色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐
——以“咖啡因含量測(cè)定”為例

張艷茹，何雨函，王麗穎，劉春玲，奚 依，孫艷濤

（1.吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林 四平136000；2.遼源市老年干部大學(xué)，吉林 遼源136200）

高效液相色譜法（High Performance Liquid Chroma?tography）是于二十世紀(jì)60至70年代興起的一種新型分離分析技術(shù)[1-2]，具有較高的靈敏度和分析速率。目前該方法在化學(xué)、石油化工、生物、醫(yī)藥、食品、環(huán)境等領(lǐng)域的試樣分離分析中占有重要地位[3-4]。根據(jù)我國(guó)創(chuàng)新實(shí)踐型科技人才的培養(yǎng)目標(biāo)，許多高校將其作為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)，來(lái)提高人才培養(yǎng)的社會(huì)適應(yīng)度，對(duì)接經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展需求[5]。以往液相色譜實(shí)驗(yàn)主要圍繞認(rèn)識(shí)儀器的構(gòu)造和基本模塊，熟悉儀器的開(kāi)機(jī)、測(cè)試和關(guān)機(jī)等環(huán)節(jié)。由于儀器價(jià)格昂貴，數(shù)量少，學(xué)生只能走馬觀花，很難將其應(yīng)用到工作和科研中去。因此，為了更好地適應(yīng)社會(huì)要求，有必要對(duì)傳統(tǒng)液相色譜實(shí)驗(yàn)中的弊端進(jìn)行教學(xué)改革和實(shí)踐[6]。

1 選題依據(jù)

傳統(tǒng)色譜實(shí)驗(yàn)選題陳舊，不能與時(shí)俱進(jìn)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)儀器的認(rèn)知與時(shí)代脫節(jié)[7]。許多高校選取了“液相色譜柱效測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試苯、萘、聯(lián)苯三種有機(jī)物，根據(jù)它們的保留時(shí)間和峰寬信息計(jì)算相鄰物質(zhì)對(duì)間的分離度。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重視色譜理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，偏離學(xué)生實(shí)際生活，缺乏專業(yè)針對(duì)性，致使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。還有的教材編寫(xiě)了關(guān)于液相—質(zhì)譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)，初衷是擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)面，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，但聯(lián)用儀器不僅價(jià)格昂貴，操作流程復(fù)雜，對(duì)教師也提出了較高的專業(yè)要求。該課程內(nèi)容專業(yè)性過(guò)強(qiáng)，教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)間少，致使學(xué)生課堂參與度不高。

由于高效液相色譜實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)側(cè)重于培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐操作能力，應(yīng)選取符合時(shí)代發(fā)展、貼近實(shí)際生活、難度適中的實(shí)驗(yàn)題材。例如“可樂(lè)中咖啡因含量的測(cè)定”，該實(shí)驗(yàn)選題貼近實(shí)際生活，且具有一定的專業(yè)性，使學(xué)生在動(dòng)手操作的過(guò)程中逐步掌握液體樣品中某組分含量測(cè)定的流程，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[8]。

2 課前預(yù)習(xí)

課前預(yù)習(xí)有助于學(xué)生初步了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃砗头椒?，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)的能力。如果學(xué)生只是機(jī)械地抄寫(xiě)書(shū)本內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)就不會(huì)達(dá)到預(yù)期效果而失去意義。另外，色譜實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)不僅需要學(xué)生了解理論知識(shí)，同時(shí)也需要學(xué)生掌握儀器的基本構(gòu)造及操作方法。

目前許多高校都已經(jīng)建立了各具特色的“虛擬實(shí)驗(yàn)室”，通過(guò)計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中模擬一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和操作流程，使學(xué)生身臨其境地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果[9]。如“可樂(lè)中咖啡因含量的測(cè)定”，學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)熟練地掌握該實(shí)驗(yàn)的基本操作，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

3 教學(xué)過(guò)程

相對(duì)其他教學(xué)設(shè)備而言，液相色譜儀器價(jià)格昂貴，多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)配套資源有限，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)較少，實(shí)驗(yàn)課變成了觀摩課，達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果[10]。另外，有的教師在實(shí)驗(yàn)課上占用大量時(shí)間介紹儀器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)，只留下較少的學(xué)時(shí)讓學(xué)生們進(jìn)行測(cè)試操作，學(xué)生們常常云里霧里，很難掌握實(shí)驗(yàn)的精髓。

因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，教師要弱化理論知識(shí)的教學(xué)，注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)[11]。教師簡(jiǎn)明扼要地講述實(shí)驗(yàn)原理、步驟及注意事項(xiàng)后，可以帶領(lǐng)學(xué)生共同開(kāi)機(jī)，設(shè)置儀器參數(shù)。在等待儀器穩(wěn)定的過(guò)程中，在學(xué)生面前直觀介紹儀器的組成及各部件硬件的功能。此環(huán)節(jié)既有效利用了課堂時(shí)間，又幫助學(xué)生加深了理論知識(shí)的理解。學(xué)生通過(guò)觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等多種感官結(jié)合，將理論與實(shí)際緊密銜接、融會(huì)貫通。待儀器穩(wěn)定后，教師帶領(lǐng)學(xué)生完成1～2次進(jìn)樣分析。在進(jìn)樣數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，向?qū)W生介紹工作站中各模塊操作，即儀器軟件部分。完成上述所有環(huán)節(jié)大約需要1個(gè)學(xué)時(shí)左右的時(shí)間，剩余2~3個(gè)學(xué)時(shí)可以組織學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。根據(jù)學(xué)生數(shù)量，將學(xué)生分成幾個(gè)小組，每組4~5人。如“可樂(lè)中咖啡因含量測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，完成1次進(jìn)樣分析需要5分鐘，每組學(xué)生可以進(jìn)樣4次，利用前3次分析標(biāo)準(zhǔn)溶液并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，最后1次測(cè)試可樂(lè)樣品計(jì)算含量。此環(huán)節(jié)保證組內(nèi)每位同學(xué)都有機(jī)會(huì)進(jìn)樣操作，培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和自主探究的能力。

另外，在色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們還要遵循學(xué)生主體，教師主導(dǎo)的原則[12-13]。學(xué)生通過(guò)配制溶液、進(jìn)樣操作、繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線和含量計(jì)算等多種任務(wù)模式，進(jìn)行相互協(xié)作、相互交流、共同分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，體驗(yàn)在“學(xué)中做，做中學(xué)”。通過(guò)完成可樂(lè)實(shí)際樣品分析，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

4 考核制度

以往色譜實(shí)驗(yàn)主要考核學(xué)生報(bào)告、出勤率和筆試成績(jī)，側(cè)重學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。這種過(guò)于單一、片面的評(píng)價(jià)方式不能客觀全面地反映每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)[14]。

根據(jù)色譜實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)“可樂(lè)中咖啡因含量的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，在考核中可以讓學(xué)生分組進(jìn)行“綠茶和感冒藥中咖啡因含量的測(cè)定”，根據(jù)每組學(xué)生上機(jī)操作熟練程度和含量測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)定。通過(guò)考核既可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，也可以使學(xué)生熟練掌握樣品測(cè)試的基本流程?？己嗽u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

4.1 分組抽簽

考試題目采取現(xiàn)場(chǎng)小組抽簽制度，各小組根據(jù)所抽到的實(shí)驗(yàn)題目進(jìn)行組內(nèi)分工，通過(guò)查閱資料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。小組成員根據(jù)組長(zhǎng)安排進(jìn)行樣品處理、藥品稱量、配制溶液、進(jìn)樣、繪制曲線和含量計(jì)算等操作。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、儀器試劑、數(shù)據(jù)處理等部分[15]。

4.2 實(shí)驗(yàn)操作

教師根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)所需時(shí)間組織學(xué)生操作考核。首先安排學(xué)生進(jìn)行開(kāi)機(jī)及參數(shù)設(shè)置，在儀器穩(wěn)定過(guò)程中，如色譜儀器的基本組成有哪些，流動(dòng)相為什么要過(guò)濾，常用濾膜的孔徑大小，為什么溶劑要進(jìn)行脫氣處理，脫氣的方法有哪些等問(wèn)題，讓學(xué)生抽簽回答。其他環(huán)節(jié)也需要教師觀察學(xué)生操作步驟是否正確，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)，考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度。

4.3 數(shù)據(jù)處理

儀器操作部分結(jié)束后，每位學(xué)生通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度和色譜峰面積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制，根據(jù)Excel軟件擬合回歸方程的線性關(guān)系進(jìn)行含量計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖2~圖7。教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及數(shù)據(jù)處理過(guò)程進(jìn)行附分，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 小組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

圖2 咖啡因標(biāo)準(zhǔn)品HPLC色譜圖

圖7 感冒藥組線性關(guān)系曲線

（1）綠茶組

圖3 綠茶樣品HPLC色譜圖

圖4 綠茶組線性關(guān)系曲線

（2）感冒藥組

圖5 咖啡因標(biāo)準(zhǔn)品HPLC色譜圖

圖6 感冒藥樣品HPLC色譜圖

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性大大增強(qiáng)，能夠很好地掌握色譜的理論知識(shí)和儀器的操作流程，對(duì)其今后的工作和科研有很大幫助。色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革仍在不斷摸索中，教師應(yīng)針對(duì)教學(xué)中遇到的問(wèn)題不斷完善色譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使學(xué)生的綜合素質(zhì)不斷提高。