改革儀器分析實驗教學 培養學生創新能力

蔡向忠， 王秀紅， 李銀生

(上海交通大學 農業與生物學院， 上海 210101)

0 引 言

儀器分析是分析化學學科第二次重大變革過程中發展起來的新分析方法，其內容繁多，各種高靈敏度、高選擇性、自動化、智能化、信息化和微型化的分析儀器及相關的新技術、新方法不斷涌現[1-2]。儀器分析課程是解決生命、化學及相關學科許多科研問題的重要手段，是生命科學相關學科的重要課程，能使學生受到系統的實驗技能訓練，掌握儀器的基本知識、方法和技巧。同時也培養學生理論聯系實際和動手能力,尤其是與科學技術發展相適應的綜合創新能力的培養至關重要。

近年來，國家的“211”、“985”建設一批重點大學，上海交通大學農業與生物學院也得到雄厚的資金支持，相繼購置了一批大型精密儀器，建立了學院儀器平臺，旨在推動實驗教學，培養學生的創新能力，以促進學院的教學、科研水平有跨躍式、長足的發展。儀器平臺開設了儀器分析實驗這門課程。課程目標定位于：通過儀器實驗教學，使學生熟練掌握各種大型儀器操作的基本技能；同時突出其在化學、生物、環境領域的應用，拓寬學生的知識面，激發學生對儀器分析課程的興趣，提高學生運用綜合知識能力和創新能力。作者經過多年從事儀器分析實驗教學,從改革課程教學內容、方法和手段、實驗形式等方面著手，探討了有關儀器實驗教學改革途徑。

1 儀器分析實驗教學體系的特點與現狀分析

儀器分析實驗開設得比較晚，實驗依賴價格昂貴的大型儀器。儀器分析方法已發展至數十種，各種方法之間沒有明顯聯系，知識點較散。因此, 儀器分析屬難度較大的一門課程。儀器分析課程的理論性、實用性很強, 發展速度很快, 各種儀器不斷地更新換代, 內容紛繁復雜, 涉及相關學科較多。① 儀器分析實驗教學最突出的特點是存在著“三多三少”的矛盾即班級實驗次數多、每組實驗學生多、驗證性實驗多，而配套教學儀器設備少、獨立操作機會少、設計性和創新性實驗少。實驗教師往往在有限學時中采用灌輸式教學，缺乏師生之間的互動，影響學生的學習主動性的培養，也不利于學生切實掌握實驗技能和方法。② 學生的課前預習很不充分.由于儀器分析實驗涉及大型精密儀器，而同學們只能從課本上獲得一些理論上的理解，缺乏直觀直覺的認知，所以對儀器的結構、操作方法等只能似是而非、茫然一片。③ 側重儀器的操作技能，忽視實驗前的樣品預處理。對于采用不同的樣品和不同的實驗目的以及不同的儀器分析方法，都有其各自相應的預處理方法，所獲得的結果也各不相同。但因實驗時間偏緊，教師往往忽略學生樣品預處理方式的技能培養，而選擇一些簡單的處理過的試樣直接分析，影響了教學質量[3-6]。

2 儀器分析實驗教學改革措施

儀器分析教學改革以學生為中心和學習主體，方便學生學、交互性強、適當降低理論難度，實施課程的綜合化，突出與實際、實踐的聯系和實用性, 以基本操作技能和綜合創新能力培養相結合，本著以學生為主體，著重能力培養。

2.1 精選實驗內容，合理安排實驗教學內容

因為不同院校所使用的分析儀器設備類型、規格型號、生產廠家等不盡相同，高等院校的儀器分析實驗沒有統一的教材，給教師指導和學生預習帶來不便，直接影響實驗效果。而且儀器分析方法的更新速度很快，基于這種現象有必要根據各自的要求自行編排實驗講義，才能做到實驗中所列出的設備與實際情況吻合。并隨著新設備、新方法的引進，在教材中不斷更新。因此，應抓住各種分析方法的共性、個性和相互關系，適當調整教學內容的順序，簡化學習內容。教師通過圖文、知識窗資料, 借鑒國內外相關資料, 如引入島津或PE儀器公司的儀器教學方法, 盡量達到直觀形象、通俗易懂、趣味性和啟發性[7-9]。

2.2 靈活運用各種教學方法和手段，提高教學效果

(1) 認真做好課前準備工作，加強實驗課的預習。單獨安排20 min，主要講解實驗安排、實驗內容、實驗數據的采集和處理及實驗室的規章制度。同時播放現代分析儀器教學錄像片，使學生對分析儀器有一定的了解。另外，在上實驗課前，要交一份實驗預習報告。通過預習報告可以讓學生知道每次做實驗的方法、標準溶液的配置、儀器工作條件的選擇和儀器測定。同時學生也提出一些實驗方面的問題，老師在上實驗課時給以解答[7]。

(2) 實驗教學和多媒體教學的結合。在講授儀器分析的每一種方法時, 多媒體課件上都會顯示出該儀器的全貌和結構圖，使學生在做實驗時能充分的認識儀器性能。由于儀器分析教學內容涉及許多數據、圖譜和儀器結構，制作投影膠片在上課時運用，可大大縮減講課時間，提高講課效率，學生能充分利用直觀感覺和思維去分析比較，通過分析數據，從中找出規律，通過圖譜的峰形，了解吸收曲線的特征以及特征吸收峰的峰位、峰形、峰強度等[7,10-11]。

(3) 在實驗課程中穿插對比教學。對比教學可以增加學生對一些相似概念、相似方法的認識，加深對實驗原理的理解。如在光譜分析實驗中，比較原子吸收光譜儀與電感耦合等離子體發射光譜儀的結構、特點的異同，比較空心陰極燈和高強度空心陰極燈的不同、火焰原子化和石磨爐原子化的不同、儀器工作條件選擇和測量對象的不同，比較不同預處理方法的優缺點等。經過比對，使學生對于不同的儀器結構特征差別以及原因有了進一步認識，同時也加深了對儀器工作原理的理解[1,12]。

(4) 增添實驗中的條件實驗。培養學生實驗中的觀察能力和思維習慣。每種儀器都有不同的操作參數。更改這些參數對測定方法的靈敏度甚至方法的準確度都會產生一定的影響。所以增添不同參數下的實驗，有利于幫助學生鞏固對這一參數的認知。如在原子吸收光譜實驗中燈電流、燃燒器高度、燃助比、狹縫大小、進樣量等。通過更改這些參數可直接觀察測定結果情況的變化，加深了學生對基礎知識的記憶和原理的理解。并要求學生仔細觀察、勤于思考、認真記錄，真正做到培養學生的實驗技能以及分析問題、解決問題的能力，提高學生以點帶面、舉一反三、觸類旁通等綜合實驗素質[5]。

2.3 改革實驗教學形式，加強實驗教學管理

(1) 強調綜合性和設計性，突出創新性。突出科學的思維方法與研究方法、培養創新精神與能力。以基礎訓練實驗、綜合實驗和設計實驗三個層次實施實驗教學。改變了傳統的大面積陳舊的驗證型實驗，增加綜合型、設計型實驗比例。引導學生根據實驗室現有的儀器設備提出了設計型實驗內容，如化妝品中鉛的測定，中草藥提取液有效成分的測定，生化樣品中砷和汞的測定和蔬菜中鐵、銅的測定等等。學生可按自己的興趣選擇實驗課題查閱有關文獻，設計出完整的實驗方案，其中包括采集樣品、樣品處理、儀器設備、實驗報告。這一過程使學生的創新能力和科研能力有所提高，開闊了學生視野[7,9,13-14]。

(2) 開放實驗室和實驗教學過程。一方面可以彌補實驗課時的不足，另一方面也有利于設計性與創新性實驗的開展。實驗室的開放可與大學生科研創新實驗結合起來，提高學生對科研的熱情，充分利用實驗室現有資源，鞏固儀器分析實驗教學內容。學生以實驗小組為單位進行實驗設計與操作。首先利用業余時間查找文獻資料，然后提出實驗設計方案，進行實驗設計答辯，答辯會上，每個小組派一名同學介紹設計方案的背景、實驗目的、方法和預期結果，由教師和同學進行提問，同學們踴躍發言，并對自身方案進行修改和完善，確保實驗的可行性；答辯會結束后，利用一個星期的時間進行實驗準備，然后付諸實施；同學們認真操作、善于思考，努力解決實驗中遇到的每一個難題；在此期間完成了多種優秀的實驗設計方案，而且取得了和預期相一致的實驗結果；最后寫出實驗小結，對實驗結果進行討論、寫出自己對自主設計實驗課的感想，并針對本課程這種教學方式提出意見和建議。在此過程中，學生查資料、想辦法，其創新思維和個性潛能得到了盡情發揮[7-9]。

(3) 抓好實驗操作的規范性?；静僮鞯恼_與否，是否規范化，是完成實驗教學的前提條件。在每一次實驗過程中，對一些儀器操作和實驗步驟進行講解和示范，指出各種操作過程中的注意事項。實驗操作的規范性包括實驗操作和儀器操作規范、處理實驗數據和撰寫實驗報告規范。首先強調實驗操作規范，嚴格要求按著分析化學實驗操作規范配置溶液，玻璃儀器的使用等等；其次儀器操作規范，嚴格按著儀器說明書和實驗教材操作。在做火焰原子吸收光譜分析時，要求開啟電源后，先開啟空氣壓縮機開關和循環水開關，開啟乙炔瓶，打開儀器的空氣開關，再打開乙炔開關；關閉儀器時，先關閉乙炔開關，再關閉空氣開關等，中途停電時，要及時關閉乙炔開關和電源開關，防止回火發生。同時還要求做完實驗后要用蒸餾水清洗燃燒器頭，再關閉乙炔開關，以減小記憶效應等[1]。

(4) 著重實驗教學與動手能力的培養。盡量安排與專業性質有關的實際樣品的測定。要求測定前，學生要處理所做的樣品，每組學生配置相應的標準系列。對標準曲線相關系數達不到的要求，測定數據不準確，必須要求學生重新配制，直至合格為止。在實驗教學中講述有關標準溶液的配置和操作技能。例如，在石磨爐原子吸收法測定生化樣品中的鉛和鎘時，要求學生掌握實驗配制溶液用二次亞沸蒸餾水，加基體改進劑，要做空白，使用優級純硝酸，標準系列和樣品溶液的酸度一致，測定結果才準確。這樣可以看出每組學生的實際動手能力和操作水平，也增加了實驗興趣。通過講解和實際操作，激發了學生做實驗的積極性，經常有學生帶著實際問題問老師[15-17]。

3 改革儀器實驗教學的考核評價方法

制訂新的實驗操作考核體系，改變以往實驗考核成績按平時成績記分的辦法，以多種形式對教學總體效果進行綜合考核評價，改革與完善學生實驗考核方法和考評標準?，F以實驗多個環節制訂考核標準，根據實驗報告、實驗操作技能、自行獨立設計實驗能力等多方面情況綜合考核，重點考核動手能力、綜合分析問題的能力和創新能力。即實驗平時成績綜合25%，對全部實驗過程、結果等進行考核，也對實驗操作過程的規范性和課堂提問進行了考核；實驗基本技能考核40%，綜合性設計實驗25%，實驗課程論文和實驗報告10%[1,2,17-19]。

4 結 語

精選儀器分析實驗內容是上好實驗課的先決條件，采用科學合理的方法和手段組織安排儀器分析實驗教學是順利完成實驗課的關鍵環節，改革實驗教學形式，增設設計型實驗和開放實驗室可以為學生提供個性發展、獨立思考、科學創新以及提高綜合實驗技能的平臺。儀器分析實驗改革的嘗試，不僅能夠培養學生的動手能力，更重要地是能培養學生的創新能力和科學素養。只有在教學實踐中不斷總結經驗、積極創新、調動學生學習的主動性和積極性、提高實驗教學質量，才能達到教學改革的目的。實踐證明，儀器實驗教學的自主性強，創造空間大，有助于培養學生的創新意識。以培養和提高學生的創造性、激發學生的潛能、發展和完善學生的個性為核心，以主動參與、協同合作、自主發展為特征，以查閱文獻、實驗探索、討論答辯等實踐活動為途徑，以理論知識和綜合實驗技能為基礎，通過科學管理機制，最終達到培養學生創新意識、創新精神和創新能力的目的[4]。

[1] 鮑長利,賈 瓊,陳 博.儀器分析實驗教學改革的探討[J].實驗室研究與探索,2009,28(10):123-125.

BAO Chang-li, JIA Qiong, CHEN Bo. Discussion on Experimental Teaching Reformation for Instrumental Analysis [J].Research and Exploration in Laboratory,2009,28(10):123-125.

[2] 王宗廷,周西臣.儀器分析教學改革與創新型人才培養[J].中國石油大學勝利學院學報,2007,21(3):42-44.

WANG Zong-tin, ZHOU Xi-chen. Instrumental Aanalysis Teaching Reform and Cultivate Innovative Talents [J]. Journal of Chinese Petroleum University Victory Academy, 2007,21(3):42-44.

[3] 王俊華.分析化學課程中儀器分析教學改革[J].建材高教理論與實踐,2000,19(1):75-76.

WANG Jun-huang. Instrument Analysis in Analytical Chemistry Course Teaching Reform. [J]. Building Materials of Higher Education Theory and Practice, 2000,19(1):75-76.

[4] 王瑞英.儀器分析_實驗教學改革的初步探討[J].中國科技信息,2010,17:237-238.

WANG Ran-ying. The Preliminary Discussion of Instrument Analysis Experiment Teaching Reform [J]. China Science and Technology Information. 2010,17:237-238.

[5] 趙長春,杜百祥,吳 宏.改革儀器分析實驗教學培養學生綜合素質[J].科教文匯,2011(9):62,97.

ZHAO Chang-chun, DU Bai-xiang, WU Hong. Reforming the Teaching of Instrumental Analysis Experiment, Cultivating Student's Comprehensive Quality[J]. Science and Education, 2011(9):62,97.

[6] 王安亭,孫雪萍.儀器分析課程教學改革調查及對策分析[J].大學化學,2008,23(5):21-24.

WANG An-ting, SUN Xue-pin. Instrumental Analysis Course Teaching Reform Research and Countermeasure Analysis [J]. College Chemistry,2008,23(5):21-24.

[7] 王煥英.儀器分析實驗教學改革研究[J].衡水學院學報,2011,13(1):79-80,84.

WANG Huan-ying. Research of Instrument Analysis Experimental Teaching System [J]. Hengshui College Journal, 2011,13(1):79-80,84.

[8] 朱文彩,許 青.儀器分析實驗教學改革探究[J].山東教育學院學報,2010(3):87-88.

ZHU Wen-cai, XU Qin. Research of Instrument Analysis Experimental Teaching System, [J]. Journal of Shandong Institute of Education, 2010(3):87-88.

[9] 李滿秀,趙二芳.儀器分析研究型開放實驗的創新與實踐[J].大學化學,2007,22(6):28-30.

LI Man-xiu, ZHAO An-fang. Instrument Analysis Research Innovation and Practice of Open Experiment, College Chemistry, 2007,22(6):28-30.

[10] 曹 紅,劉 紅,陳思羽.關于儀器分析教學改革和大學生創新培養的探討[J].兵團教育學院學報,2009,19(1):83-84.

CAO Hong, LIU Hong, CHEN Si-yu. Discussion of Teaching Reform of Instrumental Analysis and Innovation [J]. Journal of Bingtuan Education Institute Training of Under Graduate Students,2009,19(1):83-84.

[11] 陳志兵,王紅艷,王 聰.儀器分析教學實踐探索[J].宿州學院學報,2010,25(2):118-119.

CHEN Zhi-bin, WANG Hong-yan, WANG Cong. The Instrumental Analysis Teaching Practice Exploration[J]. Suzhou University Journal,2010,25(2):118-119.

[12] 王秀紅.改革實驗教學體系,培養學生創新能力[J]. 實驗室研究與探索,2007. 25(7):835-837.

WANG Xiu-hong. Training Students, Creative Ability by Reforming Experimental Teaching System [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2007,25(7):835-837.

[13] 谷春秀,周考文,李亞秋.儀器分析實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理,2011,28(3):244-249.

GU Chun-xiu, ZHOU Kao-wen, LI Ya-qiu. Experiment Teaching Reform and Practice of Instrument Analysis[J]. Experimental Technology and Management, 2011,28(3):244-249.

[14] 嚴金龍,王 偉.儀器分析綜合實驗的設計與實踐[J].中國科教創新導刊,2008,32:45.

YAN Jin-long, WANG Wei. The Design of Instrument Analysis Experiment and Practice[J]. China Education Innovation Herald, 2008,32:45.

[15] 張玉春,曾巧藝.研究生創新能力培養的實踐與認識[J].科技信息,2010(1):157,164.

ZHANG Yu-chun, ZHEN Qiao-yi. Graduate Student Innovation Ability Training Practice and Understanding [J].Science and Technology Information. 2010(1):157,164.

[16] 彭興躍.研究生創新能力培養需加強儀器課程的教學[J].高等理科教育,2006(2):119-120.

PEN Xin-yao. Graduate Student Innovation Ability Training to Strengthen Teaching Instrument[J]. Higher Education of Sciences, 2006(2):119-120.

[17] 崔淑敏,宋美榮.儀器分析教學的一些思考[J].經濟研究導刊,2009(1):246-247.

CUI Shu-min, SONG Mei-rong. Some Thought of Instrumental Analysis Teaching [J]. Economic Research Guide,2009(1):246-247.

[18] 龍小玲,蘇慶平,陳 文.儀器分析實驗教學改革初探[J].實驗科學與技術,2009,7(2):88-89.

LONG Xiao-ling, SU Qing-ping, CHEN Wen. Brief Study on Experiment Teaching of Instrumental Analysis [J]. Experiment Science and Technology, 2009,7(2):88-89.

[19] 劉昭第,徐華杰,盛良全.儀器分析實驗教學改革探索[J].實驗科學與技術,2010,8(5):86-88.

LIU Zhao-di，XU Hua-jie，SHENG Liang-quan. Exploration on the Experiment Teaching Reform in Instrumental Analysis [J]. Experiment Science and Technology, 2010,8(5):86-88.