大型儀器分析技術在環境類專業本科實驗教學中的實踐與探索

陳 皓，李明利，肖乾芬，劉海玲，張 華，袁 園

（同濟大學 環境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

隨著對環境問題認識的深入、對環境質量要求的提高以及對污染物的環境行為、生態毒性及控制過程等環境課題的研究也不斷深入，環境監測的任務越來越重，污染物的定性定量分析技術要求越來越高。在實際監測工作中，環境監測與分析不再僅限于天平、燒杯、滴定、比色等傳統的器具和技術。在各級環境監測部門及相關企業，大型儀器分析技術已逐漸成為環境污染物監測的核心技術[1－3]。隨著國際國內相應標準及統一監測方法的建立與完善，以及環境保護對分析技術要求的提高，儀器分析技術開發及應用的需求將快速增長。監測技術與儀器分析的水平將直接影響著環境管理工作與國際接軌的步伐。而掌握環境領域相關知識又具備儀器分析技能的人才將會更快適應環境保護對監測技術發展的要求[4]。有針對性地將這些先進儀器和技術介紹給學生，指導學生掌握如何選擇分析儀器、如何建立系統的樣品預處理及分析方法、如何判斷分析結果的準確性等相關知識，具有現實意義。儀器分析技術強調實踐和操作，除了必要的理論教學，重視和加強實驗教學是該課程教學的重要環節[5－6]。

大型儀器存在成本高、臺套數量有限、操作復雜等特點，為了能更好地開展大型儀器為環境類專業本科教學服務的工作，嘗試了從光譜類儀器入手，以環境科學專業的本科學生為試點，進行了大型儀器使用、應用與維護的教學[7]。試點工作得到了學校教學管理部門及學生的一致認可。在此工作的基礎上，擬面向部分學有余力的學生開設環境樣品現代儀器分析技術課程。作為一門新開設的完整的實驗課程，“環境現代儀器分析技術”需從課程目標、課程大綱、課程講義等各個方面進行全面建設。

1 課程建設的目標

由于實驗設備限制，現代環境儀器分析技術實驗課程不適宜全面鋪開，授課對象為環境類專業部分優秀本科生，特別是積極參與創新實驗、有志于科研工作或出國深造，或其論文方向以實驗研究為主、分析手段涉及大型分析儀器的學生。課程有助于學生鞏固環境監測的要求、法規與規范，學習復雜環境樣品的預處理和分析方法，通過對實際樣品的分析，學習掌握3～4類大型分析儀器的原理、結構和基本使用方法，提升綜合分析能力及實驗研究能力。

2 課程軟硬件基礎

2.1 硬件要求

儀器分析有別于傳統分析，硬件要求相對較高，每臺儀器價格約在數十萬元到數百萬元不等，這也是制約該類課程開展的重要原因之一。我校污染控制與資源化研究國家重點實驗室配備有氣相色譜、液相色譜、離子色譜、凝膠色譜、氣相色譜質譜聯用儀、液相色譜質譜聯用儀、電感耦合等離子體發射光譜儀、電感耦合等離子體發射質譜儀、紅外光譜儀等各類大型分析儀器合計數十臺，型號高端，涵蓋了目前環境領域用于樣品分析的各種類型儀器，部分儀器同一型號有多臺。這些儀器既是進行環境科學高端科研的重要工具，也是開設相應實驗課程的優質硬件資源。

2.2 教師隊伍

儀器分析課程中每一類儀器的原理、結構和使用方法都差別很大，原理抽象，知識點瑣碎。為了提高教學效果，每類儀器都聘請實驗室管理具體儀器的專職教師授課。這些教師長期工作在儀器分析與管理工作第一線，無論在儀器理論還是實際分析工作中都具有充足的知識儲備和豐富的分析經驗，完全能勝任實驗課程的指導工作。

3 課程建設與實踐

3.1 教學儀器甄選

大型儀器種類很多，根據類型可分為光譜類、色譜類、質譜類、電化學類等；根據應用范圍可分為無機物檢測、有機物分析、樣品結構性質表征等；根據測量范圍可分為常量檢測、微量檢測、痕量檢測和超痕量檢測等；根據分析目的可分為總量分析、形態分析；根據分析性質可分為定性分析、定量分析及半定量分析等。

在選擇對本科教學開放的儀器類型時，主要遵循以下原則：首先考慮在環境樣品分析中使用頻率高、可分析指標多、具有代表性的儀器，以突顯實驗課程教學的實用性；其次考慮實驗所用的儀器盡可能覆蓋多種儀器類別，以提高課程教學效率；然后考慮儀器的操作時間及難易性。通常一個實驗的最長時間為4學時。大型儀器原理較為復雜，樣品分析過程往往耗時較長，在同類型儀器中選擇時，盡量考慮分析時間短、容易上手的儀器設備。

綜合考慮，選擇了以氣相色譜儀、液相色譜儀、紅外光譜儀、電感耦合等離子發射光譜儀為代表的儀器開設實驗課程。

3.2 實驗項目甄選

實驗教學的傳統理念是培養學生的“三基”能力，即掌握實驗基礎知識的能力、掌握基本實驗方法的能力、掌握實驗基本操作的能力[8]。實驗教學強調理論的指導性，以對理論的驗證為主要目的。實驗教學內容主要是教學大綱中規定的較為固定的項目，通常為輔助理論教學的驗證性、操作性實驗項目。

相比傳統的比色滴定等分析方法，大型儀器集成度較高，原理結構都較復雜。儀器分析實驗教學具有系統性、綜合性、復雜性、靈活性等特點，是對理論的補充、深化和發展。為了提高教學質量，能讓學生真正掌握儀器分析的知識技能，在實驗項目選擇上兼顧實用性和探索性，將每一類實驗教學內容分為驗證性實驗和提高應用性實驗2個層次，讓學生從理論到實踐全方位掌握儀器的使用方法，基本具備獨立使用該儀器分析環境類樣品的能力。

驗證性實驗以基本技能訓練為主，通過實驗項目的設置以及實驗課程的教學讓學生能了解實驗基本原理與方法，實驗項目的重點在于儀器理論與操作知識，側重于知識點的學習，為下一個提高性實驗打下基礎。

有了驗證性實驗的基礎，再進行提高。驗證性實驗和提高性實驗兩者有交叉，但又不同。前者是基礎，強調基礎知識的掌握，以培養學生科學實驗的基本素養和動手能力為主要目標。后者是加深、拓展知識及綜合能力的培養，強調學生自己對實驗條件的優化和對實驗結果的分析。在提高性實驗中，要求學生能根據實驗目的和要求，設計簡單的實驗流程，并在實驗實施過程中進一步掌握大型儀器的操作及部分高級功能。實驗內容兼顧系統性、綜合性，涉及到多個不同類型的知識體系，包括樣品預處理方法、分析方法建立、樣品分析、數據處理等，并要求能將實驗結果對比國家標準，對樣品性質做出評價。

課程立足于環境學科，強調實踐，通過學生自己動手，使他們更好地掌握各種現代分析儀器的基本原理、操作方法以及在解決復雜環境問題中能夠應用。通過樣品預處理、儀器原理結構、儀器方法設置、儀器分析及數據處理等系列實驗環節，培養學生獨立使用儀器及分析復雜環境樣品的能力。為了真正能讓學生學以致用，在將來的工作或科研過程中用高端儀器解決環境科學研究中的監測分析問題，在實驗項目安排上跳出經典實驗的框框，全部選用自編實驗項目。實驗內容盡可能貼近環境領域中關注的熱點問題，實驗過程中的樣品大都為真實環境樣品。如：原子光譜類實驗以人們關注的飲水安全問題，開設了自來水中常見金屬元素含量的分析項目；分子光譜實驗則以土壤、污泥、水處理超濾膜等常見環境樣品為測試對象；紅外光譜分析方法研究污染物的種類及其結構。這樣的選題與選材大大激發了學生的實驗積極性。通過實驗課程，學生能運用所學的實驗技術和操作技能解決環境領域中所遇到的一般性實際問題，有效縮短學生解決實際問題的適應期。

根據實驗項目設置的目的，結合環境學科科研及日常監測項目的應用情況設置具體實驗項目，見表1。

表1 實驗項目列表

3.3 編寫實驗講義

講義編寫的原則主要考慮以下因素：自成體系的實驗教學教材，內容涵蓋實驗項目涉及的四大類儀器；內容應立足于大型儀器在環境樣品監測中的應用，避免與傳統的儀器分析教材雷同；立足于非分析專業的本科教學，講義從簡到難，循序漸進，并將儀器分析基礎和實驗室安全等內容納入講義范圍；每一類儀器強調全面性、系統性，內容編寫涉及預處理方法、實驗原理、儀器結構和操作規程等。

實驗講義共分緒論、儀器分析實驗室常識、分析結果質量控制與統計處理、金屬元素定性定量分析、有機物定性定量分析、環境物質的結構表征6章。其中前3章為分析基礎，內容涉及環境樣品的特點分類及預處理方法、分析實驗室的注意事項及安全知識、數據質量判斷與處理，后3章則分別為各類儀器的原理、結構、應用及相關的實驗指導內容。

3.4 探索實驗課程手段與模式

目前儀器分析課程大都為化學系或研究生教育開設，針對環境專業本科生開設類似系統化實驗課程很少[9－12]。部分學校雖然開設了相關內容的實驗項目，但由于受到各種條件限制，大都以參觀、演示為主，很少能進行實際操作方面的練習。為了能使課程達到預期效果，我們在教學手段與模式上進行了探索。

（1）擇優培養。由于大型儀器臺數較少，在課程性質定位上設置為選修課程。在培養目標定位上，強調主觀興趣，自主報名，根據學分擇優選擇，對課堂人數進行嚴格限制。參考研究生的教學模式，按照小課甚至超小課的規模進行實驗教學，增加學生練習時間的同時也增加了師生之間討論交流的機會，從而提高課堂實驗效果。

（2）加強預習要求。大型儀器原理相對復雜，課程的預習工作尤為重要。除相應的實驗講義外，任課教師提前一周發放相應的參考資料、提出詳細的預習要求，并要求撰寫預習報告，以提高課堂實驗效果。扎實的理論基礎可以幫助學生認識儀器的特性及應用范圍，更快地掌握儀器使用的基本技能。

（3）重視操作練習。大型儀器集成度和自動化程度均較高，和傳統分析實驗相比，動手步驟反而可能更少，更多的是要求對原理的掌握、軟件的熟悉以及對實驗結果的分析。但這些內容正是儀器分析技術的重點和難點，增加學生親自操作的訓練，可以幫助他們掌握原理、學會應用。由于大型儀器臺套數較少，采用前處理與儀器操作錯位分組、使用離線軟件進行軟件使用練習等多種方式，讓每一位學生都能夠上機親自操作軟件，熟悉樣品分析流程，有充分練習的機會。

（4）教學手段多樣化。儀器分析原理復雜、分析過程程序步驟多，采用多種教學手段相結合的方法可以顯著提高教學效果。實驗教學過程中，實驗講解采用板書和多媒體結合的方式可以使原理更易理解，實驗操作采用實際操作演示教學及視頻教學相結合的方式，可以多角度加深印象，便于學生模擬操作，更快掌握軟件的使用方法。

（5）強調討論環節。傳統的實驗通常為完全驗證性實驗，需要嚴格地控制實驗條件來得到準確的分析結果。大型儀器的分析技術相對復雜得多，樣品復雜、分析目標物多樣、分析參數可選擇可優化。在實驗過程中，注重對解決實際問題能力的培養，積極采用啟發、引導、互動式的教學方法，增加實驗過程和實驗結果的討論。通過討論環節培養學生自主創新的科研素養，學生能更主動地觀察實驗現象、分析實驗結果，與教師的交流也更有針對性和探索性。

4 課程特色

本實驗教學的課程實踐與探索以開設實際實驗課程為出發點，探索國家重點實驗室平臺如何為本科教學服務，加強大型分析測試儀器對本科生的開放，以每位選課學生都能掌握實驗開設的大型儀器的原理與使用方法為目的，確立了具有專業特色的課程建設目標，編寫以培養現代大型分析儀器使用技能為目標的具有環境專業特色的實驗講義。課程實踐突破傳統實驗教學模式，采用多元化的教學元素，以培訓學生處理復雜環境樣品的能力為主要目的，提高學生利用儀器分析方法分析樣品的能力。

（References）

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