儀器分析課程中研究型教學初探*

范慧俐 李建強 劉杰民 弓愛君 魯毅強

(北京科技大學化學與化學工程系 北京 100083)

儀器分析是分析化學的重要組成部分。隨著物理學和精密儀器加工技術的發展，分析儀器的種類越來越多，功能越來越強大，應用范圍越來越廣，涉及到的基礎理論和專業知識面越來越寬且越來越深。因此，儀器分析課程的教學面臨著如何在有限的時間內，廣泛和深入地向學生介紹分析儀器的原理、結構、應用和使用方法的問題[1-3]。同時，培養高素質研究型人才還面臨著如何使學生通過這門課的學習，在今后的實際工作和研究中能夠正確選擇、合理使用各種分析儀器和組織分析測試。針對不同種類的分析儀器在理論上各成體系，且目前廣泛應用的分析儀器種類多、應用性強的特點，我們在師資隊伍建設、教學內容選擇、課堂教學組織和實驗課設置方面進行了研究型教學探索。

1 針對研究型教學要求配備任課教師

分析儀器種類多，不同儀器分別適用于不同的分析目的。而各種分析儀器涉及的理論知識體系不同，每種分析方法都有自己的特點，每種分析儀器的使用都有特定的規律，把握這些規律需要長期的實踐積累。鑒于此，在師資配備上，我們對每一種儀器分析方法都選派了有豐富理論知識和實踐經驗的教師任課。例如，原子發射光譜由有20多年教齡、長期從事原子發射光譜理論和實踐研究的教師任教；原子吸收光譜由一位從事原子吸收光譜測試和研究多年的教師任教；電化學分析由一位研究生論文就是關于電化學分析工作，且教學效果突出的教師任教；氣相色譜和高效液相色譜分別由兩位長期從事色譜實踐的教師任課。在承擔儀器分析課程的教師中，有4人獲得課堂免檢榮譽，有3人獲得過畢業生“我愛我師，我心目中最好的老師”榮譽。所有任課教師都和世界高水平儀器制造公司(例如日本的島津公司、德國的耶拿公司、美國柏琴-埃爾默公司和安捷倫公司等)保持著密切聯系，積極參加儀器分析使用技術交流，跟蹤儀器分析發展前沿，以便掌握儀器分析發展的最新動態。高水平、強有力的師資配備為課程的研究型教學實踐奠定了基礎，也是儀器分析課程能在有限的時間內獲得最好的教學效果的保證。

2 以理論知識為實際應用服務為宗旨

儀器分析是根據物質特有的物理或化學性質，利用物理學原理，通過精密儀器實現對物質的定性和定量分析的方法。其最終目的是實現對物質本質的認識和數量的測量[4]。由于其應用性強，所以我們在進行教學內容組織時更注重加強與實際應用關系密切的內容的權重。在介紹基本原理的基礎上，更注重關于各種儀器方法的應用特點和最新使用成果方面的介紹和教學。例如，在氣相色譜分析學習中，傳統的教學內容主要介紹氣相色譜的分析對象是氣體和低沸點的體系。但考慮到在目前的環境分析中，一些大分子的污染物分析越來越受到重視，而氣相色譜具有靈敏度高、檢測器種類多的特點，在教學中我們引入了通過衍生化等方法使用氣相色譜分析高沸點化合物的相關內容。此外，在氣相色譜分析儀器和操作參數的選擇學習中，不僅僅是介紹基本參數的選擇依據和方法，同時還引入了在眾多互相制約因素的情況下，如何選擇出合理參數的學習內容。在電化學分析學習中，直接電位法主要介紹單晶膜電極、多晶膜電極、液膜電極、氣敏電極和組織電極等幾類離子選擇電極，考慮到化學修飾電極和自組裝膜近年來的快速發展和廣泛應用，我們在教學中補充了化學修飾電極、納米電極和自組裝膜的原理介紹、制備方法和應用實例。在原子吸收光譜教學工作中，許多儀器分析教材比較側重于簡單原理及應用介紹等內容，學生難以從理論上理解該方法的原理，這會使他們在面對實際問題時不能用理論指導實踐，很難全面考慮影響測定準確度的各種因素，從而不能充分發揮該儀器方法的優勢。在我們的課堂教學中，在學生理解原子吸收的峰值吸收理論后，以原子化器中的總原子濃度為判據，對原子化過程的各種影響因素進行系統討論，使學生明白與原子化過程相關的各個因素，如液面與霧化器的高度差、溶液的密度、黏度、表面張力等都可以影響霧化效率和原子化效率，進而影響總的原子濃度，即影響測定的準確度。使學生明白要想獲得正確的分析結果，僅僅有一臺好的儀器是不夠的，更重要的是操作者要考慮各種影響因素并消除其影響。

3 以培養研究型人才為目標實踐研究型教學方法

所謂研究型教學就是在教學過程中優化課程結構，采用適當教學方法，培養學生的學習能力，運用知識的能力和發現問題、研究問題及解決問題的能力。為了實現這一目標，要求教師在進行課堂教學時改變傳統的以講解介紹為主的授課模式，在教學中引入科學研究的要素，為培養研究型人才奠定基礎。針對科學研究中要求研究者具有很強的發現問題、分析問題和解決問題的能力這一特點，我們在教學中根據自己的科研或文獻實例，通過展示實驗現象、提問題、小討論等方式啟發學生提出問題，并進一步分析和解決問題。例如，在氣相色譜分析教學中，教師首先展示一個分析混合體系任務的初步分析結果，譜峰重疊嚴重，然后設定實現理想分離的最終目標。根據這一具體問題，教師提出第一個問題：面對這樣的問題我們要做的工作是什么？當學生明確了需要通過選擇合理的儀器和操作參數才能實現理想分離之后，教師再提出第二個問題：如何選擇儀器和操作參數？然后啟發學生觀察色譜圖的特點，考察色譜峰重疊的形式。如果相鄰兩個峰的峰寬很大，則啟發學生從影響峰寬的因素入手，主要考慮調整會影響峰寬的參數；如果相鄰兩峰的保留值非常接近，則啟發學生從影響保留值的因素入手，主要考慮調整會影響保留值的參數。然后進一步展示參數調整后的效果，直至達到理想狀態。又如在電化學分析的庫侖滴定教學中，先引導學生討論庫侖滴定和化學滴定在原理、滴定劑和指示終點等方面的區別，再選取具體實例，如水質污染指標之一的化學耗氧量(COD)測定，由學生利用這兩種方法自行設計方案進行比較，最后歸納總結出庫侖滴定的特點。

4 以檢驗理論、強化研究型學習效果為目的設置實驗課教學內容及組織實驗教學

儀器分析是人類了解自然世界和從事科學研究工作的重要手段，儀器分析課程的實踐性非常強[5]，所以在實驗課程設置和實施方面，我們不僅安排了必要的測試和驗證實驗，而且結合任課教師的最新科研成果，更新實驗內容，引入研究型實驗。例如，劉杰民教授將室內異味課題科學研究成果轉化為氣相色譜實驗內容(室內環境或食品中異味化合物鑒別及異味強度測定)，將氣相色譜的分離能力與人類鼻子敏感的嗅覺聯系在一起，鑒別特征異味化合物，從而確定異味化合物的異味強度和作用大小。實例是對空氣污染物以及水果制品、酒類、肉制品、乳制品、海產品中關鍵氣味化合物等的鑒定研究。該實驗設計了三點比較式臭袋法測定常見異味化合物閾值、空氣和食品采樣、氣相色譜-質譜-嗅覺測定法測異味混合物的性質和強度、界定主要異味物質及其貢獻等實驗內容。這些工作開拓了學生視野，激發了他們的學習興趣，取得了良好的教學效果。此外，“ICP-AES測定鉍系超導前驅粉中的Bi、Pb、Sr、Ca、Cu”及“高效液相色譜法測定Bt生物農藥中酪氨酸的含量”等實驗教學內容均為任課教師的科研成果。

在實驗課的組織上，注重對學生分析問題和解決問題能力的培養，盡量避免照本宣科式的教學方法。如在氣相色譜實驗中，不是將現成條件交給學生，讓學生照著實驗講義完成進樣，獲得實驗結果，而是給學生一個混合樣品和基本條件，讓學生在已有條件的基礎上，自己根據實際情況優化實驗條件，進行定性和定量分析，從而使學生對所學理論有更深刻的體會和理解。

這樣的實驗課安排和實驗教學組織使教學模式由學生被動接受轉變為主動思考，有助于調動學生的學習激情，培養學生分析問題和解決問題的能力。

[1] 陳毅挺,林棋,張慶守.大學化學,2011,26(3):11

[2] 白玲,李銘芳,廖曉寧,等.安徽農業科學,2010,38(28):16057

[3] 龍小玲,蘇慶平,陳文,等.實驗科學與技術,2009,7(2):88

[4] 王瑞勇,季米娜,張璐,等.光譜實驗室，2011,28(1):259

[5] 王琦,張思銳.大學化學,2006,21(2):22