儀器分析及實(shí)驗(yàn)課程新體系的構(gòu)建及實(shí)踐*

李建強(qiáng) 魯毅強(qiáng) 范慧俐 劉杰民 曹艷秋 弓愛君

(北京科技大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程系 北京 100083)

儀器分析及實(shí)驗(yàn)課程在高等院校化學(xué)及相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課教學(xué)中有著重要地位。該課程涉及化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、電子學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科理論,采用比較復(fù)雜和特殊的儀器設(shè)備，通過測量物質(zhì)的某些物理參數(shù)來確定物質(zhì)的化學(xué)組成及成分含量，并獲取有關(guān)化學(xué)結(jié)構(gòu)的信息。對學(xué)生而言，儀器分析及實(shí)驗(yàn)課程是他們后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，對培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題能力和創(chuàng)新精神，掌握現(xiàn)代的研究手段與方法有重要作用。

儀器分析及實(shí)驗(yàn)是北京科技大學(xué)化學(xué)系應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，課程安排在無機(jī)化學(xué)與分析化學(xué)之后，與物理化學(xué)和有機(jī)化學(xué)交叉同步；課程分為Ⅰ和Ⅱ兩部分，分別在第6和第7學(xué)期開設(shè)，每部分54學(xué)時(shí)，其中課堂講授30學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)24學(xué)時(shí)(2010版教學(xué)計(jì)劃改為64學(xué)時(shí)，課堂講授40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)24學(xué)時(shí)，在第4和第7學(xué)期開設(shè))，這兩部分相對獨(dú)立又緊密聯(lián)系。對于該課程的理論教學(xué)，不但要求講授每種分析方法的基本原理、儀器結(jié)構(gòu)、干擾因素和分析方法，還要緊跟該學(xué)科的發(fā)展前沿，不斷更新教學(xué)內(nèi)容。對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每種分析方法的課時(shí)少、儀器數(shù)量不足等因素困擾著許多學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的順利開展[1-3]；同時(shí)，課程所涉及的分析方法在原理、儀器結(jié)構(gòu)、影響因素及應(yīng)用等方面都有很大差別，整個(gè)課程的邏輯性不強(qiáng)，知識點(diǎn)較分散，并涉及到量子化學(xué)等較抽象的內(nèi)容，使學(xué)生學(xué)習(xí)過程中不易抓住重點(diǎn)和規(guī)律性，較難掌握[4-5]。因此，加強(qiáng)課程的安排與管理，做好該課程的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，改革教學(xué)內(nèi)容和體系，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化，不僅對培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高的人才有必要性，而且有迫切性。

1 更新課堂教學(xué)內(nèi)容

課堂教學(xué)是儀器分析及實(shí)驗(yàn)課程的重要組成部分，也是后續(xù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論基礎(chǔ)。教學(xué)內(nèi)容是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的載體，因此，教學(xué)內(nèi)容的選用是實(shí)現(xiàn)教學(xué)現(xiàn)代化的重要環(huán)節(jié)。

經(jīng)過調(diào)研，我們對儀器分析課程進(jìn)行了修訂和內(nèi)容整合，力求達(dá)到前導(dǎo)和后續(xù)課程間、課程本身前后內(nèi)容間的有機(jī)銜接；對反映當(dāng)代新理論、新技術(shù)和前沿進(jìn)展的內(nèi)容，力求做到無縫嵌入。

在課程內(nèi)容的設(shè)置上，遵循北京科技大學(xué)以冶金、材料為特色的學(xué)科特點(diǎn)，同時(shí)體現(xiàn)冶金分析這一北京科技大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的傳統(tǒng)學(xué)科發(fā)展方向，重點(diǎn)是金屬、礦石及無機(jī)非金屬材料的無機(jī)微量及痕量分析，同時(shí)兼顧冶金行業(yè)對環(huán)境及其他分析的需求，對有機(jī)分析及氣體分析均有所涉及。課程中強(qiáng)調(diào)有關(guān)組分的定量分析的特點(diǎn)，結(jié)合各種分析手段的發(fā)展趨勢，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，突出該課程的分析特色。課程內(nèi)容由原子吸收光譜、紫外可見光譜、氣相色譜(儀器分析Ⅰ)、原子發(fā)射光譜、液相色譜(含離子色譜)和電化學(xué)分析等內(nèi)容(儀器分析Ⅱ)組成。每部分內(nèi)容的講授及實(shí)驗(yàn)分別由在該領(lǐng)域具有豐富經(jīng)驗(yàn)的教師承擔(dān)。將有機(jī)結(jié)構(gòu)分析涉及的有關(guān)內(nèi)容放在譜學(xué)導(dǎo)論課程中講授。此外，課程組協(xié)調(diào)各任課教師對分散在各章節(jié)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行整合，刪去重復(fù)內(nèi)容，以使教學(xué)內(nèi)容更加系統(tǒng)化、條理化，學(xué)生的理解、記憶和應(yīng)用更加集中、清晰。

對于課程中的每部分內(nèi)容，除了要求系統(tǒng)性強(qiáng)，對基礎(chǔ)理論講解清楚外，還不局限于教材的知識范圍，關(guān)注本領(lǐng)域的發(fā)展前沿。如，近年來原子發(fā)射光譜分析發(fā)展迅速，二維色散全譜直讀光譜儀已經(jīng)成為主流，但普通的光柵色散儀器在特定的領(lǐng)域(如稀土分析)還有應(yīng)用，因此,在講授發(fā)射光譜儀時(shí)，對發(fā)射光譜的產(chǎn)生及光譜色散基本原理講解清楚后，簡化棱鏡色散儀器的內(nèi)容，壓縮光柵色散儀器的課時(shí)，增加全譜直讀光譜儀的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、性能及優(yōu)缺點(diǎn)等內(nèi)容；在光源部分，對經(jīng)典光源刪除陳舊的部分，簡化次要的內(nèi)容，而對現(xiàn)代新型光源如等離子體光源、激光光源、輝光光源及應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)介紹，使學(xué)生能夠有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還對該領(lǐng)域的發(fā)展前沿有充分了解。

課程中對一些現(xiàn)代新儀器、新方法，如氣-質(zhì)聯(lián)用譜儀，離子色譜儀，高效液相色譜儀，無火焰原子吸收光譜儀，雙波長紫外-可見分光光度計(jì)等做了較為詳細(xì)的講解，使學(xué)生對學(xué)科發(fā)展動態(tài)和國內(nèi)外重大成果有概略的了解，以引發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的興趣。

教學(xué)方法的改革是保證教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6-7]。教學(xué)本身是教師與學(xué)生雙向互動的過程，啟發(fā)式的教學(xué)思想和理念應(yīng)該貫穿于整個(gè)教學(xué)活動中，落實(shí)在每個(gè)具體教學(xué)環(huán)節(jié)上，教學(xué)活動應(yīng)以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、提高教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)。對于儀器分析課程中的重要概念，如等離子體溫度與電子溫度的相關(guān)性，采用課堂討論的教學(xué)方式，使學(xué)生對于光源熱力學(xué)溫度有較深刻的理解，能正確地區(qū)分激發(fā)溫度和電極溫度；對于紫外吸收光譜中價(jià)電子躍遷類型的討論，使學(xué)生對于躍遷能量的分布、吸收光譜與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系有了深刻的理解。為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，鼓勵(lì)學(xué)生對于一些理論難點(diǎn)進(jìn)行討論，相互學(xué)習(xí)，共同提高，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新意識。

2 新實(shí)驗(yàn)課程體系的構(gòu)建與實(shí)踐

化學(xué)類的實(shí)驗(yàn)課程，除了可以輔助理論課程的學(xué)習(xí)外，還能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動手能力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鰡栴}和解決問題的思維習(xí)慣。儀器分析實(shí)驗(yàn)課是應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，我系歷屆畢業(yè)生實(shí)驗(yàn)技術(shù)和技能強(qiáng)，已成為化學(xué)系一大特色，并被用人單位認(rèn)可。

大型精密儀器臺件不足是困擾眾多高校儀器分析實(shí)驗(yàn)課程順利開展的重要因素，使得一些學(xué)校的儀器分析及實(shí)驗(yàn)課程的效果大打折扣[6,8]。對此，我們提出教師要多付出一些，摒棄了大組(10～15人)實(shí)驗(yàn)的方式(該種實(shí)驗(yàn)方式無法保證每個(gè)學(xué)生都能親自動手做實(shí)驗(yàn))，堅(jiān)持兩人一組、單兵操練的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健榱私鉀Q這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?shí)驗(yàn)時(shí)間過長的問題，我們充分利用多名教師任課的有利條件，采取不同分析手段交叉進(jìn)行、循環(huán)作業(yè)的方法，在提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)工作能力的同時(shí)，也解決了實(shí)驗(yàn)儀器臺數(shù)不足和實(shí)驗(yàn)時(shí)間不足的問題。

實(shí)驗(yàn)和課堂內(nèi)容相結(jié)合才能達(dá)到最佳教學(xué)效果。在每個(gè)小組進(jìn)行每種分析手段的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師會結(jié)合課堂講授的內(nèi)容對儀器設(shè)備構(gòu)造、使用操作步驟和注意事項(xiàng)進(jìn)行較詳盡的講解；同時(shí)向?qū)W生明示，僅此一次是老師“帶”實(shí)驗(yàn)，而在以后的實(shí)驗(yàn)中是老師“看”實(shí)驗(yàn)，所謂“看”就是在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)只看不講，只在發(fā)生嚴(yán)重的操作錯(cuò)誤時(shí)給予提醒，并讓學(xué)生回答為什么不對。此外，對于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們預(yù)先準(zhǔn)備了多個(gè)問題，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中適時(shí)提出相關(guān)的問題，讓學(xué)生在課后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中去討論一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使學(xué)生的大腦產(chǎn)生興奮點(diǎn)。上述方法促使學(xué)生必須認(rèn)真對待每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，而且對極少數(shù)惰性較大的學(xué)生能起督促作用，使其對實(shí)驗(yàn)全過程進(jìn)行認(rèn)真思考。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們采取了時(shí)間和內(nèi)容開放式教學(xué)模式[9]。考慮到學(xué)生實(shí)驗(yàn)組數(shù)多、實(shí)驗(yàn)占用時(shí)間長的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間由學(xué)生自由選擇，自由組成實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)室在一定的時(shí)間段開設(shè)某一特定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間后即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生需要在規(guī)定的時(shí)間段完成規(guī)定的內(nèi)容，教師根據(jù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的情況給出每個(gè)實(shí)驗(yàn)的成績。在課程結(jié)束前的一兩周，實(shí)驗(yàn)室整體開放，學(xué)生可在空暇時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，選做實(shí)驗(yàn)教材中感興趣的其他實(shí)驗(yàn)，也可以補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)或完成以前不夠理想的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(不計(jì)成績)。如原子吸收光譜實(shí)驗(yàn)以火焰原子吸收法為主，對于石墨爐和氫化物原子吸收法，感興趣的學(xué)生可以預(yù)約選做。開放實(shí)驗(yàn)室有利于因材施教，能使基本操作訓(xùn)練不足的學(xué)生得到反復(fù)練習(xí)的機(jī)會，并為優(yōu)秀學(xué)生提供了課外學(xué)習(xí)的場所。

3 新實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的構(gòu)建與實(shí)踐

實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)是通過具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系的探索與實(shí)踐中，我們不僅強(qiáng)調(diào)了學(xué)科的系統(tǒng)性，同時(shí)也考慮了學(xué)科之間的兼容互補(bǔ)性和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的先進(jìn)性，具體體現(xiàn)在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置上。隨著教學(xué)改革的深入，我們加強(qiáng)了綜合性實(shí)驗(yàn)的力度，采取了“三點(diǎn)一線”(三點(diǎn)：樣品前處理、基體匹配、內(nèi)標(biāo)選擇等；儀器參數(shù)的選擇；方法在實(shí)際工作中的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。一線：對上述三點(diǎn)以所用方法的基本原理為主線通盤考慮)、環(huán)環(huán)相扣、融為一體的方法，形成了從低到高、從基礎(chǔ)到前沿、從接受知識型到綜合能力型的逐級提高的實(shí)驗(yàn)課程新體系，給學(xué)生提供了更多的選擇和擴(kuò)展的余地，同時(shí)節(jié)約了課時(shí)。新的儀器分析實(shí)驗(yàn)課程體系以“加強(qiáng)基礎(chǔ)技能訓(xùn)練，注重全面素質(zhì)培養(yǎng)，強(qiáng)化創(chuàng)新意識養(yǎng)成，突出個(gè)性能力發(fā)揮”為指導(dǎo)思想。堅(jiān)持課程的系統(tǒng)性和完整性，既要涵蓋儀器分析實(shí)驗(yàn)的基本原理及操作技能，又要考慮各學(xué)科之間的聯(lián)系和滲透。為此我們選編了7大系統(tǒng)35個(gè)實(shí)驗(yàn)供學(xué)生選做，其中增加了一些生物化學(xué)及環(huán)境化學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并結(jié)合教師的科研工作，不斷補(bǔ)充新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如“室內(nèi)環(huán)境或食品中異味化合物鑒別及異味強(qiáng)度測試”，“鉍系超導(dǎo)材料(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)中Bi、Sr、Ca、Cu、Pb的ICP-發(fā)射光譜法測定”，“高效液相色譜法測定Bt生物農(nóng)藥中酪氨酸含量及毒力效價(jià)的測定”，“原料乳中三聚氰胺的快速檢測——液相色譜法”等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是任課教師的科研成果轉(zhuǎn)化成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

為了體現(xiàn)課程體系的現(xiàn)代性和實(shí)用性，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為主線并貫穿始終，將知識與技能融于一體并體現(xiàn)現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和現(xiàn)代新儀器、新設(shè)備的應(yīng)用。如“高效液相色譜儀基本操作與性能測試”、“GC-MS聯(lián)用測定樟樹油中主要成分”、“無火焰原子吸收光譜法測定人體指甲中的銅”等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不僅反映了儀器分析在現(xiàn)代分析化學(xué)中的重要地位，而且實(shí)現(xiàn)了對學(xué)生由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到綜合實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力；同時(shí)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用性大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，很多學(xué)生選擇相關(guān)方向作為畢業(yè)論文或科技創(chuàng)新的題目。

4 實(shí)驗(yàn)考核方法的改革

課程成績是對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的最終評價(jià)。基于實(shí)驗(yàn)課時(shí)的比重較大和對實(shí)驗(yàn)工作的重視，將實(shí)驗(yàn)成績占課程最終成績的比例加大到50%，以改變學(xué)生重考試、輕實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀。對于實(shí)驗(yàn)成績的評定設(shè)計(jì)了一套嚴(yán)格的打分方案以體現(xiàn)公平和公正性。將每個(gè)實(shí)驗(yàn)分為預(yù)習(xí)報(bào)告(10%)、操作技能(20%)、回答問題(10%)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(40%)(準(zhǔn)確度、精密度、討論等)、組織紀(jì)律(10%)、環(huán)境衛(wèi)生(10%)等6個(gè)環(huán)節(jié)，分段進(jìn)行評定并綜合計(jì)分。在評定中，特別加大了創(chuàng)新能力的權(quán)重。由于采用兩人一組的實(shí)驗(yàn)方式，每個(gè)學(xué)生都要親自動手獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與自己的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備是否充分、實(shí)驗(yàn)過程是否認(rèn)真、實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范及對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的思考和討論是否嚴(yán)謹(jǐn)?shù)戎苯酉嚓P(guān)，對成績也有直接影響。學(xué)生經(jīng)過認(rèn)真準(zhǔn)備和深入思考，寫出的實(shí)驗(yàn)報(bào)告不再是抄寫實(shí)驗(yàn)講義的內(nèi)容，而是圍繞實(shí)驗(yàn)結(jié)果有的放矢地進(jìn)行討論，這樣有助于提高他們分析問題的能力，并養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S習(xí)慣。

5 結(jié)束語

經(jīng)過5年的教學(xué)實(shí)踐，我們對應(yīng)用化學(xué)專業(yè)300余名本科生和近百名研究生進(jìn)行了儀器分析的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，為學(xué)生后續(xù)的畢業(yè)論文工作奠定了基礎(chǔ)。由于設(shè)備的不斷更新，我系儀器分析實(shí)驗(yàn)的水平基本上可與現(xiàn)代分析化學(xué)同步。由于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐工作能力強(qiáng)，適應(yīng)面廣，每年本科生的一次就業(yè)率在學(xué)院內(nèi)居首位，研究生的就業(yè)率達(dá)95%以上。

儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系對教師的業(yè)務(wù)素質(zhì)提出了更高的要求。每個(gè)教師不僅要指導(dǎo)基本實(shí)驗(yàn)，還要指導(dǎo)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。這就要求教師既要有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識和熟練的操作技能，又要積極跟蹤學(xué)科發(fā)展趨勢，掌握新技術(shù)和新器件的應(yīng)用，具有較強(qiáng)的科研能力。只有不斷充實(shí)自己，更新自己的知識，才能給學(xué)生更好的指導(dǎo)，這就促進(jìn)了教師業(yè)務(wù)素質(zhì)的提高。我們將發(fā)揚(yáng)優(yōu)良傳統(tǒng)，放開眼界看未來，堅(jiān)定不移向前進(jìn)。

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