海洋化學(xué)儀器分析授課模式與內(nèi)容探討*

胡耀強(qiáng)

(廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088)

隨著社會進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量的專業(yè)問題包括化學(xué)、生物、環(huán)境等方面問題需要借助儀器分析手段解決。儀器分析是指通過測量物質(zhì)某些物理或物理化學(xué)性質(zhì)、參數(shù)及其變化來確定物質(zhì)的組成、成分含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析方法[1-2]。近幾十年來科學(xué)技術(shù)越來越朝著信息化、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，這使得分析儀器得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，也導(dǎo)致了儀器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化[3]。伴隨著計(jì)算機(jī)和高新技術(shù)的應(yīng)用，快速、靈敏、自動(dòng)化是現(xiàn)代儀器分析追求的發(fā)展方向。而且隨著學(xué)科不同分支的迅猛發(fā)展，各分支學(xué)科之間的差異愈發(fā)明顯，在進(jìn)行分析測試工作時(shí)所用儀器的差異更大，也意味著不同高校需要更針對性的根據(jù)自身特長開設(shè)儀器分析課程。

海洋化學(xué)研究海洋各部分的化學(xué)組成、物質(zhì)分布、化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)過程，并研究海洋化學(xué)資源在開發(fā)利用中所涉及的化學(xué)問題的科學(xué)[4]。本學(xué)科所研究的主要對象為海水，但海水體系組分復(fù)雜，各組分間相互干擾，該特點(diǎn)決定了各參數(shù)的獲取十分依賴儀器分析，說明了儀器分析技術(shù)對海洋化學(xué)學(xué)科發(fā)展具有極其重要的作用。因此，本科生開設(shè)本門課程的意義是培養(yǎng)出具有系統(tǒng)理論知識和一定操作經(jīng)驗(yàn)的研究型人才，能夠初步具備從事海洋化學(xué)分析測試工作基礎(chǔ)。

1 存在的問題

(1)課程開設(shè)模式簡單

隨著分析技術(shù)的發(fā)展，大型儀器種類越來越多，功能愈發(fā)強(qiáng)大，對學(xué)科發(fā)展越來越重要。而課程通常以理論講述為主，儀器操作多為演示形式，理論與實(shí)踐結(jié)合程度低，這是因?yàn)榇笮头治鰞x器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單價(jià)較貴，每種儀器臺數(shù)通常只有一臺。大型儀器是現(xiàn)代科技的結(jié)晶，其中多包含物理學(xué)科中的電、磁、光學(xué)，以及物理化學(xué)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等[5-6]，內(nèi)容涉及面廣且抽象，學(xué)生理解難度大，造成學(xué)生積極性降低，甚至無法理解復(fù)雜的工作流程，這是較難解決的問題?，F(xiàn)在學(xué)校推行學(xué)分制改革，一些專業(yè)課課時(shí)被削減，儀器分析課程面臨同樣的問題。而分析工作本身就是一項(xiàng)非常注重細(xì)節(jié)且費(fèi)時(shí)的工作，且現(xiàn)代分析儀器的技術(shù)含量越來越高，需要更多的時(shí)間來完成系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)。通過有限的幾個(gè)課時(shí)的學(xué)習(xí)，無法做到像工程師一樣精通，且對于學(xué)生來講需要完成多種儀器的理論和基本操作的學(xué)習(xí)。這與壓縮課時(shí)形成的矛盾變得更加明顯，只有通過更多的課余時(shí)間學(xué)習(xí)和更高效的課堂效率才能緩解這項(xiàng)矛盾。

(2)課程內(nèi)容針對性欠缺

理論對實(shí)踐具有指導(dǎo)作用，理論知識的學(xué)習(xí)是重中之重，只有具備了完成的理論知識體系，才可以在后續(xù)儀器操作過程中面臨問題時(shí)懂得分析問題和解決問題。因此，教材內(nèi)容以系統(tǒng)性介紹儀器的基礎(chǔ)工作原理為主。海洋化學(xué)和普通化學(xué)及材料學(xué)的研究內(nèi)容存在較大差異，其所用儀器種類和處理的樣品類型、流程亦存在很大程度的不同。目前，儀器分析教材基本針對普通化學(xué)和材料學(xué)專業(yè)所需內(nèi)容進(jìn)行編撰，其中介紹的多種儀器的類型或樣品案例并不貼合海洋化學(xué)需求，也缺少樣品采集和預(yù)處理過程的編寫。該課程的實(shí)驗(yàn)教材中設(shè)置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也不適于海洋化學(xué)教學(xué)使用，無法利用有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間掌握海水體系樣品的分析步驟及注意事項(xiàng)。

儀器分析是利用物質(zhì)的物理性質(zhì)或者物理化學(xué)性質(zhì)對物質(zhì)的種類和濃度進(jìn)行分析，這使得儀器工作原理的理論知識更多的是物理方面的理論。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原理精深，更新?lián)Q代快，不同廠家、型號的同類儀器仍然存在較大差異。隨著分析技術(shù)的進(jìn)步，儀器種類增多，科技含量越來越高，甚至某些新型號儀器的工作原理已與書中介紹存在較大差異，教材內(nèi)容無法及時(shí)更新。此外，在儀器進(jìn)行定量分析時(shí)通常情況下需要對結(jié)果信號進(jìn)行峰高或峰面積的測算，教材中對此部分進(jìn)行了詳細(xì)講述，但現(xiàn)在的儀器多配備工作站，基本可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的一站式處理，應(yīng)適當(dāng)安排更多課時(shí)講述使用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的實(shí)際操作。

2 教學(xué)模式改革

針對以上所述問題，根據(jù)個(gè)人對海洋化學(xué)的一些了解和前期從教經(jīng)歷，淺談對于海洋化學(xué)專業(yè)儀器分析課程開設(shè)的觀點(diǎn)，更好的提升儀器分析課程開設(shè)的效果。

多學(xué)科交叉是儀器分析課程的顯著特點(diǎn)，內(nèi)容抽象不易理解?，F(xiàn)場教學(xué)具有自身特有的優(yōu)勢，經(jīng)過我們此前的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)場講述儀器的工作原理收獲到很好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率得到極大提升，對儀器抽象工作原理的理解難度降低。但受限于實(shí)驗(yàn)室的空間，無法一次性完成整個(gè)班級的現(xiàn)場教學(xué)，必須對學(xué)生進(jìn)行分組，以小班的形式進(jìn)行教學(xué)。此時(shí)，可安排同一大類的多種儀器的工作原理講解和實(shí)驗(yàn)操作同時(shí)進(jìn)行，以提升課程進(jìn)行效率，避免了學(xué)生的排隊(duì)等待現(xiàn)象。任課老師向第一組學(xué)生講述后，由先學(xué)小組同學(xué)向后學(xué)小組同學(xué)復(fù)述老師所講內(nèi)容，老師從旁監(jiān)督補(bǔ)充，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，提升對專業(yè)知識點(diǎn)理解程度。

分析儀器推陳出新，大量新技術(shù)的應(yīng)用使儀器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。但展現(xiàn)技術(shù)也在快速發(fā)展，通過多種展現(xiàn)形式為學(xué)生帶來多感官體驗(yàn)，增加課程吸引力。在不遠(yuǎn)的將來虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、裸眼3D等新技術(shù)將走進(jìn)千家萬戶。近期受疫情影響，國內(nèi)各階段學(xué)校興起網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，也加速這些新展示技術(shù)進(jìn)入到課堂教學(xué)中，彌補(bǔ)目前網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的短板，極大提升教學(xué)效果。

海洋化學(xué)研究過程中需要多種大型分析儀器的輔助，這些大型儀器基本上是專人負(fù)責(zé)操作和維護(hù)。一位任課老師可能無法精通課程所需的全部大型儀器，在實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行的過程中需要多位老師提供支持，組建課程小組，可錄制操作講解視頻，將課堂內(nèi)容按知識點(diǎn)制作成慕課，以便學(xué)生利用課下時(shí)間進(jìn)行自學(xué)。為調(diào)動(dòng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，鼓勵(lì)學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的準(zhǔn)備工作中來。

再高效的學(xué)習(xí)也無法使學(xué)生僅利用課堂時(shí)間就能完成儀器分析的全部任務(wù)，應(yīng)將儀器分析的學(xué)習(xí)貫穿到整個(gè)本科階段，比如畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)儀器原理及操作的良機(jī)。增強(qiáng)與其他課程的聯(lián)系程度，提供實(shí)踐機(jī)會，鼓勵(lì)本科生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，與學(xué)院老師的科研工作緊密結(jié)合，能夠利用課余時(shí)間跟隨專業(yè)老師精學(xué)一至兩種大型儀器，達(dá)到能獨(dú)立完成多種類型樣品的分析工作。專業(yè)老師協(xié)助學(xué)生完成大創(chuàng)項(xiàng)目，在完成項(xiàng)目的過程中基本會利用到一種或多種分析儀器，定會有助于學(xué)生對于分析類儀器的學(xué)習(xí)。

隨著儀器的更新?lián)Q代，舊的儀器保留下來，部分拆解后暴露內(nèi)部結(jié)構(gòu)，上課時(shí)作為展示使用，使得學(xué)生能夠更加直觀的了解儀器的工作原理。課余時(shí)間如有儀器安裝調(diào)試，積極鼓勵(lì)學(xué)生參加培訓(xùn)。加強(qiáng)校企合作，帶學(xué)生進(jìn)入儀器制造企業(yè)參觀，了解儀器的制造過程和市場需求等情況，提升學(xué)生學(xué)習(xí)儀器分析的興趣，加深對儀器理論和工作原理的理解程度。

3 貼合海洋化學(xué)需求的內(nèi)容設(shè)置

深度優(yōu)化本門課程內(nèi)容，課程內(nèi)容要與海洋化學(xué)學(xué)科發(fā)展相貼合，不可完全采用與普通化學(xué)或材料學(xué)相同的理論課程和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

針對海洋體系的樣品特點(diǎn)展開理論介紹和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如原子吸收分光光度計(jì)受自身檢測原理和檢測限的影響，無法直接測定海水中的銅、鉛、鎘等微量金屬離子，需借助萃取-反萃取前處理過程，且測定速率低，每次只能測定一種元素的濃度。隨著儀器分析技術(shù)的發(fā)展，ICP-MS越來越普及，它在測定海水中元素濃度方面具有原子吸收分光光度計(jì)難以匹及的優(yōu)勢，分析速度快且檢測限低，可直接測定海水中微量及痕量的元素濃度。因此應(yīng)將原子吸收分光光度計(jì)這部分內(nèi)容進(jìn)行刪減，增加ICP-MS的介紹。紫外-可見分光光度計(jì)部分的講解可與海水中有色溶解有機(jī)物的分析以及顯色法分析營養(yǎng)鹽等內(nèi)容相結(jié)合。色譜儀器是分析儀器中非常重要的一種，可將海水和沉積物中天然有機(jī)物和農(nóng)藥含量的測定與色譜的應(yīng)用相結(jié)合。

同位素是海洋化學(xué)研究的重要手段，通過同位素的含量分布、存在形式、來源和歸宿等研究海洋化學(xué)的系列問題[7]。同位素具有濃度低、分析精度要求高，為使結(jié)果具有可對比性，要嚴(yán)格參照標(biāo)準(zhǔn)操作進(jìn)行。因此，同位素包括穩(wěn)定同位素和放射性同位素的測定同樣是本專業(yè)儀器分析課程的重要內(nèi)容，這一點(diǎn)有別于普通化學(xué)和材料學(xué)科。這使得質(zhì)譜必須作為本門課程的重要組成部分，測定放射性同位素的能譜儀也變的非常重要。

網(wǎng)絡(luò)課不能完全取代課堂教學(xué)，儀器分析要求學(xué)生掌握系統(tǒng)的理論知識和操作技能，而網(wǎng)絡(luò)課不能鍛煉學(xué)生的操作技能。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課設(shè)置時(shí)應(yīng)將樣品采集、預(yù)處理、上機(jī)測試、數(shù)據(jù)分析貫穿起來執(zhí)行，實(shí)驗(yàn)主題應(yīng)于海洋化學(xué)專業(yè)的研究方向結(jié)合，例如傅里葉變換紅外光譜儀是化學(xué)與材料學(xué)科必講的一種儀器，用以分析物質(zhì)中化學(xué)鍵的類型。在本專業(yè)課程中應(yīng)將其與海洋中微塑料的研究結(jié)合起來，開展實(shí)驗(yàn)時(shí)將海水、沉積物中微塑料的采集過程、紅外測定過程和微塑料的分子結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來。

在示范標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí)，仍需提出問題并進(jìn)一步解釋其原因，避免學(xué)生在此過程中處于機(jī)械式重復(fù)的狀態(tài)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏思考，對分析過程理解不透徹，在遇見新的分析問題時(shí)具備到舉一反三和探究的能力。此外，儀器廠家的宣傳冊和多媒體材料具有最新的儀器信息，整理這些素材，在實(shí)驗(yàn)課時(shí)將最新的儀器宣傳冊、使用指南提供給學(xué)生自我學(xué)習(xí)，降低儀器品牌的差異和型號的更新?lián)Q代帶來的影響，本門課程雖不能徹底解決版本差異問題，但有了前期掌握的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，后續(xù)使用不同品牌型號儀器時(shí)可以更容易的熟悉儀器和上手操作。

4 結(jié) 語

針對本門課程的特點(diǎn)，我們在教學(xué)過程中仍需不斷的積累總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，重視研究內(nèi)容和教材建設(shè)的結(jié)合，編排適合的教材，深度優(yōu)化課程內(nèi)容，嘗試現(xiàn)場授課、制作幕課、虛擬仿真等多種展示手段，給學(xué)生帶來多感官體驗(yàn)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，以期提升課程對學(xué)生的培養(yǎng)效果。