國(guó)外儀器分析課程內(nèi)容與教學(xué)方法的研究

梁一釩，鄭翔云,2，徐曉文,＊，鄒桂征，張斌,＊

1山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，濟(jì)南 250100

2山東大學(xué)泰山學(xué)堂，濟(jì)南 250100

儀器分析化學(xué)是高等院?；瘜W(xué)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，包括儀器分析理論和儀器分析實(shí)驗(yàn)兩門課程。它以物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，利用測(cè)量?jī)x器對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量和形態(tài)分析，并發(fā)展與化學(xué)相關(guān)的測(cè)量策略、原理、方法與技術(shù)，以精準(zhǔn)獲取物質(zhì)組成、分布、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律[1]。隨著以高新技術(shù)為代表的現(xiàn)代科學(xué)的迅猛發(fā)展，儀器分析基礎(chǔ)研究的重要性以及對(duì)尖端分析儀器的依賴性愈加凸顯，儀器分析在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越多地呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉融合發(fā)展的時(shí)代特征，傳統(tǒng)儀器分析課程的教學(xué)改革也面臨著新的挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)高校化學(xué)專業(yè)現(xiàn)使用的儀器分析教材中[2-5]，由武漢大學(xué)主編、高等教育出版社2018年發(fā)行的《分析化學(xué)》(第6版下冊(cè))和南京大學(xué)主編、科學(xué)出版社2002年發(fā)行的《儀器分析》是目前較受歡迎的優(yōu)秀儀器分析教材。其針對(duì)分析原理部分和儀器結(jié)構(gòu)的敘述較為清晰，對(duì)基本研究思路的介紹直白淺顯，但教科書中所涉及的有些分析方法已經(jīng)相對(duì)滯后，不能很好地反映近些年來(lái)儀器分析研究及應(yīng)用的發(fā)展方向。同時(shí)，在儀器分析教學(xué)中還存在學(xué)時(shí)有限、所學(xué)內(nèi)容有限的問(wèn)題。作為對(duì)《儀器分析課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式改革的幾點(diǎn)思考》一文的補(bǔ)充[6]，本文收集了國(guó)外部分代表性高校化學(xué)專業(yè)與儀器分析教學(xué)相關(guān)的現(xiàn)使用教材和課程體系，通過(guò)梳理和比較分析，對(duì)今后儀器分析課程建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容完善以及考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的改革思路提出了建議。

1 國(guó)外儀器分析相關(guān)教材概況

我們對(duì)收集到的10本國(guó)外儀器分析相關(guān)教材進(jìn)行了歸納整理，按照大體框架將其分為儀器分析類(3種)、分析化學(xué)類(5種)和應(yīng)用研究類(2種)，共三大類，見(jiàn)表1。其中涉及分析化學(xué)類的教材也用了較大篇幅來(lái)講述儀器分析的內(nèi)容。例如Gary主編的《Analytical Chemistry》(7th Edition)一書分為定量分析方法、儀器分析法、基因研究和實(shí)驗(yàn)4大部分共27章節(jié)[7]，其中第2部分11-26章是關(guān)于儀器分析的內(nèi)容。從出版時(shí)間上看(以最新版本為準(zhǔn))，最早的為2014年(3本)，最新出版的為2021年(1本)。

表1 部分國(guó)外儀器分析教材

從教材作者所在國(guó)家來(lái)看，其中6本的主要作者來(lái)自美國(guó)，其余教材的作者分別來(lái)自西班牙、英國(guó)、印度。這些教材均由世界知名的出版機(jī)構(gòu)發(fā)行，包括Wiley (3種)、CRC Press (3種)、Cengage Learning (2種)、Oxford University Press (1種)、McGraw Hill Education (1種)、Apple Academic Press (1種)和World Scientific (1種)。

從各國(guó)引進(jìn)情況來(lái)看，日本東京大學(xué)將《ハリス分析化學(xué)》(對(duì)應(yīng)《Quantitative Chemical Analysis》，9th Edition)作為其指定教材；我國(guó)華東理工大學(xué)于2017年出版了《分析化學(xué)》(對(duì)應(yīng)《Analytical Chemistry》，7th Edition，李銀環(huán)等譯)。這也在一定程度上說(shuō)明了這兩本教材所具有的使用價(jià)值。

化學(xué)學(xué)科的發(fā)展與社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和需求密切相關(guān)，而物理學(xué)、電子技術(shù)和高精密制造業(yè)的發(fā)展則是儀器分析發(fā)展進(jìn)步的巨大驅(qū)動(dòng)力。儀器分析的應(yīng)用主要體現(xiàn)在臨床、環(huán)境、藥物、食品、材料、質(zhì)量評(píng)定等領(lǐng)域的相關(guān)科研與定性定量分析中，其中在分析儀器的原理與制造研究、綠色分析技術(shù)及生化分析領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。國(guó)外教材中對(duì)于儀器分析在上述幾個(gè)方面的應(yīng)用較為重視，甚至?xí)ｉT著書或增加章節(jié)來(lái)填補(bǔ)這方面的研究空白。例如偏重儀器原理的《Instrumentation,Measurement and Analysis》(4th Edition)和《Analytical Chemistry A Chemist and Laboratory Technician’s Toolkit》；研究綠色化學(xué)的《Challenges in Green Analytical Chemistry》(2nd Edition)和《Green Analytical Chemistry Past, Present and Perspectives》；以及前文中提到的專門為基因研究設(shè)立章節(jié)的《Analytical Chemistry》(7th Edition)一書。國(guó)外許多教材會(huì)借鑒這些領(lǐng)域當(dāng)中的相關(guān)研究作為案例以及拓展閱讀加入文中，對(duì)此后文不再贅述。

2 國(guó)外儀器分析相關(guān)教材的主要特點(diǎn)

2.1 內(nèi)容豐富，結(jié)構(gòu)完整

國(guó)外儀器分析教材一般包括電化學(xué)分析法、色譜分析法、光譜(波譜)分析法及其他分析法(質(zhì)譜、熱重等)四大部分，這與國(guó)內(nèi)相關(guān)教材的主要內(nèi)容基本一致。這些教材的篇幅都很大，一般都在800頁(yè)以上，最多的高達(dá)1248頁(yè)。在如此大的框架之上，大部分的教材會(huì)將分析方法的基本原理與歷史發(fā)展、現(xiàn)實(shí)生活、科學(xué)前沿、實(shí)驗(yàn)儀器與操作等相關(guān)聯(lián)，從而將儀器分析的文字性內(nèi)容與讀者學(xué)習(xí)經(jīng)歷與知識(shí)儲(chǔ)備相融合，便于讀者吸收理解。例如《Fundamentals of Analytical Chemistry》(8th Edition)一書中，在每一章節(jié)的開(kāi)頭均用對(duì)美國(guó)該領(lǐng)域中的權(quán)威科學(xué)家的采訪作為引言，一方面可以為讀者提供一個(gè)了解科學(xué)家科研經(jīng)歷的途徑，另一方面通過(guò)對(duì)有關(guān)儀器分析發(fā)展史的了解也能夠引起讀者的興趣，提高其學(xué)習(xí)意愿[8]。

此外，這些教材非常重視圖示化在教學(xué)及學(xué)習(xí)中的作用，制作了大量精美簡(jiǎn)潔的配圖，幾乎做到每頁(yè)都有圖形語(yǔ)言(non-verbal language)。從經(jīng)典儀器的實(shí)物圖以及關(guān)鍵部件，到具體操作過(guò)程與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，貼近實(shí)驗(yàn)分析實(shí)際過(guò)程的同時(shí)也將實(shí)驗(yàn)儀器搬到了課本中，便于讀者自行探索和理解更加細(xì)化的知識(shí)。教材中的練習(xí)題也會(huì)配以詳細(xì)的解釋圖像，例如《Quantitative Chemical Analysis》(9th Edition)中詳細(xì)地在每一類新題型出現(xiàn)時(shí)配以直觀的圖像解釋，對(duì)于讀者快速掌握知識(shí)并形成客觀理解具有很大的幫助[9]。

2.2 再版次數(shù)多，教材內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)

所選取的教材之中有3本是第7次出版，甚至有兩本達(dá)到第9次出版，其余的則是近幾年內(nèi)的新編教材。儀器分析方法的建立與改進(jìn)在很大程度上依賴于物理學(xué)上對(duì)物質(zhì)屬性的新發(fā)現(xiàn)以及精密儀器制造技術(shù)和微電子領(lǐng)域的突破?，F(xiàn)代化制造業(yè)、集成電路以及半導(dǎo)體科學(xué)等理論的迅猛發(fā)展影響著傳統(tǒng)分析方法所使用的儀器乃至方法本身。這些新儀器、新分析方法會(huì)在教材每一次的再版當(dāng)中得以體現(xiàn)，例如《Principles of Instrumental Analysis》(7th Edition)在電化學(xué)章節(jié)的最后介紹了“細(xì)胞微生理計(jì)”(Measuring the Parts to Understand the Whole: The Microphysiometer)的相關(guān)內(nèi)容[9]。同時(shí)，教材當(dāng)中所使用的案例也都會(huì)更新為與內(nèi)容密切相關(guān)的科學(xué)界最新發(fā)現(xiàn)或是某一領(lǐng)域的研究前沿，但仍會(huì)保留一些經(jīng)典的、便于理解的案例。例如《Quantitative Chemical Analysis》(9th Edition)一書在介紹原子發(fā)射光譜時(shí)，使用2012年NASA發(fā)射的“好奇號(hào)”火星車在火星表面的科研工作作為例子[8]；又如，幾乎所有教材都會(huì)在介紹核磁共振原理時(shí)使用拉莫爾進(jìn)動(dòng)模型作為輔助說(shuō)明。一方面可以使讀者切實(shí)體會(huì)到儀器分析方式的發(fā)展趨勢(shì)以及分析方法在實(shí)際科研或生產(chǎn)中的應(yīng)用，同時(shí)還保留了傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中的易吸收部分。

2.3 側(cè)重原理

國(guó)外教材會(huì)將儀器分析所通用的數(shù)學(xué)物理原理基礎(chǔ)放在教材開(kāi)篇介紹，例如《Principles of Instrumental Analysis》(7th Edition)在第一章節(jié)“測(cè)量基礎(chǔ)”(Measurement Basic)中介紹了一些簡(jiǎn)單數(shù)字信號(hào)處理以及儀器構(gòu)造原理的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，如信號(hào)峰的數(shù)學(xué)模型與置信度和傳統(tǒng)光譜儀的組成板塊，讀者可以按需自學(xué)這些學(xué)科基礎(chǔ)內(nèi)容[10]。與國(guó)內(nèi)教材類似，國(guó)外教材會(huì)分門別類地在各章開(kāi)頭為該大類分析方法的原理給以解釋，這一點(diǎn)與國(guó)內(nèi)由武漢大學(xué)聯(lián)合廈門大學(xué)、中山大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)和浙江大學(xué)等高校主編的《分析化學(xué)(下)》(第六版)一書尤為類似。一方面具有很好的講解針對(duì)性，同時(shí)也確保了內(nèi)容的連貫性。鑒于國(guó)內(nèi)外對(duì)儀器分析教學(xué)要求和化學(xué)教育體系的區(qū)別，國(guó)外教材會(huì)在涉及到微觀分子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容時(shí)輔以概念圖或是實(shí)物顯微圖來(lái)介紹。例如《Analytical Chemistry》(7th Edition)在介紹鍵合相色譜與離子交換色譜的固定相與工作原理時(shí)采用了大量的概念圖以及電子顯微圖像，力求將概念清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，便于讀者理解[7]。

2.4 拓展延伸性好

新教材都會(huì)建立相應(yīng)網(wǎng)站，將一部分內(nèi)容作為線上知識(shí)點(diǎn)存放在網(wǎng)站當(dāng)中，這些內(nèi)容主要是拓展閱讀、習(xí)題解答、相關(guān)實(shí)驗(yàn)等有可能打亂文章內(nèi)容連貫性的信息。同時(shí)在各章節(jié)的課后習(xí)題當(dāng)中，會(huì)適當(dāng)?shù)靥砑右恍┰擃I(lǐng)域的原始文獻(xiàn)作為拓展閱讀。國(guó)外儀器分析教材大多看重科學(xué)史的相關(guān)介紹，這主要是因?yàn)閮x器分析方法的發(fā)展一方面具有較強(qiáng)的邏輯連貫性；另一方面儀器分析是一門近現(xiàn)代以物理理論的發(fā)展為基礎(chǔ)、以探測(cè)手段為需求而逐漸發(fā)展起來(lái)的學(xué)科，能夠反映時(shí)代特征。大量與儀器分析相關(guān)的工作成果都獲得了諾貝爾獎(jiǎng)就能夠很好地證明這一點(diǎn)，對(duì)這些分析方法發(fā)展過(guò)程的了解有助于提升讀者的理解層次。有的教材會(huì)配有專門的教師參考書、學(xué)生參考書和習(xí)題冊(cè)，以確保這套教材的完整性[8,10]。

2.5 注重讀者友好性

這些教材多為精裝本，印刷質(zhì)量好，使用銅版紙印刷，配有部分彩圖或者全彩。有的教材中會(huì)配有漫畫內(nèi)容講解，有的則會(huì)將重要公式用彩色背景標(biāo)識(shí)出來(lái)，以形成較好的層次感。

3 國(guó)外儀器分析相關(guān)課程概況

通過(guò)線上渠道，我們查閱了國(guó)外部分高校儀器分析開(kāi)設(shè)課程相關(guān)的教程說(shuō)明，詳見(jiàn)表2[11-14]。盡管在一些大學(xué)，例如Massachusetts Institute of Technology (MIT)以及Oxford University官網(wǎng)上的教學(xué)計(jì)劃中并沒(méi)有找到儀器分析的相關(guān)信息，但是出現(xiàn)了一些諸如物質(zhì)分離方法的類似色譜法的課程。我們推測(cè)這些學(xué)?？赡苁菍x器分析內(nèi)容融入到不同專業(yè)的原理課程以及實(shí)驗(yàn)課程，簡(jiǎn)化儀器分析課程的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)其應(yīng)用性而拋棄了繁瑣的原理內(nèi)容。

同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)了一些仍然在教學(xué)計(jì)劃中的儀器分析課程，例如University of Washington于2022年冬季學(xué)期由Zhang Bo教授開(kāi)設(shè)的Instrumental Analysis課程[15]。本文也會(huì)注重從這一類課程歸納其特點(diǎn)。

值得注意的是，東京大學(xué)的分析化學(xué)課程安排中多出了X射線光譜分析法和能譜分析技術(shù)兩部分內(nèi)容，具體有X射線吸收光譜法(XAS)、X射線衍射分析法(XRD)、X射線熒光光譜法(XRF)，以及X射線光電子能譜分析法(XPS)、俄歇分析法。

4 國(guó)外儀器分析相關(guān)課程的主要特點(diǎn)

4.1 教學(xué)手段多樣化

國(guó)外授課方式自由度較大，會(huì)分為很多小節(jié)，便于臨時(shí)調(diào)整。美國(guó)高校儀器分析課程一般會(huì)上18周共36次課，每節(jié)課占時(shí)在1.5小時(shí)左右。在基本的教學(xué)要求以外，還會(huì)額外地安排一些講座以及任務(wù)型教學(xué)法(Task-based approach，TBA)。例如Western Carolina University會(huì)在學(xué)期末舉行兩周半共5節(jié)課的TBA以檢驗(yàn)學(xué)生的知識(shí)理解轉(zhuǎn)化情況。同時(shí)有的大學(xué)還會(huì)備有自己的課程講義，例如Michigan State University就備有多達(dá)264頁(yè)的講義，內(nèi)容主要是從課件上復(fù)制而來(lái)，包含了課堂上會(huì)討論的例題、重點(diǎn)內(nèi)容，以及會(huì)用到的數(shù)學(xué)處理方法。

4.2 考試形式自由度大，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)

國(guó)外學(xué)校對(duì)學(xué)生的過(guò)程化考核所占比重較大，易于實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的全過(guò)程質(zhì)量控制和有效評(píng)價(jià)。其考試方式通常包含課后作業(yè)、課堂測(cè)試和期末考試幾部分，并且分?jǐn)?shù)的權(quán)重也與國(guó)內(nèi)有較大差別。如Utah State University采取均分制，1次課后自我測(cè)驗(yàn)、3次隨堂檢測(cè)，以及最后的期末考試各占總分的20%；也有一些大學(xué)如Michigan State University賦分形式較為寬泛，10次隨堂提問(wèn)共占12.5%、三次隨堂檢測(cè)各占12.5%、期末考試占25%、學(xué)期論文占12.5%、報(bào)告占12.5%；也有一些與國(guó)內(nèi)賦分情況類似的，例如Western Carolina University的賦分情況為各類測(cè)驗(yàn)占70%、平時(shí)分占5%，實(shí)驗(yàn)占25%。

表2 部分國(guó)外高校儀器分析教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃

4.3 注重理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的聯(lián)系

儀器分析化學(xué)是一門注重方法原理的理解、相對(duì)抽象的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以使學(xué)生通過(guò)感性認(rèn)識(shí)對(duì)所學(xué)知識(shí)的原理加深理解和記憶。在上述高校的教學(xué)計(jì)劃中，儀器分析實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)安排在同一個(gè)學(xué)期內(nèi)。有的大學(xué)下午在實(shí)驗(yàn)室中所做的實(shí)驗(yàn)就是上午課堂里學(xué)過(guò)的內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論課程緊密的聯(lián)系性也是儀器分析實(shí)驗(yàn)的一個(gè)特點(diǎn)。相對(duì)而言，我們現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的時(shí)間安排滯后于理論課學(xué)習(xí)一個(gè)學(xué)期，使得理論和實(shí)踐教學(xué)嚴(yán)重脫節(jié)，教學(xué)效果欠佳。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)儀器分析教學(xué)中存在的教材較為陳舊、課程內(nèi)容未能體現(xiàn)學(xué)科的最新發(fā)展、考核評(píng)價(jià)方式和標(biāo)準(zhǔn)缺乏科學(xué)化等問(wèn)題，本文收集了國(guó)外部分代表性高?；瘜W(xué)專業(yè)與儀器分析教學(xué)相關(guān)的教材和課程體系，從教材內(nèi)容完善、出版、教學(xué)手段和考核方式等方面進(jìn)行了全面分析，歸納整理出其特點(diǎn)，希望能為我們的儀器分析教材更新、教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化以及教學(xué)方法的改革探索提供有益的借鑒。同時(shí)針對(duì)現(xiàn)有儀器分析教材篇幅較長(zhǎng)，而化學(xué)類專業(yè)儀器分析課程的課時(shí)安排通常為64學(xué)時(shí)，實(shí)際教學(xué)中不能做到包羅萬(wàn)象和面面俱到，如何實(shí)現(xiàn)既要在教學(xué)中側(cè)重儀器分析基本原理的講授，突出儀器分析在化學(xué)專業(yè)教學(xué)中的基礎(chǔ)作用，又要體現(xiàn)儀器分析的多學(xué)科交叉性和學(xué)科發(fā)展前沿性，也是我們面臨亟需解決的問(wèn)題。