儀器分析實驗教改初探

彭學偉

【摘 要】針對高等院校儀器分析實驗的教學現狀，提出實驗教學的改革思路。通過仿真模擬實驗、實物模擬實驗、驗證實驗和設計實驗等四種不同層次實驗構建的實驗教學體系的實施，有力地保障了儀器分析實驗教學，達到了培養學生實際動手能力的效果。

【關鍵詞】儀器分析 實驗 教學

儀器分析課程是化學專業指定的專業必修課，而儀器分析實驗則是儀器分析課程不可或缺的一環， 其核心任務是通過對儀器設備的具體操作， 鞏固學生對理論知識的掌握，并達到鍛煉學生動手能力、培養學生實驗素養的目的。鑒于儀器分析在現代分析中占有舉足輕重的地位，當前國內高校對儀器分析理論課的教學普遍重視有加；相比而言，實踐教學環節則顯得重視不足。據筆者調查，學生在結束本科學業之后踏上工作崗位或繼續深造時，很多同學不能正確使用一些基本的大型儀器如氣相色譜、液相色譜等。造成這一現象的原因與高校擴招、實驗經費緊張等客觀因素有關。鑒于此，身處教學一線的教學人員需要根據實際情況確定合理的實踐教學體系。本文簡單地談一下我們在儀器分析實驗教學中的一些措施與體會。

針對儀器分析實驗僧多粥少及儀器分析難學這一現實，我們在實驗教學環節上設定四個層次，分別為仿真模擬實驗、實物模擬實驗、驗證實驗和設計實驗。這四種類型的實驗相互補充，共同構建儀器分析實驗教學體系。

1 仿真模擬實驗

受場地、實驗裝置以及課時和師資的限制，目前國內高校開設的儀器分析實驗課基本采用分組實驗的形式，多數實驗為演示性實驗，難以實現學生個人獨立完成實驗的目的，從而造成學生所學理論知識與實踐環節相脫節。引入仿真實驗教學，則在很大程度上解決了這一問題。首先，仿真實驗彌補了高等院校實驗經費不足的缺憾。大型實驗儀器耗資大， 維護費用高， 在實驗經費不足的情況下， 學校所能開出的實驗項目和數量受到限制。仿真實驗只需要仿真軟件和一臺計算機就能進行實驗，彌補了因實驗儀器及經費不足造成的缺憾。一些需要價格昂貴的儀器而無法開展的實驗， 通過仿真就能夠容易實現。

其次，仿真實驗擴展了學生的實踐空間和實驗內容。只要有仿真軟件和一臺計算機就能進行仿真實驗， 現在的大學生基本人人持有電腦，因此打破了時間和空間的限制。仿真實驗作為實驗前的預習， 學生可以在不同的時間、地點和領域自主進行實驗。實踐證明，學生上機實踐實驗前所做的仿真實驗，具有良好的預習效果。本校給化學工程與工藝專業的學生安排了仿真實驗，而化學教育專業沒有安排仿真實驗，針對這一情況，我們比較了兩專業同學的氣相色譜實驗，結果發現化工專業的學生對實驗流程的掌握程度要比化學專業的學生熟練得多，實驗耗時明顯減少。

再次，仿真實驗同實際實驗相比增大了實驗內容， 學生可以根據自己的興趣愛好， 選擇一些傳統實驗較少涉及的實驗內容。例如進行氣相色譜仿真實驗練習時，學生可以選擇四個不同的實驗（表1）進行練習：實驗Ⅰ采用的檢測器為熱導池檢測器（TCD），其使用簡單，學生很快便可以完成實驗；實驗Ⅱ采用氫火焰檢測器（FID），由于需要用到多路氣體，而且不同氣體打開的次序有嚴格的規定，學生做此實驗出現的問題較多，例如沒有開氫氣和空氣點火或者沒有點火就進樣品等。熱導池檢測器和氫火焰檢測器是氣相通用檢測器，相比而言，作為專屬檢測器的電子捕獲檢測器（ECD）和火焰光度檢測器（FPD）在教學氣相色譜中一般不配備，學生難以接觸到。實驗Ⅲ和Ⅳ中采用的檢測器分別為電子捕獲檢測器和火焰光度檢測器，學生可以通過仿真實驗學習與這兩種檢測器相關的實驗。實踐結果表明，通過不同實驗、不同儀器設備的實踐練習，學生很好地鞏固了理論課所講授的內容。

2 實物模擬實驗

盡管仿真實驗具有以上提到的諸多優點，但是仿真實驗畢竟是虛擬的，無法給學生真實感覺，因而也就無法替代實際上機操作。教學中我們發現即便是已經做了仿真實驗的學生，在利用實際儀器進行實驗時，仍舊畏手畏腳。產生這一現象的主要原因是學生不了解這些昂貴的精密儀器的構造與原理，怕操作不當損壞儀器，因而產生畏懼心理。鑒于此，我們在進行正規上機實驗之前，利用報廢的大型儀器作為學生學習儀器分析實驗的第二課堂，通過展示儀器內部結構，使學生對精密儀器有一個直觀、初步的概念及認識，達到鞏固基本理論知識、熟悉儀器結構及微觀過程的目的。此外，學生可以通過廢置儀器進行模擬實驗操作，待掌握必要的基本操作之后，再在正常的大型儀器上進行試驗。這樣，不僅可以令學生充分掌握試驗技能，而且能夠減小試驗成本。

3 驗證實驗

通過仿真實驗和實物實驗模擬之后，學生較好地掌握了所用儀器的操作流程以及一些基本操作，對于大型儀器已不再感到神秘，畏懼心理基本消除。因此，實際上機驗證實驗操作實驗中，學生對于教師所講授的儀器構造和原理能夠很快接受。此外，實驗過程中基本操作的正確與否， 是否規范化， 是完成實驗教學的前提條件。我們發現， 通過仿真實驗和實物實驗模擬，學生對于老師對儀器操作和實驗步驟的講解、示范以及所指出的各種操作過程中的注意事項和常規實驗操作規范也能夠較好的領會，在教師的指導下，他們可以盡快地正確使用儀器。調查表明，通過實際上機操作，學生對所學理論知識有了更深的理解。

4 設計試驗

儀器分析實驗是培養學生綜合能力的重要課程， 通過本課程的學習，要求學生能夠綜合運用所學的知識和技能解決實際問題。學生通過大量的模擬實驗和一定數量的驗證實驗， 加深了該學科理論知識的理解和掌握， 獲得一定的綜合測試技能和實驗能力。但是驗證性實驗， 學生實踐的對象、方法以及步驟等關鍵要素都是預先指定的， 缺乏主動性。學生在實驗時， 只需按步操作就行， 在實驗過程中基本無須思考， 更不需要創造性的探索， 這樣使得學生不能對儀器分析過程的復雜性有一個全面的認識， 缺乏將知識內化為能力的環節。而設計研究性實驗， 是結合教學而進行的一種探索性實驗，其對于培養學生科學嚴謹的工作作風， 全面規范的實驗技能具有重要的意義。學生根據興趣選擇實驗課題， 查閱有關文獻， 設計出完整的實驗方案，在教師的指導下獨立完成實驗。學生通過設計性實驗之后，初步掌握了科研的一般步驟，同時培養和提高了分析綜合能力、實驗動手能力、數據處理能力及查閱文獻資料的能力。

實踐教學表明，仿真模擬實驗、實物模擬實驗、驗證實驗和設計實驗共同構建的儀器分析實驗教學體系是一個較完善的實驗體系。通過以上四個層次實驗環節的學習，學生對于儀器分析實驗的掌握，尤其是儀器的基本操作掌握得比較到位。此外，四種層次的實驗環環相扣、循序漸進、相互補充，不僅有力地保障了儀器分析實驗教學的效果，更為重要的是加強了實驗教學的針對性、互動性和實效性，將“接受知識”和“發現學習”有機地結合起來，改“單向式”為“雙向式”，引導學生由“學會”過渡到“會學”和“會用”，更好地調動學生的積極性和主動性，注重培養學生綜合能力及創新素質的提高。

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