結(jié)合科研改進非化學專業(yè)學生原子吸收實驗教學方法

馮雪松, 吳衛(wèi)兵

(1. 武漢大學 測試中心, 湖北 武漢 430072； 2. 武漢大學 實驗室與設(shè)備管理處, 湖北 武漢 430072)

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結(jié)合科研改進非化學專業(yè)學生原子吸收實驗教學方法

馮雪松1, 吳衛(wèi)兵2

(1. 武漢大學 測試中心, 湖北 武漢 430072； 2. 武漢大學 實驗室與設(shè)備管理處, 湖北 武漢 430072)

比較了在儀器分析教學中,化學專業(yè)學生和非化學專業(yè)學生教學的不同點,以原子吸收教學為例,提出和科研課題相結(jié)合的教學培訓方法,以用為主,培訓學生自主獨立上機,圍繞這個目的,通過溝通、查閱資料、設(shè)計實驗、樣品前處理、上機操作、數(shù)據(jù)處理等方面的內(nèi)容,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性和獨立性。開放實驗室、靈活安排教學時間,提高學生的科研能力。

結(jié)合科研； 原子吸收； 實驗教學

儀器分析是解決生命、化學及相關(guān)學科科研問題的重要手段,儀器分析課程能系統(tǒng)地培訓學生的實驗技能,并掌握儀器的基本知識、使用方法,了解不同儀器與自己所從事的專業(yè)方向的相關(guān)性,可以有針對性并準確地為其研究方向提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持[1-2]。該課的開設(shè),可以培養(yǎng)創(chuàng)新及復合型人才,做到一專多能[3-4]。儀器分析中的一個分支“原子吸收光譜法”(atomic absorption spectroscopy,AAS),是基于氣態(tài)的基態(tài)原子外層電子對紫外光和可見光范圍的相對應(yīng)原子共振輻射線的吸收強度來定量被測元素含量為基礎(chǔ)的分析方法,是一種測量特定氣態(tài)原子對光輻射吸收的方法。此法是上世紀50年代中期出現(xiàn)并在以后逐漸發(fā)展起來的一種新型的儀器分析方法,它在地質(zhì)、冶金、機械、化工、農(nóng)業(yè)、食品、輕工、生物醫(yī)藥、環(huán)境保護、材料科學等各個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。該法主要適用于樣品中微量、痕量甚至超痕量組分分析。目前,大部分高校儀器分析課程都開設(shè)有原子吸收光譜分析課程,并配套實驗教學[5]。

近年,武漢大學在理工科各領(lǐng)域取得了引人注目的快速發(fā)展,完成了一大批與世界前沿接軌的科研成果,獲得包括“863”“973”、國家自然科學基金重大項目等千余項國家級項目的資助。這些項目涉及的領(lǐng)域極其廣泛,越來越多的課題組需要使用原子吸收光譜分析這樣的手段對自己的研究課題進行表征,使用到原子吸收光譜儀的院系涉及化學學院、生命科學學院、物理學院、水利水電學院、土建學院、動力與機械學院、資環(huán)學院、藥學院、醫(yī)學院等,這些院系大部分沒有開設(shè)儀器分析課程,學生對原子吸收光譜儀基本沒有接觸過,但他們又有很多課題需要使用原子吸收光譜儀。針對以上需求,武漢大學測試中心原子吸收室每年都針對全校相關(guān)院系開放實驗室,并對用戶進行實驗技能教學和培訓,使之能獨立上機操作并達到良好的效果。

1 非化學專業(yè)與化學專業(yè)實驗教學的區(qū)別

在化學專業(yè)本科生的儀器分析教學中,主要著眼于理論教學[6],重點讓學生掌握的是儀器的基本原理、應(yīng)用方向及儀器的基本操作方法,實驗課往往課時少、內(nèi)容枯燥。通常采取的是教師講解演示、設(shè)計好實驗方案、配制好實驗用溶液、學生提問并上機操作的方式。在原子吸收的教學中,在通過幾次理論課的學習后,會安排3～4次實驗實踐課,主要熟悉儀器的原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用范圍,并選擇幾個典型基礎(chǔ)實驗,教會學生如何選擇實驗條件、如何操作儀器、如何進行數(shù)據(jù)處理得到需要的結(jié)果。由于大型儀器比較貴重,高校不可能購置很多臺來供學生實驗使用,每一個學生的上機時間非常有限,并且現(xiàn)行的實驗內(nèi)容和生活及科研實際結(jié)合的不夠緊密,使得大部分學生興趣不足,機械完成實驗過程,實驗效果不理想[7-8]。

武漢大學踐行“人才培養(yǎng)為本,本科教育是根”的辦學理念,試點本碩博貫通式培養(yǎng),因此很多本科生提前進入科研團隊,跟隨導師進行科學研究,這就形成了許多非化學專業(yè)的本科生需要學習并使用大型儀器的局面,而這部分學生分析化學等方面的知識儲備相對薄弱[9],對他們的實驗教學不能僅僅局限在了解儀器的基本原理及應(yīng)用領(lǐng)域,他們需要的是能夠憑借儀器分析來解決科研中的實際問題,即“專”而不是“泛”。這就要求培養(yǎng)學生的實驗技能,以用為主,能自主獨立上機,也就是以實驗室教學為主、課堂傳授為輔,并能有效結(jié)合科研課題進行儀器分析實驗。

2 結(jié)合科研課題,培養(yǎng)學生興趣

興趣是最好的老師,只有學生對實驗產(chǎn)生了興趣,才會積極主動參與到實驗教學活動中。帶著自己科研任務(wù)來學習原子吸收的相關(guān)知識,學生會有很高的參與感和責任感,因為實驗和自己的研究要解決的問題息息相關(guān),并且要為自己的課題提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),學生學起來不會敷衍了事。指導教師通過和學生討論他們的科研課題,了解其實驗內(nèi)容及要得到的結(jié)果,可以有針對性地制訂其專屬的教學方案。本次實驗教學選取的是生命科學學院跟隨導師進行水稻遺傳學研究的10名本科生。

2.1 實驗前期充分準備

由于生命科學學院沒有專門的儀器分析課程,學生對原子吸收毫無了解,指導教師根據(jù)課題組實際情況,首先制訂出科學合理的實驗教學方案,并根據(jù)方案給學生一周的時間查閱文獻、撰寫文獻小結(jié),使學生初步了解原子吸收取樣、制樣、分析方法的建立、實驗條件的選擇、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理、趨勢分析等方方面面的問題,這一過程可以很好地提高學生學習新知識的能力和分析問題的能力。由于學生來自生命科學學院,掌握分析化學知識的程度較弱,需要專門拿出一節(jié)課的時間培訓學生化學實驗的基本技能,包括實驗室安全、玻璃儀器的識別和使用規(guī)則、小型儀器的操作方法、各種試劑使用的注意事項等,使其能夠掌握化學實驗的基本技能。學生掌握了化學實驗的一般技能后,再拿出一節(jié)課的時間講解儀器的基本原理、儀器結(jié)構(gòu)、軟件的使用、分析方法的建立以及如何處理數(shù)據(jù),以PPT演示為主、操作儀器為輔,學生課后可以根據(jù)課件進一步學習,使學生可以基本掌握儀器的操作方法，夯實了學生進入真正實驗的基本功。

2.2 學生自主設(shè)計實驗方案

在經(jīng)過一系列前期準備后進入真正的實驗階段。學生的科研課題與水稻相關(guān),需要測定糙米中鉛、鎘、鋅、鐵的含量,并且要跟蹤測定2季水稻,同時比較不同地區(qū)種植的水稻中金屬元素含量的差別及與土壤環(huán)境的相關(guān)性。學生在查閱文獻階段互通有無,遇到問題積極討論,和指導教師及時溝通,充分發(fā)揮了他們的主觀能動性,學會了思考、討論、評估及有效交流。為了改變傳統(tǒng)的由教師提供實驗方案、學生機械照做,難以達到提高學生實際動手能力的不足,本次實驗教學采取學生自主設(shè)計實驗方案的方式,因此,學生需要詳盡考慮實驗所需要的試劑、關(guān)鍵條件、影響實驗準確性的因素、實驗步驟等。經(jīng)過上述過程,可以很好地培養(yǎng)學生獨立思考、分析解決問題的能力,為以后的科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

2.3 采取分組的形式培養(yǎng)團隊合作精神

通過前期查閱資料,學生已經(jīng)了解到要上機測定稻米中微量元素的含量,必須對樣品進行前處理。前處理的方法包括常規(guī)電熱板消解法和微波消解法。常規(guī)電熱板消解法成熟簡易,但微波消解技術(shù)是近年發(fā)展起來的樣品的前處理方法,幾乎可以消解任何樣品,具有快速、樣品不易損失的特點,是一種高效便捷的樣品處理方法[10]。因此把10名學生分為4組,每組2～3名學生,2組采用常規(guī)消解法,另2組采用微波消解法,以便于比較2種前處理方法的優(yōu)劣,從而確定最優(yōu)方案。組員之間有分工有合作,組與組之間對于各自遇到的問題和難點及時溝通、相互學習、商討解決,提高了團隊合作的精神,大大提高了實驗效率。

在整個過程中,學生始終是主體,由他們主導實驗的整個過程,教師隨時了解出現(xiàn)的問題,及時給予糾正,提出合理化建議,保證實驗的順利進行。樣品處理完成后,在教師的引導下,由學生自主編輯分析程序、優(yōu)化各個元素的測定條件,如火焰原子吸收法的燃氣和助燃氣流量、燃燒頭高度和進樣量(由于本中心的原子吸收光譜儀為德國耶拿公司生產(chǎn)的高靈敏度連續(xù)光源原子吸收光譜儀,無需選擇光譜帶寬和燈電流的大小)以及石墨爐原子吸收法的灰化溫度、原子化溫度、基體改進劑的使用等。鼓勵學生探討原子吸收光譜消除干擾的方法,使學生對原子吸收光譜分析法中的化學干擾、物理干擾、電離干擾、光譜干擾、基體干擾有充分的認識,并能提出解決方案,提高了理論水平并解決了科研中的實際問題。

2.4 引入比對教學,驗證方法的準確性

為了驗證實驗方法的準確性,采取了以下幾種比對實驗方法:與稻米標準品對照、回收率實驗、平行樣品的測定、同一預處理方法小組間實驗結(jié)果的比對、不同預處理方法實驗結(jié)果的比對、和等離子體發(fā)射光譜的比對(鐵、鋅的測定),結(jié)果證明2種預處理方法實驗結(jié)果無顯著差異,實驗取得了良好的效果,獲得的數(shù)據(jù)準確可靠。但微波消解對于大量樣品的前處理有快速、準確、試劑消耗量小的明顯優(yōu)勢,在有條件的實驗室可以推廣使用。在扣除空白后,對大量數(shù)據(jù)用統(tǒng)計學方法進行處理,總結(jié)出數(shù)據(jù)的趨勢,對比2季樣品的檢測結(jié)果,得到的趨勢基本相同。另外,科學采樣對后續(xù)實驗的影響也不容忽視。以上結(jié)論,在學生的實驗報告中均有體現(xiàn)。

3 開放實驗室,增加創(chuàng)新性、設(shè)計性實驗

培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和獨立能力的學生,是高等學校教育的首要任務(wù)。我校測試中心為了能培養(yǎng)出具有開拓創(chuàng)新精神、能獨立思考、能充分利用分析儀器為科學研究提供強有力支撐的復合型人才,在全校范圍內(nèi)開展儀器分析高層次人才的教學培訓,實行開放性實驗室管理[11]。對于原子吸收實驗室來說,培訓的學生涉及很多院系和研究方向,比如資源與環(huán)境學院主要研究方向有固體廢物處理、土壤修復,土木與建筑工程學院研究方向有工程項目對土壤環(huán)境的影響,基礎(chǔ)醫(yī)學部的病理研究等。總之,涉及的領(lǐng)域眾多,需要根據(jù)不同的研究方向制訂有針對性的教學培訓方案,切實改進和加強該課程的實驗教學。

4 充分利用信息化平臺,提高教學效率

雖然研究方向不盡相同,但是在原子吸收光譜分析法的學習中有共通性,因此,通過互聯(lián)網(wǎng)使各個院系的學生建立聯(lián)系(比如建立微信群)[12],學生彼此可以討論遇到的問題,分享自己的實驗心得,共同進步。原子吸收室實行開放管理,學生預約自主上機,教師為了能夠充分利用實驗設(shè)備,對不同的學生交叉安排時間,使實驗室和儀器得到了科學高效利用,對于能熟練設(shè)計實驗、上機操作、取得滿意結(jié)果的學生，經(jīng)考核合格發(fā)放上機證。取得上機證極大地促進了學生的積極性,并在以后就業(yè)時增加了擁有技能的籌碼。

5 教學培訓效果評價

在本次非化學專業(yè)學生原子吸收光譜法教學中,通過幾個方面來考察實驗培訓效果:實驗前文獻的查閱及實驗設(shè)計的合理性；實驗過程中的主動性、創(chuàng)新性、科學性和實驗結(jié)果的準確性；實驗后數(shù)據(jù)處理的正確性及合理性。結(jié)果是所有學生均能積極主動參與實驗并相互討論,認真把控每一個實驗步驟。由于進行了比對教學,使參與的學生在實驗中都極為認真嚴謹,鍛煉了他們從設(shè)計實驗方案、實施實驗到數(shù)據(jù)處理的能力,培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和實驗嚴謹?shù)哪芰?為科研提供了科學的數(shù)據(jù)和良好的技術(shù)支撐。

References)

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[2] 劉應(yīng)凡,趙建波,孫雨安,等.本科儀器分析案例教學實踐與探索[J].化工時刊,2015,30(3):46-47.

[3] 劉靜,尚永輝,劉建波,等.提高儀器分析實驗教學質(zhì)量,培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[J].實驗科學與技術(shù),2010,8(3):79-82.

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Combining scientific research to improve experimental teaching method of atomic absorption for students in non-chemical majors

Feng Xuesong1, Wu Weibing2

(1. Analysis and Testing Center, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. Laboratory and Equipment Management Department, Wuhan University, Wuhan 430072,China)

Comparing the differences in Instruments Analysis Teaching between chemical major courses and non-chemical major courses on the teaching cases of Atomic Absorption Spectroscopy, this article presents the teaching method combined with the scientific research topic. Based on practice, this method aims to train the students’ individual working ability and establishes students’ creativity and independency via communication, research, experimental design, sample pretreatment, computer operation, data processing, etc. This method also aims to set free access to laboratory, make flexible arrangements of teaching timetable and improve students’ ability of scientific research.

combining scientific research; atomic absorption; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.055

實驗課程改革

2016-07-15 修改日期：2016-07-25

馮雪松(1968—)，女(壯族),廣西南寧,碩士,實驗師,主要從事儀器分析及實驗室管理工作.

E-mail：xsfeng@whu.edu.cn

G642.423

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1002-4956(2016)11-0213-03