大型儀器平臺在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用與實踐

王雁南， 盧 媛， 陳翠紅， 展思輝

（南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300350）

0 引 言

儀器分析課程是高等院?；瘜W(xué)、環(huán)境、藥物、生物、材料等專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)課程，儀器分析課程的上機實驗是該課程的重要組成，通過理論聯(lián)系實踐，可以加深對儀器原理的理解，也為今后的科研工作打下基礎(chǔ)。隨著儀器的不斷推陳出新，儀器分析課程也應(yīng)該打破傳統(tǒng)的教學(xué)方式，及時改進教學(xué)方法和方式，實現(xiàn)與時俱進［1-3］。

目前，傳統(tǒng)的分光光度計、原子吸收、紅外光譜儀等在儀器分析實驗教學(xué)中已有成熟的應(yīng)用，各個學(xué)科的學(xué)生均會開展相關(guān)驗證類實驗課程，學(xué)校統(tǒng)一安排此類課程的開展。但是，儀器分析實驗教學(xué)的開展存在著一定的問題。配套的儀器每種只有一臺，常常在實驗教學(xué)中只能用來演示實驗，很難做到每個學(xué)生都能接觸到儀器，缺少獨立的操作過程，更沒有創(chuàng)新和設(shè)計性的實驗。另外，實驗教師往往采用灌輸式教學(xué)，上課內(nèi)容很少隨著技術(shù)的進步改動，內(nèi)容單一，缺少師生互動，很難顧及到每個學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問題［4］。最后，實驗課程更側(cè)重儀器的操作與結(jié)果的驗證，對于不同的實驗樣品前處理甚少涉及，缺少對樣品預(yù)處理的技能培養(yǎng)［5-7］。以上問題都造成了實驗課的效果一般，教學(xué)質(zhì)量不高，儀器實驗課程經(jīng)常變成走馬觀花的過程。

大型儀器共享平臺是高等院校為提高公共實驗資源的合理利用而建設(shè)的公用儀器平臺。各個學(xué)院會根據(jù)學(xué)科需求采購需求量大、有專業(yè)特色功能要求、性能較好的進口儀器，由專人負責(zé)儀器的使用管理與維護。我校大型儀器平臺于2010年開始建設(shè)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院作為第一批納入儀器平臺的學(xué)院，目前擁有大型儀器20余臺，儀器管理人員9位，并于2016年開始籌備針對碩士生開展的具有專業(yè)特色的儀器分析實驗課。

1 大型儀器平臺開展儀器分析實驗課的優(yōu)勢

（1）大型儀器平臺管理的儀器主要承擔(dān)院內(nèi)外及社會的測試任務(wù)，所購置的儀器均為型號較新、配置較高的儀器設(shè)備［8］。由于由專職設(shè)備管理人員負責(zé)其使用與維護，有任何問題均及時解決，故所有平臺設(shè)備均在正常使用中，儀器狀態(tài)完好。同時，全年均有測試任務(wù)，很少長時間停機，也就避免了教學(xué)專用儀器在非開課時間的長時間停機引起的儀器易發(fā)故障與維護成本。

（2）大型儀器平臺儀器有專門的儀器室，每臺儀器均有教師專人管理。工作在儀器管理與分析測試工作一線的教師，知識儲備與分析經(jīng)驗十分豐富。儀器分析課程采用分組教學(xué)的方式，每組學(xué)生3或4人，每臺儀器的課程為2～4課時，有充分的時間與空間，讓每個學(xué)生都參與樣品的預(yù)處理與儀器的操作，同時有不解之處可以及時與教師交流，給學(xué)生提供機會系統(tǒng)學(xué)習(xí)，全程參與所選儀器樣品前處理、儀器操作使用到數(shù)據(jù)處理的整個實驗過程［9］。

（3）由本學(xué)院儀器平臺開展實驗課，立足于本學(xué)科，開展實驗的儀器均為本院常用儀器，相關(guān)案例貼近本專業(yè)熱點問題，測試樣品也均為本領(lǐng)域常規(guī)樣品，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時，可以更有針對性地培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生的儀器分析技術(shù)，提升學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)與工作中遇到相關(guān)問題的解決能力［10］。

（4）傳統(tǒng)的實驗課程通常為簡單的通用樣品，對預(yù)處理過程涉及甚少。而儀器平臺接觸樣品眾多，熟知各類樣品的預(yù)處理要求，通過課程的開展，系統(tǒng)地講解每種樣品的預(yù)處理要求，有助于學(xué)生掌握諸如消解、過柱等樣品前處理相關(guān)知識［11］。

（5）在編寫講義與教學(xué)內(nèi)容的準備過程中，儀器負責(zé)教師也會對儀器原理與最新應(yīng)用進行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，提升儀器負責(zé)教師隊伍的理論知識水平。

（6）儀器平臺對學(xué)生進入儀器室有嚴格的考核制度，包括儀器操作規(guī)范與實驗室安全意識。經(jīng)過儀器分析實驗課培養(yǎng)過并通過考核的學(xué)生自動歸檔為準入儀器室學(xué)生。在以后開展科研工作過程中需儀器平臺支持時，可免試進入。

2 利用大型儀器平臺開展儀器分析實驗課的實踐

2.1 儀器分析實驗課程目標

儀器分析實驗課程的開展有助于學(xué)生將理論課程與實際操作相結(jié)合，加深對儀器原理的理解，學(xué)習(xí)儀器對樣品的預(yù)處理要求與儀器操作方法，掌握不同樣品的不同指標所需儀器與相應(yīng)的方法，學(xué)習(xí)不同數(shù)據(jù)的處理方法，同時培養(yǎng)實驗室安全意識，全面提升學(xué)生綜合分析能力與實驗研究能力［12-14］。

2.2 課程設(shè)置與講義編寫

目前，大型儀器平臺配備離子色譜儀、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜儀、原子吸收光譜儀、x射線衍射分析儀等常規(guī)儀器，還有共聚焦顯微鏡、原子力顯微鏡、元素分析儀等特色儀器，基本覆蓋了本學(xué)科用于樣品分析的各類儀器。在課程設(shè)置（見表1）的過程中，選擇了使用頻率高，具有代表性的儀器，并設(shè)計了環(huán)境學(xué)科涉及的相關(guān)真實環(huán)境樣品的環(huán)境指標的基礎(chǔ)實驗作為實驗內(nèi)容，設(shè)置了大于學(xué)生應(yīng)選實驗課的課時數(shù)量，以供學(xué)生選擇感興趣或與自身方向契合度高的實驗有針對地提升知識儲備。

表1 南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院儀器分析課程項目表

由于儀器配置與方法更新速度很快，本院結(jié)合基礎(chǔ)理論知識與最新實際狀態(tài)自主編寫實驗講義，同時隨著新設(shè)備、新方法的引進，及時更新改進講義。講義內(nèi)容包括儀器原理、樣品前處理要求、儀器方法設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、注意事項與思考題。最后系統(tǒng)地對各個儀器講義進行分類整合，形成自主編寫教材并于課程開始前下發(fā)。

2.3 儀器分析實驗課程開展方式

（1）理論講授。儀器種類眾多，原理復(fù)雜，相關(guān)知識包括儀器的原理與結(jié)構(gòu)、分析方法、數(shù)據(jù)分析等，采用多種手段相結(jié)合的方法可顯著提高學(xué)生對原理的掌握能力。除使用幻燈片放映的演示方法外，還可結(jié)合多媒體方式，引入儀器應(yīng)用案例與視頻增加趣味性與啟發(fā)性。也可采用對比教學(xué)的方法加深學(xué)生對相關(guān)知識的觸類旁通，如在色譜教學(xué)中，思索氣相色譜、液相色譜及離子色譜的相似與不同，如何在原子吸收儀與電感耦合等離子體質(zhì)譜中選擇測量樣品中金屬元素含量等，這也對學(xué)生今后科研工作中測試儀器的選擇打下基礎(chǔ)。

（2）課堂互動與提問。針對預(yù)習(xí)情況與在理論講授過程中涉及到的思考點進行互動與提問。問題圍繞著實驗原理以及儀器分析基礎(chǔ)相關(guān)知識展開，引導(dǎo)學(xué)生主動分析問題，增加實驗過程和實驗結(jié)果的討論，加強學(xué)生對實驗的印象，提升學(xué)生的分析問題與解決問題的能力。

（3）操作流程示范。結(jié)合原理示范儀器的軟硬件操作過程。如儀器各個部件的展示、軟件界面介紹、各個參數(shù)的意義與設(shè)置、數(shù)據(jù)的讀取與分析、重點注意事項等。

（4）實踐操作。動手步驟是儀器分析實驗的重點和難點，加強學(xué)生親自操作的訓(xùn)練，幫助他們掌握原理、學(xué)會使用，同時加強預(yù)處理步驟的練習(xí)。分組式教學(xué)使得每位學(xué)生都有機會親自處理樣品、操作儀器、熟悉測試流程。

（5）實驗室安全意識培養(yǎng)。實驗室不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)技能的地方，更是今后開展自主科研學(xué)習(xí)的地方。在講解儀器操作的過程中，教師應(yīng)指出各類操作規(guī)范和注意事項，如儀器的開關(guān)順序，水電安全，廢液的正確處理，氣瓶的操作注意事項等。

2.4 開放教學(xué)

為彌補實驗教學(xué)中驗證性實驗的不足，開放實驗室進行設(shè)計性與創(chuàng)新性實驗的開展。學(xué)生可以自由成組，查閱文獻后提出自己的課題和實驗設(shè)計，由儀器管理教師與學(xué)生討論后，確定實驗時間與實驗方法，最后整理實驗小結(jié)，提出感想與建議，并鼓勵學(xué)生在進入實驗室開展科研工作后，帶著課題走入儀器室繼續(xù)學(xué)習(xí)與探索，全面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維［15］。

2.5 課程評價

為了科學(xué)評估、公正反映儀器分析課程教學(xué)效果，將評估體系分為預(yù)習(xí)報告、課堂提問、基本操作、數(shù)據(jù)處理與思考題回答情況幾個方面，依據(jù)不同的比重分值量化打分。有利于督促學(xué)生將原理與操作融會貫通，加強理論知識在實踐中的應(yīng)用。

3 實踐效果

自我院開展對環(huán)境學(xué)科學(xué)生培養(yǎng)更有針對性的儀器分析課程以來，加強了對學(xué)生的儀器相關(guān)知識的培養(yǎng)和對大型儀器平臺的了解，加大了儀器平臺的開放力度，獲得了院內(nèi)師生的一致好評，許多導(dǎo)師要求儀器分析課為非必修課程的學(xué)生必須選修本課程，也有博士自行選修學(xué)習(xí)或旁聽，對本課程十分認可。同時，課程結(jié)束后采用調(diào)查問卷的方式由學(xué)生反饋意見，儀器分析課程也在一次一次的改進與優(yōu)化。

此外，為提升儀器管理人員隊伍的知識儲備、服務(wù)水平與儀器分析實驗課程上課效果，我院組織各位教師在課程結(jié)束后開展研討交流分享會，主要形式為各位教師在分享所承擔(dān)的實驗內(nèi)容的PPT與課程心得與體會后，其余教師提出相關(guān)問題與建議。此研討會不僅可以通過互相學(xué)習(xí)與借鑒，提升實驗課教學(xué)質(zhì)量，還加深了各位教師對其他儀器的功能與樣品要求的了解，通過融會貫通，對儀器學(xué)相關(guān)知識有更深的心得體會，有利于更好地服務(wù)高校與社會的科研測試工作。

4 結(jié) 語

通過由大型儀器平臺開展儀器分析課程，在教學(xué)過程中采用多媒體資料、小組互動教學(xué)、開放實驗延續(xù)學(xué)習(xí)等方式，真正做到理論實踐相結(jié)合、理解透徹、熟練操作、活學(xué)活用，避免了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端，全面提升了學(xué)生利用儀器分析方法分析樣品與樣品預(yù)處理能力［16］，同時也有利于儀器管理隊伍知識能力的提高，促進大型儀器平臺服務(wù)水平的提高。