生物工程專業(yè)儀器分析課程教學改革初探

朱艷芳，薛 濤，盛 瑋，李桂萍，劉春香，薛建平

（淮北師范大學 生命科學學院，安徽 淮北 235000）

生物工程專業(yè)是建立在化學、化學工程、生物化學、微生物學、信息科學等學科基礎上所形成的交叉學科。1998年我國生物工程專業(yè)正式設立并迅速發(fā)展。截止2013年，我國各省、直轄市的本科院校均設置有生物工程本科專業(yè)[1]。生物工程專業(yè)以培養(yǎng)生物學應用型，能在生物技術與工程領域從事設計生產管理和技術研發(fā)、新產品開發(fā)的工程技術人才為目標[2]?；幢睅煼洞髮W是一所以師范類專業(yè)為主的多科性省屬重點大學，生物工程專業(yè)隸屬于生命科學學院，為了培養(yǎng)符合專業(yè)培養(yǎng)目標、適應社會需求的高素質專門人才，我校生物工程專業(yè)近年開設了儀器分析理論課程。

儀器分析是分析化學的重要組成部分，是以物質的物理性質或物理化學性質及其在分析過程中所產生的分析信號與物質的內在關系為基礎，并借助于比較復雜或特殊的現(xiàn)代儀器，對待測物質進行定性、定量及結構分析和動態(tài)分析的一類分析方法，具有準確、靈敏、快速和自動化程度高等的特點[3]。儀器分析課程的理論和實驗教學旨在使學生了解并運用各種儀器分析方法的基本原理，掌握實驗儀器的基本結構、工作原理和操作技能，培養(yǎng)學生的動手能力、協(xié)作能力、創(chuàng)新能力等基本科研素質，提高學生分析問題、解決問題的能力，為其以后參加科研、生產及繼續(xù)深造奠定必要的理論和實踐基礎[4]。同時，儀器分析是一門多學科知識交叉的課程，已成為農業(yè)化學、生物化學、食品化學、環(huán)境保護、生命科學、生物工程、園藝園林等多個專業(yè)領域研究不可或缺的重要檢測手段[5-6]，其實踐性強，具有分析方法多、更新快、種類雜、涉及面廣等特點，加上各種分析方法間內容相對獨立、連貫性不強、課程龐雜難學[7]等特點，采用目前傳統(tǒng)的學生被動接受的教學方法，學習效果并不理想，出現(xiàn)了學習興趣不高、積極主動性不強、學習效果差等現(xiàn)象。

為了提高儀器分析課程的教學質量和教學效果，走訪我校生物工程專業(yè)的學生、與多位專業(yè)老師的交流及查閱大量文獻的基礎上，針對以上問題，進行了一些教學改革的探索。

1 優(yōu)化教學內容、教學方法

儀器分析課程的內容非常廣泛，涉及光譜、色譜、電化學、質譜及其他分析方法等多個領域。針對生物工程專業(yè)儀器分析課程理論課時少（僅32課時）、內容多，可以嘗試對學習內容進行優(yōu)化取舍，精簡電化學分析的內容，加強實用型分析方法的學習，例如原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法、紫外可見光譜法、紅外吸收光譜發(fā)、質譜法、氣相色譜、液相色譜法及聯(lián)用技術的學習。不僅可以減小學生的負擔，而且可以將有限的課時用在更能凸顯生物工程專業(yè)特色的分析方法的學習上。

“填鴨式”教學方法，很難調動學生學習的積極主動性，也不能滿足大學階段學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。近年來，PBL(problem-based learning)教學法[8]、創(chuàng)設情境教學法[9]及翻轉課堂教學法[10]等新型教學模式不斷出現(xiàn)，這些方法在該學科中取得了不錯的教學效果[11-12]。這就要求教師根據教學內容，做好充分的課前準備，以便達到更好的教學效果。也嘗試了依據不同的教學內容探索合適的教學方法，并應用于儀器分析課程的教學中。例如，在講解了“光分析法導論”一章后，利用翻轉課堂教學法，讓學生根據所學基本原理，課前完成“原子發(fā)射光譜法”和“原子吸收光譜法”知識的學習，課中教師與學生、學生與學生之間互動討論，主要完成答疑解惑及知識運用等內容；課后通過布置習題，了解學生對知識的掌握程度，并及時查漏補缺，達到了較好的教學效果。

同時，該理論課程多注重講述分析方法的理論及儀器組成，相對枯燥乏味。運用身邊的案例分析，拓展加深學生對分析方法的理解和記憶。利用儀器分析課程所學到的知識解決實際問題，提高了學生的成就感和學習的積極主動性。

2 提高教師專業(yè)理論和實踐素質

該課程各種分析方法之間相對獨立、聯(lián)系小，原理涉及面廣，包括物理、化學、數(shù)學及自動化等多方面內容，需要教師具備寬廣的理論背景，對任課教師有很高的要求。一方面，教師自身主動學習深入思考，結合自己的研究方向申請相關項目，在開展研究的同時熟練掌握運用各種分析儀器。另一方面，學院學校層面多提供任課教師出外交流學習的機會，尤其一些精密貴重的大型儀器的學習和操作學習交流會。多方努力提高了任課教師的理論和實踐水平。

目前，該課程的任課教師間經常相互討論、交流和學習，并找物理、化學、數(shù)學等相關專業(yè)的老師幫我們解疑答惑，使教師們的理論水平得到了大幅地提高。但是，由于該課程涉及很多大型精密貴重的儀器，如，高效液相色譜儀、氣相色譜儀及其聯(lián)用儀等，教師的具體操作水平還有待提高。基于此，2018-2019年學院積極邀請來我校銷售儀器的公司開展相關儀器的講座，并現(xiàn)場操作，解疑答惑。各任課教師基本掌握這些儀器的操作方法，并形成操作流程及注意事項。

3 增設儀器分析實驗課程，優(yōu)化實驗項目

儀器分析是借助于現(xiàn)代儀器進行定性、定量及結構分析和動態(tài)分析的一類分析方法。實驗教學是儀器分析課程體系中至關重要的一環(huán)。儀器分析實驗課程的教學任務是實際操作使學生深入了解儀器的工作原理，熟悉儀器的結構及操作，將理論與實踐相結合，達到提高學生動手能力、創(chuàng)新能力和自主學習能力的目的，為學生的就業(yè)和深造打下良好的基礎[13]。如果僅僅停留在理論學習上，不能真正提高學生的動手能力和分析能力。

同時，儀器分析實驗操作不僅需要了解儀器組成及其原理，還需要了解樣品的性質并根據性質制備樣品，了解精密儀器的適用范圍、操作注意事項及儀器的日常維護和小問題的排除。只有親自動手參與從樣品制備到儀器檢測分析完整的操作過程，才能逐漸了解和熟悉儀器的正確使用方法和儀器的性能。因此，該實驗課程必不可少。

根據生物工程專業(yè)特色，經任課教師研究討論，選擇了適合專業(yè)培養(yǎng)目標的實驗項目，例如，利用光譜法，對酶活性、微生物及基因工程菌株中的重金屬離子進行定量分析，利用氣相色譜法對一些風味成分進行定性定量分析，利用色譜與質譜聯(lián)用技術鑒定藥用植物次生成分，利用聯(lián)用技術測定果蔬多種有機磷農藥殘留[14]等等，具體實驗項目設置見表1。任課教師與系主任和相關教學院長的溝通，院里同意修訂“生物工程專業(yè)培養(yǎng)計劃”時開設儀器分析實驗課程?？傊?，只有通過各種儀器的實際操作過程，才能使學生更直觀地了解儀器的組成及各部分的功能，進而提高學生學習儀器分析課程的積極主動性和動手操作能力。同時，可以將理論與實踐結合，鞏固學生對理論知識的理解和記憶。

表1 儀器分析實驗教學項目表

4 提高學生對相關學科知識的掌握程度

儀器分析是分析化學的一個重要組成部分，圖1是分析化學課程所涉及的基礎理論學科。走訪學生和相關老師，發(fā)現(xiàn)學生對這些基礎課程的學習不夠重視，有畏難情緒，抱著及格就行的心理，不愿認真和深入地學習。相關老師建議通過提高對這些課程的要求及考核難度，以促進學生對這些基礎課程的重視和掌握。打好基礎后，再來理解各種分析方法的原理、儀器組成及維護時，就不會覺得太難太枯燥而學習積極性不高了。

圖1 分析化學涉及的學科

由于我院生物工程專業(yè)學生的物理、化學、數(shù)學等相關課程由物理與電子信息學院、化學與材料科學學院和數(shù)學科學學院等外院的教師教授，涉及專業(yè)和教師人數(shù)多，一方面我們通過教育學生加強對這些基礎學科的重視和學習，另一方面我們把該課程中用得較多的專業(yè)知識和學生相對薄弱的知識列出來，請相關老師重點反復講解，還有通過任課教師反復專研透徹后再講授給學生。這些方法我們都在同時進行，學生的學習效果有所改善，但還未達到理想程度，仍需不斷完善。

5 完善考核方式

教學過程中，發(fā)現(xiàn)學生認為儀器分析課程內容抽象難懂，不易理解；分析方法多樣，各方法間相對獨立聯(lián)系少；每至期末，學生復習壓力大；部分學生，平時不認真聽課，靠期末突擊記憶，因為不理解只是機械記憶，很快就會忘記且不會靈活運用。針對這些問題，傳統(tǒng)的考核方式不能正確反饋學生掌握知識情況。經過任課教師討論，均認為本課程的考核不能僅以理論考核為主，要增加平時成績占總成績的比重，還要考核學生對各種分析儀器的使用方法、操作維護的掌握情況。所以，該課程的考核要以平時成績、理論考試相結合的方式，取消一張試卷定成績的考核方式，強調平時成績的重要性。查閱文獻[15-16]結合教學過程，確定每個模塊在考核方式中所占的比例見表2。

表2 考核模塊及其所占比例

改進考核方式，學生課堂回答問題積極主動性增強，平時作業(yè)投入了更多的時間和精力去完成，課堂討論不再只是教師自問自答了，學生課下會主動查閱資料、提出問題。總之，學生的學習主動性被調動起來。下一步考慮如何調動起更多同學的學習積極性和主動性。

6 小結

為了優(yōu)化我校生物工程專業(yè)儀器分析課程的教學效果，我們進行了一系列教學改革探索。經過這些教學改革探索，生物工程專業(yè)的儀器分析課程的教學效果有了一定的改善，學生對現(xiàn)代儀器的動手操作能力及分析運用能力不斷提高，因此多次受到實習單位的認可和肯定，增強了學生的社會競爭力。

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，儀器分析方法日新月異，新方法[17]、新技術[18]和新儀器[19]不斷涌現(xiàn)，在多個領域得到了廣泛應用，生物工程領域也因此而得到了長足的發(fā)展。對于我校生物工程專業(yè)的學生而言，儀器分析課程的教學目的是為后期的專業(yè)課程、綜合實驗、設計性實驗、生產實習、畢業(yè)論文以及今后的工作奠定基礎，使學生掌握必要的儀器分析方法，達到提高學生的實際操作能力、專業(yè)技能及綜合能力的目的，從而提高學生的社會競爭力。所以，儀器分析課程對于生物工程專業(yè)的學生是十分重要的[20]，對該課程的改革也需要不斷深入和完善。但在教學過程中仍有很多問題不斷凸顯，如大型貴重精密儀器如何對學生開放的問題及科學管理問題，儀器維護費用問題，等等，還需不斷深入探索和完善。