基于“在用中學”的儀器分析課程改革與實例

吳倩

中南大學化學化工學院，長沙 410083

儀器分析主要是以測量物質的物理化學性質為方法來得到樣品中物質的定性定量信息以及時間、空間分布信息的一門學科，由于通常需要使用特殊的儀器，故得名“儀器分析”[1]。其教學內容橫跨化學、物理和數(shù)學三個基礎學科，是一門交叉學科課程。同時，由于分析儀器的種類繁多、原理復雜，這門課程的教學任務非常繁重，課程難度大。但是，儀器分析課程作為應用化學、化學工程以及生物醫(yī)藥等專業(yè)都非常重要的專業(yè)基礎課，既有豐富的理論知識，又有很強的實踐意義，對于很多專業(yè)的科學研究和生產實踐都有非常重要的作用[1]。同時，中國在高精尖分析儀器上的落后現(xiàn)在已經是中國僅次于芯片與新材料的第三大“卡脖子”難題，培養(yǎng)具有分析儀器開發(fā)能力的交叉學科人才是目前高等教育的重要任務。

近年來，隨著線上教學資源的不斷發(fā)展，很多的專業(yè)理論課都不再局限于課堂講授，而是發(fā)展出了新的教學模式[2,3]。線上教學資源，如中國大學慕課平臺在線開放課程、項目化教學資料、虛擬仿真實驗教學資源等[3]，為傳統(tǒng)教學中枯燥的文字描述提供了更為形象和生動的動畫、圖片、視頻或三維模型信息，輔助學生更好地理解知識。線上教學軟件或平臺，如騰訊會議、釘釘、雨課堂、暢課、超星等[4-6]，提供了網絡化的教學管理和互動方式，為傳統(tǒng)的教學過程提高了教學效率和考核的多元性。利用這些資源和平臺，教學的模式變得多種多樣。這使得傳統(tǒng)的一位老師、一間教室、一塊黑板的教學模式轉變?yōu)榱苏n堂上人人都能表達和參與、課前課后時時都能學習知識、以學生學為中心的多維互聯(lián)網+教學模式。

雖然目前有不少論文報道對儀器分析課程進行線上線下混合式教學模式、互聯(lián)網+教學模式的改革，提出了利用慕課資源、線上教學平臺和虛擬仿真軟件等提高儀器分析的教學效果或者加強課堂互動、結合新聞時事等方式來提高學生學習興趣[3,7-10]。但是，大多是對教學形式的改革，將新的教學資源和平臺融入傳統(tǒng)教材內容中，缺乏根據新的教學資源和平臺的優(yōu)勢對儀器分析教學和互動內容進行本質改革的研究。這里，我們依據目前儀器分析課程在理論與實踐之間有所脫節(jié)的客觀問題，提出“在用中學”的教學理念，全方位將儀器分析課程進行了改革，將互聯(lián)網+資源應用于更好地結合課程原理和應用實踐，并提高學生學習的興趣、自主能動性以及對知識更深入具象的理解。實現(xiàn)互聯(lián)網+背景下原理與實踐相結合的儀器分析課程。

1 儀器分析課程存在的問題以及“在用中學”的必要性

雖然儀器分析課程成熟完善，傳統(tǒng)的教學體系發(fā)展了多年，但儀器分析課程的開展一直存在著以下兩點問題。

首先，儀器分析屬于交叉學科，這就對學生的學習基礎以及理解能力要求非常高。當大量未接觸過的知識點一擁而上時，學生對于分析儀器的理解和對原理的認識都會非常的抽象，無法與實踐相聯(lián)系。因此，如何將儀器分析的原理用學生們容易理解的方式講述出來并能在實踐上得到具象的概念是教師們面臨的另一難題。

其次，目前儀器分析課程由于課程內容較多且較廣，教師們疲于完成課程任務而忽略了學生學習的興趣與自主能動性。課程通常采用課堂教授的方式，教學手段過于單一。近年來，雖然線上教學資源和平臺被廣泛引入儀器分析教學，但是始終缺少系統(tǒng)的可以調動學生學習自主能動性和從本質上提高學生學習興趣的創(chuàng)新教學內容和方法。當學生的自主能動性不高時，豐富繁雜的線上資源反而會使得學生抓不住儀器原理和重點，造成學完就忘的情況。

“在用中學“是目前廣泛提倡和應用的新型教學理念[11]。它指的是引導學生從實踐和應用的角度進入知識領域，為學生學習知識先找到本質的興趣和動力；同時從用的角度來學習知識和鞏固知識，使得學生對知識的理解變得真實具象。而這個教學模式最本質的方法就是將知識原理和應用實踐相結合，從應用實踐中引入知識，在應用實踐中學習知識，最后將知識應用于解決實踐問題。這對于儀器分析這樣一門應用型交叉學科課程來說，有希望完全地調動學生的學習自主能動性，將抽象難懂的知識具象，同時也更容易找到繁雜知識點之間的內在聯(lián)系。

2 互聯(lián)網+背景下構建“在用中學”的原理與實踐相結合的多元課程的改革思路

2.1 結合線上教學平臺以實際分析檢測目的來引入儀器分析課程內容

傳統(tǒng)的儀器分析課程通常從儀器的定義以及基本原理開始對儀器進行介紹，讓學生一開始就進入枯燥的基礎知識學習中，而缺失了對儀器分析方法發(fā)展的本質目的的了解。然而，儀器分析課程中的各個方法技術都是有明確的應用目的的。因此，在講述分析原理前，以分析儀器的應用目的為切入點來介紹儀器，可以從本質上提高學生對儀器學習的興趣。線上教學資源也很容易且有效地引入以儀器分析應用目的為切入點的課程預習環(huán)節(jié)，比如課前在線上教學平臺載入一段新聞報道視頻，或者提出一個關于已學的化學分析方法的檢測問題，引起學生的思考與討論。讓學生思考：已有的分析方法存在問題的原因？新聞報道中出現(xiàn)的社會問題應該如何利用儀器分析方法解決？已知的分析方法是否可以達到要求？具有此功能的線上教學平臺有超星學習通、暢課平臺(Tronclass)以及訊飛智教學等。這里我們以中南大學官方線上教學平臺暢課平臺為例，通過暢課平臺可以在課前的每一個章節(jié)發(fā)起課前討論或問卷調查，在討論模塊中可以上傳相關的新聞報道視頻、新聞報道網址或相關圖片，同時輸入需要學生課前思考的問題。而學生可以在這些討論貼下面發(fā)言，進行討論或進行問卷投票，而這些討論和投票都是有記錄的，可以用于之后的過程考核統(tǒng)計。在課堂上，教師可以以課前預習的視頻問題為核心展開討論與點評學生的線上留言。通過這些在現(xiàn)實中被廣泛關注的社會問題啟發(fā)學生思考之前所學的儀器分析方法的特點以及問題，從而引入接下來要學習的新的儀器分析方法。這比課前讓學生提前預習具體課程具有更好的效果，讓學生對新的方法怎樣解決這些問題充滿期待、產生興趣。具體的方法我們在下面的課程實例中會舉例說明。

2.2 結合線上資源與線下儀器配件實物以及實際分析過程條件來講解儀器原理

通常儀器分析教學主要局限于教師的教授以及PPT中的圖片或動畫，即使有儀器分析實驗課程的輔助，也通常是通過簡單的操作儀器軟件或界面按鍵的方式來進行實踐訓練。這些傳統(tǒng)的教授方法其實一直達不到讓學生真正具象地了解分析儀器的目的。學生對儀器分析原理的了解一直都停留在課堂老師的抽象描述上，這些描述也與實驗課程中傻瓜按鍵式操作的教學有些脫節(jié)。因此，在課堂以及課后讓學生摸到和看到儀器真實的內部構造和原理以及真實儀器分析方法的建立過程是改進課程所亟需的。例如，我們在講到儀器結構時，可以在結合原理的基礎上將一些真實的可拆卸與攜帶的儀器配件帶入課堂，讓學生真正看到這些配件的內部構造，讓他們不只是想當然地接受書本上的知識，而是落實到真實世界中看到這些部件在實際中所存在的問題以及制造難度在哪里。從而可以啟發(fā)他們對儀器的創(chuàng)新與創(chuàng)造。當然，有很多儀器的內部結構是沒辦法在課堂攜帶實物來進行展示的，那么我們可以利用虛擬仿真軟件[12,13](如歐倍爾系統(tǒng)，https://www.oberyun.com/gaoxiao)以及一些動畫來進行講解，目的都是為了讓學生了解真正的儀器。另外，在講授一些儀器分析的理論知識時，如果將各個理論參數(shù)與真實儀器分析過程中可以控制的條件進行關聯(lián)并理清他們的關系，可以使學生對理論公式有更加具象的了解，并實現(xiàn)日后的活學活用。

2.3 通過真實檢測分析案例來進行課堂討論與互動考核

儀器分析課程中有許多公式和定律用來說明儀器信號與定量定性信息之間的關系，公式中的參數(shù)通常指示了結果受哪些因素的影響以及各因素之間的關系。然而，教師由于花了大量時間推導公式與描述關系，而沒有時間將這些公式與關系落實到最終建立分析方法的應用中去。而且，這些公式與關系是以講述的方式直接灌輸給學生的，沒有給學生自己思考的時間，也沒有與真實的分析方法建立聯(lián)系，這使得學生對于怎樣使用這些公式和關系仍然一頭霧水，考試時只能靠死記硬背。那么，如果我們在講述完公式推導以及各因素關系之后加入利用這些關系建立某個特定分析物的真實分析方法的課堂活動，將會使學生從公式的虛擬世界中回到現(xiàn)實的分析問題中，并靈活地運用公式和原理來選擇分析條件、建立分析方法。

2.4 設置開放式儀器分析方法改進項目作為分組課后作業(yè)來啟發(fā)學生實踐創(chuàng)新

創(chuàng)新思維的開發(fā)是理工科學生培養(yǎng)的重中之重。對于儀器分析這樣在科研領域仍十分活躍的學科，對課本所學進行創(chuàng)新的空間是非常大的。近年來，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)雖然被各個教改論文不斷提及[14]，但沒有實質性的落實方案。傳統(tǒng)儀器分析課程的課后習題作業(yè)通常不是抽象的問答題就是套公式的計算題，缺乏開放性的試題難以激發(fā)學生的思考，存在標準答案的試題也容易出現(xiàn)互相抄作業(yè)的情況。這里，我們可以通過線上教學平臺在課后設置儀器分析方法的改進項目作為小組作業(yè)。通過線上平臺將學生進行線上分組，各學習小組可共享資源完成作業(yè)。教師提出一個開放性的儀器分析所學方法的技術問題，要求各組通過查閱文獻以及自主思考等方式提出解決問題的創(chuàng)新方法。這里具體的實例在下一節(jié)案例分析中詳細說明。通過這種問題導向的自主學習使學生對課堂學習的知識達到了最充分的利用，同時還進一步通過自己對相關文獻的查閱使得基礎知識得到了提升，培養(yǎng)了科研思維能力。

3 以“色譜分析法”為例的課程構建

色譜分析法是儀器分析課程的三大部分之一。以我校48學時的“儀器分析A”課程為例，色譜分析法所占學時為12個學時，其中色譜概論為4個學時，氣相色譜法和液相色譜法各4個學時。在具體內容上，色譜分析法通常分為色譜原理與分類、色譜發(fā)展歷史、色譜基本理論、氣相和液相色譜的條件選擇以及儀器結構幾部分進行講解。教學實施示意圖如圖1所示。

圖1 “色譜分析法”教學實施示意圖

3.1 課前預習

色譜分析法在儀器分析課程中通常在光譜分析法和電化學分析法之后講授。因此，在課前預習階段，可以引入一些社會熱點實時新聞中需要色譜分析來解決的問題，并與前面所學分析方法進行對比來引導學生提前預習：如色譜分析法的定義、色譜分析法的主要特點、色譜分析法具有優(yōu)勢的生產生活方面的應用(圖1A)。這里可以舉例的實踐應用很多，包括2008年中國奶制品的三聚氰胺毒奶粉事件、2011年中國警方全環(huán)節(jié)破獲特大利用“地溝油”制售案、城市生活垃圾焚燒產生的二噁英引起的各種疾病等。在這些資料閱讀后可以向學生提問：這些時事新聞中的社會問題是否可以通過分析化學來解決？對于成分復雜的體系，要排除復雜基質的干擾檢測到特定的分析物或者要同時分析復雜樣品中的多種成分，是否還可以用前面學到的光譜和電化學分析法？會存在什么問題？我們可以用什么方式來解決復雜樣品分析的問題？

在課堂上，教師可以對課前預習內容作如下總結：這些事件中的共同特點就是都亟需對復雜樣品中的微量特定分析物或所有未知成分進行同時分析。比如“地溝油”事件，其實一直以來沒有公認的標志物來鑒別普通食用油和地溝油，那么這需要分析科學家對樣品進行全成分分析后篩選出地溝油的標志性成分。再如，三聚氰胺毒奶粉事件正是由于不法商販利用了食品檢測部門的蛋白質檢測方法定性能力過低的這個空子，來向奶粉中添加代替蛋白質有效成分的毒性物質。二噁英是一系列多氯取代的芳香化合物，包括75種多氯代二苯并-對-二噁英和135種多氯代二苯并呋喃。因此，用普通的光譜分析法和電化學分析法無法準確同時分析它們的含量。通過這些實例，可以使學生潛移默化地了解色譜分析法相比于其他兩種分析法來說最大的特點是：其本質是一種分離分析方法，它可以將具有微小化學結構差別的分析物分離開來分別檢測，所以可以同時分析多組分的分析物且受復雜樣品基質的干擾較小，從而解決上面生產生活中的問題。

3.2 課中教授

色譜分析法的核心部分主要是色譜基本理論和色譜儀器結構。下面以這兩部分為例介紹(圖1B)。

由于色譜理論部分較為抽象且公式較多，學生學習起來比較困難。因此，將色譜理論部分的介紹與后面實際色譜分離條件的選擇前后呼應聯(lián)系起來講解，會使學生對抽象的理論模型有更為具象的了解。例如色譜分離過程的分配比、分配系數(shù)、選擇因子等熱力學參數(shù)是由色譜柱溫、固定相和流動相等條件的選擇決定的，可以聯(lián)系起來講，而通過公式可知這些參數(shù)最終決定了色譜流出曲線中的保留時間(圖2)；色譜塔板理論和速率理論中涉及的塔板高度、渦流擴散項、傳質阻力項和縱向擴散項等動力學參數(shù)主要決定于色譜流速、色譜固定相粒徑或涂層厚度等條件的選擇，也可以聯(lián)系起來。而通過公式可知這些參數(shù)最終將影響色譜流出曲線中的峰寬(圖2)。這里可以利用動畫將色譜這種集熱力學和動力學過程于一體的分離過程表示出來，并在動畫中顯示出我們抽象化的分離過程中涉及的這些熱力學動力學參數(shù)與實際實驗過程中可以改變的條件之間的關系，以及最終如何通過公式影響色譜分離結果(圖2)。這樣總體關聯(lián)結合的講解會比傳統(tǒng)的把色譜理論和分離條件的選擇兩部分分開講解要更容易使學生理解。

圖2 將色譜熱力學動力學理論與實際分離條件以及檢測結果結合的總匯示意圖

色譜儀的結構相較于其他分析儀器更為復雜，其內容包含大量流路控制和機械電子控制方面的內容。雖然對于本科生而言過于細節(jié)的結構并不需要重點掌握，但是幾個重要部件的結構和原理，如輸液泵(液相色譜)、進樣器、氣化室(氣相色譜)、柱溫箱、色譜柱連接以及檢測器，是必須要掌握的。這時，對于一些體積不大易于拆卸的零部件，如色譜進樣閥、色譜柱、氣化室甚至離子源等，如果有條件教師可以將這些零件帶到教室進行拆卸講解，將會讓學生更加具象地了解他們的工作原理，也會提高學生的學習興趣。對于學生難以看到實物的大型儀器，虛擬仿真平臺是能讓學生了解到真實儀器的最好方法。虛擬仿真平臺通過三維建模來構建立體的和真實儀器內部構造接近的虛擬儀器，通過軟件可以對虛擬儀器的各個零部件進行拆除觀察，也可以通過虛擬平臺模擬真實采樣檢測的全過程。

3.3 課堂活動

在學習理論知識后，教師可以通過一個建立完整的色譜分離分析方法的課堂活動使得學生對前面所學的知識有一個高效的溫故和更深刻的認識(圖1B)。

這里我們選擇8種必需氨基酸作為分析對象，要求學生建立針對8種必需氨基酸(亮氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、蘇氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、纈氨酸)的液相色譜分離分析方法。這是一個開放的課堂活動，學生分為4-5人一個小組完成方法建立的任務。我們只限定分析物和液相色譜類型，其他的分析條件都是學生自行選擇，包括色譜柱、流動相、流動相時間程序、檢測器和輸液泵等。學生分工合作，可以自行思考也可以查閱文獻，但重點是需要解釋原因以及預估分離結果。學生分組通過線上平臺提交自己建立的方法。課堂上，教師隨機抽取幾個小組進行課堂講解。

最后，教師對幾種常規(guī)的思路進行總結和分析，如圖3所示。先選擇分離模式，包括固定相和流動相的選擇。由于氨基酸屬于非常親水的有機小分子，通過各氨基酸的油水分配系數(shù)(logP)這個物理化學參數(shù)就可以了解到8種氨基酸的親水性(引導學生在Chemspider網站上進行查詢，可以發(fā)現(xiàn)各物質logP值大部分都＜ 1)。logP越小說明其在疏水的油相的分配就越少，由此可以推斷氨基酸在疏水固定相中的保留將很弱(分配系數(shù)小)。所以最合適的分離模式為親水作用色譜(HILIC)或離子色譜。但這里值得提及的是，在實際應用中HILIC分離效果并不好，疏水反相色譜由于高的柱效和成熟的商品化產品在氨基酸分析中應用廣泛。常用的各分離模式固定相和流動相如圖3所示。在流動相選擇上，這里的關鍵知識點是，如果采用親水作用色譜柱，高洗脫強度溶劑為水，流動相洗脫梯度是有機溶劑比例從高向低(如90%-50%乙腈-水)梯度變化；而采用疏水作用色譜，高洗脫強度溶劑為有機溶劑，流動相洗脫梯度應該為水比例從高向低(如95%-50%水-乙腈)梯度變化。如果采用離子色譜，梯度洗脫流動相應是從NaOH等堿濃度低的水溶液向高濃度堿性水溶液方向變化，堿性水溶液是高洗脫強度流動相。泵系統(tǒng)的選擇決定了液相色譜分離的流速范圍，同時也取決于色譜柱的類型與阻力。目前常用的液相色譜分離流速及適用的色譜柱和泵信息總結于圖3。這里關鍵知識點是各流速系統(tǒng)的特點：常規(guī)流液相色譜對樣品有更大的稀釋效應，對于濃度型檢測器的信號強度不利，但其分離過程重復穩(wěn)定，是色譜分離最常用的。在這個流速范圍內如果色譜柱是普通3-5 μm填料，則用普通高壓液相泵；而如果使用柱效更高的亞2 μm填料，則由于柱阻力大需要使用超高壓液相泵。近年來，各種微流和納流液相色譜分離系統(tǒng)具有更高的靈敏度，其達到同樣檢測信號所需的樣品量更少，但通常分離的穩(wěn)定性和重復性更差。常用檢測器如圖3所示。對于紫外檢測器，氨基酸的羧基由于n-π*躍遷在210 nm就有一定弱吸收，少數(shù)具有芳香基團的氨基酸在250 nm處有吸收。當然，實際應用中氨基酸還是通過衍生帶上紫外吸收基團后進行紫外檢測，具有更高的檢測靈敏度；熒光檢測器選擇性很強，氨基酸沒有熒光，需要通過衍生標記上熒光基團來檢測；除此之外，在離子色譜分離環(huán)境下，電導檢測器可對氨基酸進行無衍生檢測。近年來液相色譜和質譜的聯(lián)用也越來越廣泛，質譜作為檢測器無需標記衍生且具有更高的靈敏度和定性準確性。

圖3 對于8種必需氨基酸的液相色譜分離條件選擇的分析框圖

通過這樣的實踐練習，可以回顧到色譜的分類、色譜理論、色譜條件的選擇以及色譜儀器構成等多個章節(jié)內容的關鍵知識點，還可以拓展更多色譜分析的實踐知識。

3.4 課后作業(yè)

這里，我們提出采用開放式的儀器分析改進任務作為作業(yè)，激發(fā)學生在實踐中應用所學知識進行創(chuàng)新的能力(圖1C)。例如，液相色譜這一章節(jié)的作業(yè)為：通過所學塔板理論和速率理論以及查閱文獻，列舉從固定相、流動相等方面提高液相色譜柱效的新方法和技術，并解釋其能提高柱效的原因。學生通過查閱文獻將書本上學習的理論知識和實際過程中使用的色譜技術進行了聯(lián)系，從實踐中深入理解了色譜理論。最后，教師可以在課堂上抽出時間來總結講解這個作業(yè)，如表1所示。

表1 開放式作業(yè)的知識點總結

4 課程考核的改革

近年來，高校越來越注重過程考核，除了傳統(tǒng)的期末筆試之外，豐富與深入的過程考核也將成為拉開學生考試成績的重要因素。

根據上面介紹的儀器分析教學改革內容，課程考核可以分為以下幾部分。首先是期終筆試，這部分占總考核成績的50%，主要分為選擇題、填空題、判斷題、問答題和計算題幾類，利用各個題型考查學生對基本知識的掌握情況。其次是過程考核，同樣占總考核成績的50%，其考查內容可以非常豐富。主要包括課前預習線上問答(10%)、課堂活動成績(15%)、隨堂線上小測試成績(10%)、課程互動加分(一次加1分)、課后作業(yè)成績(15%)。其中，課前預習線上問答主要包括3.1節(jié)提到的課前新聞時事報道的討論以及課前基礎知識測試，這些都將在線上教學平臺(如超星學習通、暢課平臺)上進行并統(tǒng)計成績；課堂活動主要包括3.3節(jié)提到的每章節(jié)一次的儀器分析方法建立的實踐訓練?？紤]到全面評估所有學生參與課堂活動的表現(xiàn)，我們同樣采用線上教學平臺的作業(yè)功能在課堂上發(fā)布實踐任務以及實時提交分析方法與方案，所有學生的方案將課后整理再評分；隨堂小測驗通過在線上教學平臺中設置選擇題、填空題或判斷題來快速檢測學生的知識掌握程度；在所有課堂教學中，對老師每次提問進行回答和與老師進行討論的同學都將有額外的加分。例如，課堂活動中將建立的分析方法與老師討論互動、課前與老師一同回顧課程，以及當堂回答老師問題等。最后是課后作業(yè)，包括3.4節(jié)提到的開放式的儀器技術改進任務或課后習題。這些可以通過線上教學平臺統(tǒng)一管理。

5 課程效果

從我院18級化工專業(yè)學生的學習情況來看，學生對于課堂活動以及線上任務的參與積極性是很高的。每個課前預習討論貼都基本全員回帖，且訪問量都在37-84之間。每次課堂活動幾乎所有學生都是主動與教師互動的，整個學期所有學生都在課堂活動中互動過至少1次。通過課程改革，過程成績與最終考試的成績平均值較接近(均在75分左右)，且過程成績拉開學生間差異也更大(70-95分)。說明學生考核更加多元且準確。

6 結語

本文從傳統(tǒng)儀器分析課程存在的問題著手，提出了“在用中學”的儀器分析教學改革理念，并結合目前發(fā)展迅速的互聯(lián)網+教學資源與平臺對儀器分析的教學提出了四點改革方案，包括：課前結合線上教學平臺以社會熱點新聞來引入新的課程內容；課中結合線上資源、線下儀器配件實物和實際分析條件來講解儀器原理與結構，以及通過建立真實檢測分析方法的實踐任務來進行課堂討論與互動考核；課后設置開放式儀器分析技術改進項目作業(yè)來啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維；最后，以色譜分析這一章為例將以上的教學模式進行了實際案例介紹，通過實踐證明課程具有一定效果。