儀器分析實驗科研參與式教學方式探討

摘 "要 "在“雙一流”建設大背景下，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才已成為高校教育發(fā)展的最終目標。儀器分析實驗教學的主要任務是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維和科研素質?？偨Y儀器分析實驗教學現狀及不足之處，探索科研參與式教學方式，為化學相關專業(yè)的實驗教學改革研究提供有價值的參考。

關鍵詞 "儀器分析實驗；實驗教學；科研參與式教學方式；實驗室；文獻調研

中圖分類號：G642.423 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）14-0143-04

Discussion on Scientific Research Participatory Teaching

Method of Instrumental Analysis Experiment//JIANG Dan-dan

Abstract "Under the background of \"Double First-Class\" con-

struction， cultivating innovative talents has become the ulti-

mate goal of the development of higher education. The pri-

mary mission of teaching of instrumental analysis experiment

is to cultivate students’ innovative thinking and scientific research quality. This paper summarizes the current teaching

situation and shortcomings of instrumental analysis experi-ment， and explores the participatory teaching mode of scienti-

fic research. The teaching method provides a valuable reference

for the experimental teaching reform of chemistry specialty.

Key words "instrumental analysis experiment; experimental teaching; participatory teaching mode of scientific research; laboratory; literature researches

0 "引言

儀器分析是分析化學的重要組成部分，是一種基于各個學科的基本原理，采用光學、電學、精密儀器制造、計算機等先進手段探知物質化學特性的分析方法。目前，儀器分析在生命科學、環(huán)境科學、臨床化學、法醫(yī)鑒定等多個領域具有廣泛應用，因此已成為化學相關專業(yè)重要的課程之一[1]。其中包括色譜分析法、光學分析法、質譜分析法、電化學分析法等10多種儀器分析技術?！皩嵺`是檢驗真理的唯一標準?！币肷羁陶莆諆x器分析方法，必須認真學好儀器分析實驗這門課程。通過傳統(tǒng)的儀器分析實驗教學，可以加深學生對儀器分析基本原理的理解，掌握必要的理論知識和基本儀器構造，同時學習測量數據的處理方法。

近些年，多個國家的教改方向表明：21世紀，全世界都在呼喚培養(yǎng)創(chuàng)新人才。隨著化學相關事業(yè)的蓬勃發(fā)展，社會對化學專業(yè)人才的需求已經從單純的理論知識型人才轉變?yōu)榧婢邉?chuàng)新型及實踐型的綜合型人才[2]。傳統(tǒng)的教學方式往往會造成教師單向灌輸、學生被動接受的局面，已不能滿足當代大學生的學習需要。將科研創(chuàng)新融入實驗教學過程中，對于培養(yǎng)創(chuàng)新型全能人才具有重要意義。因此，引入科研參與式教學方式，將科研思維貫穿儀器分析實驗教學始終，是“雙一流”建設背景下實現這門課程教學改革的有效途徑[3]。通過引入科研參與式教學方式，實現由知識點灌輸式向以培養(yǎng)知識運用、動手操作等綜合能力為主的模式轉變，以提高學生的科研創(chuàng)新及實踐能力，進而推動儀器分析實驗教學發(fā)展。

1 "傳統(tǒng)儀器分析實驗教學方式的不足之處

儀器分析作為一種現代分析檢測技術，不斷地為科學研究和藥物研發(fā)等眾多領域提供大量物質組成、結構、含量等方面的信息。隨著對儀器分析方面經費和精力投入的逐年增加，大多數高校的本科實驗教學已經開設儀器分析實驗這門課程，但是受制于分析儀器設備種類及數量、教學人員、教學場地等多方面因素的不足，儀器分析實驗的內容設置仍是對基礎理論知識的補充和驗證，對學生綜合素質能力的培養(yǎng)重視度不夠。傳統(tǒng)的儀器分析課程教學主要存在以下不足[4]。

1.1 "課時較少，儀器數量有限，學生無法深入了解

設備

以內蒙古民族大學化學與材料學院為例，儀器分析實驗課程總學時為32學時，具體開設包括光學、電學、色譜等相關內容的11個實驗項目，每個實驗項目的學時不足三學時。又由于各種大型精密儀器（比如氣相色譜、原子發(fā)射光譜儀等儀器）價格比較昂貴、數量少，學生在實驗過程中需要分組分批進行學習，基本只能達到對分析儀器的進樣式使用。以上原因均導致只有少數學生有機會操作儀器，大部分學生在課堂上參與度較低，無法深入了解儀器設備的構造及工作原理。

1.2 "側重講授理論知識，實踐環(huán)節(jié)欠缺

傳統(tǒng)的儀器分析實驗課程是基于“學生預習—教師講授—教師演示—學生操作”的教學方式進行的，從一定程度上抑制了學生主觀能動性的發(fā)揮。在儀器分析實驗授課過程中，教師通常是按照課本講授實驗原理和實驗方法等基本理論內容，學生處于被動接受知識的角色，缺乏思考。然后，教師將儀器使用方法演示一遍，學生機械性地重復教師演示的基本操作，導致課程結束后學生根本無法獨立開展實驗。從整個課程的教學過程來看，學生缺少自主探究和實踐的過程，出現對分析儀器相關知識理解存在較大難度的狀況。

1.3 "以驗證性實驗為主，缺少自主設計性實驗

儀器分析實驗課程設置中驗證性實驗的比重較大，比如大多數是“高效液相色譜法分析樣品中甲苯”“苯甲酸的紅外光譜測定及譜圖解析”“循環(huán)伏安法測定鐵氰化鉀的電極過程”等實驗內容，缺少能夠培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和應用能力的自主設計性實驗。固有的教學模式和重復不變的實驗內容導致學生熱情不高，對儀器分析實驗重視度不夠，被動應付，缺少創(chuàng)新思維的鍛煉，分析問題和解決問題的能力減弱，無法達到培養(yǎng)創(chuàng)新型及實踐型人才的目的。

2 "科研參與式教學方式改革

現行的儀器分析實驗教學是基于理論課程內容制定的，無法培養(yǎng)學生綜合運用所學知識分析和解決實際問題的能力，導致學生失去學習興趣和自主探究性。引入科研參與式教學方式，是改變儀器分析實驗教學效果的重要途徑，這種教學方式可以從根本上改變教學模式，從教師主導型轉變?yōu)閷W生主導型。儀器分析實驗采用科研參與式教學方式，更加注重應用性和實踐性，通過提高學生的參與度，能夠充分調動學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科學思維模式。

2.1 "將科研文獻調研融入課程

在儀器分析實驗基礎知識講授過程中引入科研文獻調研，加深學生對晦澀難懂的理論知識的理解和運用[5]。引導學生利用中國知網、維普等中文數據庫，以及Springer、Wiley、ACS、Elsevier等外文數據庫，對各種分析儀器的實際應用性進行調研。通過閱讀科研文獻，不僅能夠拓寬學生的科研眼界，而且可以提高知識儲備，使學生接觸與分析化學相關的前沿發(fā)展方向，激發(fā)學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

以液相色譜學習為例，在學習完液相色譜相關內容后，引導學生對相關應用性文獻進行查閱，在外文數據庫中搜索到題為“Aptamer-functionalized

magnetic conjugated organic framework for

selective extraction of traces of hydrogenated

poly chlorinated biphenyls in human serum”的英文文獻。該文獻結合液相色譜—質譜聯用技術，將磁性共價有機骨架復合材料用于人血清中的羥基多氯聯苯的吸附與檢測。多氯聯苯是一類臭名昭著的持久性有機污染物，由于其具有高毒性和生物累積性，導致全球環(huán)境污染，并造成巨大危害。在人類和動物體內，多氯聯苯可以通過細胞色素P450介導的氧化作用代謝為羥基化的多氯聯苯。與其他傳統(tǒng)方法相比，液相色譜—質譜聯用技術具有更高的靈敏度，已成為一種測定羥基多氯聯苯的強大分析技術。

通過閱讀該文獻，學生掌握了液相色譜法的基本原理和實驗方法，同時加強了對液相色譜的峰面積和分析物濃度之間關系的理解。如圖1所示，在0.1～60 ng/mL范圍內，液相色譜法的峰面積與不同濃度的羥基多氯聯苯標準溶液呈現出良好的線性關系（R2=0.997 3），為檢測羥基多氯聯苯的含量提供了一種良好的方法。另外，拓寬了學生的科研視野，使學生了解到液相色譜法可以應用于食品檢測、生化分析、環(huán)境分析、農產品檢測及臨床分析等眾多領域。

總之，通過相關科研文獻調研可使學生達到：

1）掌握各種中外文數據庫使用和科研文獻檢索等方法，提升文獻閱讀能力和英文水平，有助于科研思維的形成；

2）加深對各種分析儀器基本原理、設備構成、操作方法和實驗數據處理等方面的理解；

3）通過了解各種分析儀器的實際案例，充分理解理論知識和實際應用之間的關系，掌握本專業(yè)最新的研究動態(tài)和發(fā)展方向。

2.2 "引入科研課題實踐探究

在儀器分析實驗教學過程中應適當減少驗證性實驗內容，增加自主設計性實驗內容。儀器分析實驗采用科研參與式教學方式，以科研課題論證的形式將理論知識、分析方法及解決的實際問題進行結合，激發(fā)學生的求知欲，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科學思維模式[6]。通過獨立設計并完成科研課題的實驗模式，有助于學生更好地理解實驗原理，培養(yǎng)科研能力，主要體現在以下兩點。

1）將抽象的儀器分析理論知識和實際應用、實際操作結合在一起，使理論知識學習和實踐操作有連貫性，增強學習效果。

2）增加學生參與整個實驗過程的機會，便于熟悉實驗室一些常用儀器，如磁力攪拌器、水浴鍋、旋轉蒸發(fā)儀、超聲儀、離心機和固相萃取裝置等，提高學生的實踐動手能力。

教師發(fā)布科研課題任務，學生組建科研實踐小組進行科研文獻調研，根據理論知識及不同儀器的應用范圍，討論確定具體實驗方案。教師對實驗方案進行修正，并將意見反饋給學生。教師對學生進行實驗室安全教育，講授實驗廢液處理辦法，提高學生的安全意識及環(huán)保意識。借助學院納米創(chuàng)新實驗室平臺，學生可在教師的指導下進入實驗室進行科研實驗，記錄實驗過程中的現象及遇到的問題。實驗結束后，學生撰寫科研報告，包括實驗數據的處理以及實驗過程中需要改進的事項等內容。教師批閱科研報告，總結實驗教學經驗。最后，采用問卷調查等方式，調查學生在自主設計性實驗過程中使用儀器的效果，匯總學生遇到的問題，并以此為依據，指導理論教學，及時調整教學內容和教學重點。儀器分析實驗科研參與式教學方式如圖2所示。

以可見分光光度法的學習為例，通過發(fā)布磁性麥羥硅鈉石材料吸附廢水中磷酸鹽的課題，引導學生進行科研文獻調研，設計具體實驗方案，通過科研實驗深刻理解紫外—可見分光光度計的工作原理及實際應用性。磷酸鹽是生態(tài)系統(tǒng)中大多數生物所需的主要營養(yǎng)，它的過量會造成水質富營養(yǎng)化及后續(xù)的劣化。因此，去除廢水中的磷酸鹽以及磷酸鹽的回收是目前廢水治理研究的一個重點。利用化學方法去除磷酸鹽的方法有很多，如化學沉淀、吸附等，其中制備吸附材料是去除該類污染物的一種有效方法。麥羥硅鈉石由一塊或多塊帶有負電荷的SiO4板組成，具有比表面積大、離子交換能力強、親和位點豐富等優(yōu)點，可用于合成層狀納米復合材料。據研究報道：麥羥硅鈉石納米片已被用作吸附劑去除重金屬離子和有機染料。采用磁性麥羥硅鈉石材料作為磷酸鹽的吸附劑，能夠加快樣品前處理的整個過程。

基于以上考慮，學生首先會根據查閱科研文獻獲得的方法去制備磁性麥羥硅鈉石吸附材料，然后會考慮到如何考查它的吸附性能。這就涉及思考如何測定未知物中磷酸鹽的濃度，即建立吸光度與磷酸鹽的濃度之間的關系，配置一系列濃度的磷酸鹽溶液，使用紫外—可見分光光度計測其吸光度，繪制標準曲線，以及探究在不同實驗條件下對吸光度值的影響，比如pH值、吸附時間、吸附劑用量等。在確定最佳的實驗條件后，稱取一定量的磁性麥羥硅鈉石吸附材料進行磷酸鹽吸附實驗，逐步增大磷酸鹽濃度達到飽和吸附，繪制磁性麥羥硅鈉石吸附材料對磷酸鹽的飽和吸附曲線，確定最大吸附值。對實際樣品廢水進行離心處理，取上清液進行磷酸鹽吸附實驗。在教師的指導下，學生可直接操作紫外—可見分光光度計，在此期間深刻掌握基本原理、儀器構成及操作方法等要點。實驗結束后，學生對數據進行處理，并將實驗過程中遇到的問題一并記錄到科研報告中。

通過完成本項科研課題，學生將理論知識與科研實踐充分結合在一起，不僅鞏固了理論知識，也更好地掌握了紫外—可見分光光度計的構造和使用方法。通過由科研課題學習儀器分析知識這種教學模式，解決了大多數學生死記硬背理論知識、不會運用所學知識解決實際問題的情況，使學生由被動接受知識轉化為主動獲取知識的模式，并且提高了創(chuàng)新能力及動手能力。

3 "結束語

在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式下，要求強化科研與實驗教學間的互動。本文首先闡述傳統(tǒng)儀器分析實驗教學中存在的不足之處，然后探討儀器分析實驗引入科研參與式教學方式的必要性，將文獻調研與實驗教學緊密結合，引導學生找出與實驗課程切合度高的部分，進而提高學生對分析儀器在實踐中的應用能力的認識。在教師的引導下，學生根據科研課題進行文獻調研，討論并設計出可行的實驗方案并進行實踐驗證。科研參與式教學方式使學生將所學理論知識應用于實踐，從而獲得科學結論，對學生創(chuàng)新能力和應用能力的培養(yǎng)具有重要意義。

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