時在生化質(zhì)譜法部分，作者還介紹了科技前沿的基質(zhì)輔助激光解析電離技術，并給出該技術在蛋白質(zhì)和多肽質(zhì)譜分析的典型應用。

(2)在最新的版本中，對于已有的各種知識予以保留，重點在于加入了前沿技術的基本原理和應用的介紹。例如分光光度法章節(jié)中增加了電感耦合器件(CCD)、光電二極管陣列(PDA)和探針式光度計檢測等技術方法；在色譜與分離技術一章，把前幾版中僅以一小節(jié)敘述帶過的毛細管電泳和電色譜、超臨界流體萃取和超臨界流體色譜兩種方法，在新版本中獨立成章，以展示兩項技術的最新發(fā)展；同理，在核磁共振內(nèi)容部分，加入了廣泛應用于醫(yī)學領域的核磁共振成像技術的基本儀器和原理介紹，以及表面光譜和顯微分析章節(jié)。教材同樣介紹了在納米材料研究中應用的原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡，說明該書沒有局限于介紹純化學的先進技術，有利于讀者拓寬視野。

(3)在每章節(jié)的前面先簡要介紹了本章將要學習的內(nèi)容，這類儀器分析技術的起源與發(fā)展，對于學術界的影響以及各階段取得的成就，給讀者建立起一個儀器分析技術發(fā)展史的印象，有助于對知識的把握。

3 兩本教材的對比

3.1 兩本教材的內(nèi)容對比

現(xiàn)代的儀器分析的綜合性較強，除了以化學基本原理和實驗技術為基礎，也同物理、生物、化學計量學、計算機科學和自動化等學科相結(jié)合，這一點在國內(nèi)外兩本教材中都易觀察到。

當然，鑒于國內(nèi)外作者的學識背景、生活文化和個人思路的差異，不同的教材自有極多的不同之處。《Principles of Instrumental Analysis》具有典型的美國教材模式，在原理部分沒有很深的學科界限。整體來看，該教材內(nèi)容由淺入深，介紹詳細，比如電位滴定法一章，介紹每一種電極時常會介紹很全面的知識，在玻璃電極章節(jié)甚至大篇幅地介紹了一種“維克玻璃”，使教材更生動；此外，武漢大學版的《分析化學(下冊)》雖然全書較厚，但是相比于國外教材，內(nèi)容相對精簡，點到為止?！禤rinciples of Instrumental Analysis》注重知識的完整性，鋪墊和連接部分做的較好。若是一個入門人士，拋開英語語言障礙，選用《Principles of Instrumental Analysis》可能會更為輕松，更有益于對知識更深層次的把握，也更適合研究性學習。

相反，《分析化學(下冊)》考慮到國內(nèi)高校實際教學情況，以PPT等課堂教學技術作為輔助教學工具，整個教材的編排較為簡潔，實際教學效果顯著。從知識系統(tǒng)化的角度講，一本教材也并不是要朝著把書寫厚，包羅萬象為目標，而是應該層次分明，詳略得當，突出重點。有時適當?shù)膭h減簡略，也不失為一種好的做法。在目前化學化工類儀器分析課程課時在64～72學時的安排下，《Principles of Instrumental Analysis》由于篇幅較長，是不可能做到面面俱到的，而選擇《分析化學(下冊)》較為合適。

表3 國內(nèi)外教材中的電位分析法章節(jié)

3.2 具體教材章節(jié)的對比

無論是國內(nèi)教材還是國外教材，儀器分析所包含的學科知識之廣，使得全書的內(nèi)容對比難以在一篇文章中羅列。因此，此處僅選取電位分析法的內(nèi)容作為比較素材，以下表格給出了國內(nèi)外教材的章節(jié)標題的對比。

從表3中各章節(jié)的標題可以發(fā)現(xiàn)，在教材內(nèi)容的寬度和深度方面，國外教材都更勝一籌。比如離子選擇電極這一內(nèi)容，在《儀器分析(下冊)》中僅用一小節(jié)(14.4)進行簡單介紹，而在《Principles of Instrumental Analysis》中，離子選擇電極用了三節(jié)的內(nèi)容進行介紹(23D、23E和23F)；國外教材還加入了很多科技前沿的新知識，這些內(nèi)容在國內(nèi)的儀器分析教材中往往不做介紹，比如離子選擇電極部分的離子敏感場效應晶體管，又如整個分子選擇電極部分。

在pH的實用定義中，兩本教材給出了不同的定義式?！秲x器分析(下冊)》給出是式(1)，而《Principles of Instrumental Analysis》中給出的是式(2)，兩者的區(qū)別在于在電池圖解式中，玻璃pH電極位于左側(cè)(《儀器分析(下冊)》)還是右側(cè)，從而推導出不同的定義式。

(1)

(2)

此外，兩本教材的前半部分的整體內(nèi)容編排還算一致，各自的后半部分內(nèi)容有各具特色，側(cè)重不同，例如中文版的最后部分介紹了如何應用軟件進行數(shù)據(jù)處理以及自動電位滴定儀的介紹，這一點國外教材未提及；同理，國外教材電位測定小節(jié)的校準法也沒有出現(xiàn)在國內(nèi)的教材中。

盡管部分章節(jié)內(nèi)容不同，這兩本教材也存在很多相同之處：(1)不同的編者由于自身學習的課程體系不盡相同，往往會根據(jù)自己的習慣使用符號，這往往給讀者對比是造成困難。本文選用的兩本教材，從電位分析法部分來看，公式和符號一致性較高，解釋概念時大意接近，降低了初學者的閱讀困難。(2)作為一門實用性強的學科，國內(nèi)外的儀器分析教材都加入了豐富的圖示元素，除去部分的實物圖外，大多為效果更形象更直觀的模型圖，同時描述性圖形被廣泛運用于需要圖例注釋的地方，有助于對知識的理解。

4 結(jié) 語

如果以一個比喻來概括兩本教材的風格，那么《Principles of Instrumental Analysis》像是一幅醫(yī)學中的人體解剖圖，大到人體器官，組織，小到肌肉，筋脈都詳細描繪；《分析化學(下冊)》則是一幅人體骨骼框架圖，梳理了脈絡，搭建了基礎。兩書互有值得借鑒的地方，如果在雙語教學中使用得當，課時安排合理，以國內(nèi)教材作為主授課，在為學生搭建知識體系后，以國外教材作為進一步閱讀的輔導書，或是選用其內(nèi)容作為課堂講授，可以達到“1+1>2”的教學效果。