以大型儀器為依托的化學基礎實驗教學改革與創新

王曉崗　郝志顯等

摘要：大型儀器和學科前沿知識及現代科技發展密切相關，能否使用大型儀器是體現理工科本科生科研素質及創新能力的一個重要標志。分析了目前國內高校大型儀器用于本科教學的現狀及存在的主要問題，提出將大型儀器引入化學基礎實驗教學，利用現代化測試技術對傳統實驗的教學內容進行研究型拓展的教改思路，同時列舉了多個教學案例，分析了教學效果，并對該工作的前景進行了展望。

關鍵詞：大型儀器；化學基礎實驗；教學改革

一、大型儀器的使用是體現理工科本科生

科研素質的一個重要標志

大型儀器指價格昂貴、技術先進、用來研究物質微觀結構、表征物質性能和特征的儀器設備。大型儀器最顯著的特征在于其研究功能，學校教師進行高水平的學術研究，博士、碩士完成畢業論文均離不開大型儀器。擁有大型儀器，就意味著有先進的技術、手段和方法來探測未知世界，可以提供更多、更精確、更詳盡的信息資料，這些信息可以幫助研究者深層次地分析問題，從而獲得能反映事物本質的結論。從這點來看，高水準的學術論文、重大的科研成果及前沿領域的突破性進展往往和大型儀器的使用密切相關。

對本科生來說，通過學習大型儀器的工作原理和操作技能，可以拓展學生的知識面，開闊科學視野，激發創新靈感，進而可以在更高的層面上開展科技創新活動。由此可見，能否使用大型儀器是體現理工科本科生科研素質及創新能力的一個重要標志。

二、目前大型儀器用于本科教學存在的問題

大型儀器在高校中屬稀缺資源，從使用情況來看，國內高校普遍重視其研究功能的開發，但對教學功能的關注不夠。主要表現在大型儀器教學方面設置的課程單一，學時不足，學生上機機會少等。以化學類專業的本科生為例，學生獲取大型儀器方面的知識主要通過下面3個途徑。

（1）專業課程學習。化學專業本科學生接觸大型儀器的課程主要是“儀器分析”及“儀器分析實驗”，其中，實驗課時數30～50學時，介紹10種左右的儀器。由于學時緊、儀器少、人數多，實際教學中常以教師演示實驗為主。眾多學生圍著一臺儀器，絕大多數人往往只看不做，“蜻蜓點水”“走馬觀花”式參觀一下，部分同學即便有上機操作的機會，時間也非常有限。

（2）參與科研項目。部分高校實行導師制，高年級同學通過參加教師的課題組，在參與科研活動的過程中了解和熟悉大型儀器。比如學長（碩士、博士）進行樣品表征測量時，本科生在一旁打下手，通過觀摩和學習，獲得大型儀器操作方面的知識。但這種“精英化”“小眾化”的教學方式受益面窄。同時，受課題研究內容的限制，學生接觸的大型儀器的種類也較為單一。

（3）開放實驗教學。這是一些高校近年來采用的方式，其做法是利用課外時間向同學開放部分大型儀器。開放實驗教學在一定程度上彌補了學生接觸大型儀器機會少的不足，但其局限性也很明顯：一是教學缺乏計劃，具有很大的隨意性；二是參與教學的主要是儀器的管理者，教學中往往只講基本操作技術，如儀器的“開”“關”“參數選擇”等，與學生專業知識的學習脫節。

就我們所了解的情況，目前國內高校不少學生對大型儀器的認識只是處于“紙上談兵”階段，本科四年從未真正意義上操作過TEM，SEM，HPLC，AFM，XRD等，更談不上將這些儀器與專業知識的學習結合起來，進行有目標的科技創新活動，這在其創新思維、科學素質及科研能力的培養上形成了短板。由此看來，尋求更為有效的教學模式，進一步拓展大型儀器的教學功能，強化本科生在儀器操作及儀器應用方面的能力，這一工作不僅非常重要，而且非常必要。

三、以大型儀器為依托，改革基礎實驗教學

針對目前大型儀器在本科教學中存在的主要問題，近年來，同濟大學化學系采取了一系列改革措施，其中最重要的舉措就是將大型儀器引入常態化基礎實驗教學，利用現代化的測試技術，對傳統實驗、經典實驗內容進行研究性拓展，使得大型儀器的教學與基礎課程的教學有機地銜接起來。本科生通過常態化基礎課程的學習，在獲取專業知識的同時又能真正掌握大型儀器的操作技能，進而為實施更高層次的科技創新活動奠定基礎。

上述改革思路主要基于以下幾點考慮：（1）2005年美國化學年會總結報告上談到物理化學實驗的發展方向時提出，物化實驗應利用各種現代化技術對傳統實驗項目進行改造，使得基礎實驗教學具有培養學生科研素養和創新能力的功能，將大型儀器引入常態化基礎實驗教學的改革，符合實驗教學國際化潮流發展方向；（2）基礎課程通常對低年級同學開設，授課面廣，覆蓋度高，影響力大，可以讓同學盡早了解并接觸到大型儀器，使更多的同學從中受益；（3）避免了以往專業課教學中只講儀器的原理和操作技術，內容只為儀器服務而與專業知識脫節的現象，使得儀器操作與專業知識學習有機銜接起來，教學中做到有的放矢，在不增加教學成本的情況下，取得更高的教學效率；（4）將現代化測試技術融入傳統實驗、經典實驗，可改變原先一成不變的教學模式，拓展新的教學內容，豐富實驗手段，進一步提高基礎實驗課程的水準和層次。

1.教學內容改革

在基礎實驗課程中開展大型儀器教學，其最為關鍵的一步就是將大型儀器與課程的原有內容結合起來，利用現代化實驗技術對傳統實驗項目進行改造，在保持其傳統特色的基礎上，拓展出探究型和創新型的實驗內容，并由此開發出多個能夠媲美已有經典實驗的新的實驗項目。現列舉幾個典型案例如下。

（1）掃描電子顯微鏡對鉛-錫合金樣品的觀察與分析

“鉛-錫二元合金相圖”是物理化學課程的一個經典實驗，所得相圖特征是鉛-錫固體部分互溶，液體完全互溶。但是由于固體互溶部分的區域較小，傳統教學中采用熱分析法（步冷曲線法），在固體部分互溶區域的相變化不明顯，不能在圖形上顯示，以致同學做完實驗后均認為鉛-錫形成的是固體完全不溶、液體完全互溶的相圖，對該相圖的認識產生了偏差。我們將大型儀器——掃描電子顯微鏡（SEM）引入該實驗項目，在熱分析測定的基礎上，對相變過程中樣品采取“急冷”的方式進行凍結，然后利用SEM對樣品的微區相結構進行觀察，用Mα特征X射線掃描，獲得微觀結構的定性分析，并采用EDS定量分析區域的元素組成。實驗分小組進行，每組同學做幾個樣品，通過多組同學的相互合作，將所得的圖像進行對比，可以得到清晰的生成固溶體的相圖，以及固溶體的晶體成核、結晶過程。學生由此在材料的宏觀性質與微觀結構之間的關系上有了更為深刻的理解，取得了良好的教學效果。該項工作發表在Journal of Chemical Education雜志上。

（2）環己烷一乙醇二組分氣-液平衡相圖

“環己烷一乙醇二組分氣-液平衡相圖”也是一個經典物理化學實驗，實驗中關鍵的步驟是體系達相平衡時的氣相組成和液相組成分析。傳統做法采用折光率測定，通過測定混合樣品的折光率，再與標準曲線對比，獲得兩組分的組成。我們對這一環節進行了改進，引入色譜檢測技術，通過設立相對校正因子，由色譜圖形的峰面積定量計算出氣相和液相組成含量。兩種方法進行對比，折光率檢測具有簡便快速的優勢，但需要較多的樣品量，由于平衡體系中氣相量少，進行3次平行檢測有困難，加之樣品轉移過程中易揮發，因而測得的數據偏差較大；色譜法則具有分離能力強、靈敏度高的特點，所測數據穩定，且只需極少量樣品（1μL），避免了氣相量可能不夠的問題。因此，實際教學中可以兩種方法同時使用，這樣一來，學生在學習相平衡基本理論的同時，又了解并掌握了先進的色譜測量技術，可以說是“一箭雙雕”。

（3）拉曼光譜法測定無機鹽溶液的濃度

“無機鹽溶液濃度測定”是一個普通化學實驗，常用測定方法包括滴定法、電導率法、電動勢方法等。如何在這個常規實驗體系中拓展出新的教學內容呢？我們想到了拉曼光譜技術。無機鹽溶液具有拉曼特征峰，但特征峰的峰強與溶液濃度之間并不存在簡單的線性關系，這是因為峰強度與溶質本身的特性、激光強度、曝光時間、光譜采集次數等諸多因素有關。但進一步分析發現，拉曼光譜中的水峰和無機鹽的特征峰分別由溶液中的水及無機鹽貢獻，由于二者的檢測條件相同，因此，二者的峰面積比正比于溶液中二者的分子數之比。水峰與無機鹽特征峰面積比用WSR表示，WSR值大，意味著水的含量高，溶液濃度低，反之亦然。依據這一思路，我們將WSR對溶液濃度進行非線性擬合，獲得WSR與濃度之間的定量關系，由此建立激光拉曼光譜直接測定無機鹽溶液濃度的方法，進而開發了“KNO₃濃度測定”等系列實驗用于普化實驗教學。

（4）LC-TOF HRMS分離檢測熒光黃與亞甲基藍

“熒光黃與亞甲基藍的分離”是有機化學的一個經典實驗項目，實驗采用柱色譜法，以中性氧化鋁作為固定相填充色譜柱，利用熒光黃與亞甲基藍分子極性不同，在固定相上吸附和解吸時間的不同，將兩種物質分離，分離終點及分離效果根據兩物質的色差進行判斷。作為該傳統實驗的拓展性教學，我們引入液相色譜一飛行時間質譜聯用技術（LC-TOFHRMS），先通過高效液相色譜對熒光黃與亞甲基藍混合試樣快速分離，然后再采用高分辨質譜儀對各組分進行定性和鑒定。柱色譜法和LC-TOF HRMS法相比，前者費時費力，不僅色譜柱填裝、常壓淋洗耗時長，且溶劑和樣品的消耗量大，更重要的是，該方法分離無顏色標志的樣品時還需要借助其他手段顯色；后者則對樣品的顏色無要求，不但分離速度快，還能對所得組分進行精確的分析。因此，將兩種方法安排在同一個實驗當中，大型儀器的優勢盡顯無遺，給學生留下的印象就非常深刻。

此外，我們還開發了“熱分析法測定CllS04，5HzO脫水反應活化能（差熱）”“離子遷移數測定（紫外）”等多個實驗項目。通過教學內容改革，使得大型儀器與基礎實驗項目有機地銜接起來，學生通過低年級基礎課程的學習，獲得大型儀器方面的知識，進而可以在更高的專業層面實施科技創新活動。

2.教學方式改革

與基礎實驗教學中學生人手一套儀器設備不同的是，大型儀器在學校屬稀缺資源，設備的臺件數、復套數少。在這種情形下，如何實施大面積的本科教學，保證教學的高質量、高效率，就必須改革原有教學模式，對實驗教學進行更為合理的安排。我們采取的措施主要有以下幾點。

（1）采用輪轉制、小組化教學。涉及大型儀器的實驗，實施輪轉制、小批量、小組化方式教學。以“LC-TOF HRMS分離檢測熒光黃與亞甲基藍”實驗教學為例，1個班32名學生，我們將其分成16個小組（2人1組），每次實驗課選取2組同學進行LC-TOF HRMS實驗，其余14組同學按正常實驗計劃上課，依次輪換，這樣一共通過8次實驗課的教學，班級同學全部完成LC-TOF HRMS的操作訓練。教學中，2組同學又有分工，一組同學采用柱色譜法分離并提純混合樣品，另一組同學則利用LC-TOFHRMS對同一樣品進行分離和檢測。完成各自實驗內容后，雙方互換，保證每位同學均有一定的上機操作時間。

（2）開放實驗教學。除了正常的課堂實驗外，利用課外開放實驗室，進行拓展性內容的教學。以“鉛-錫二元合金相圖”實驗為例，在正常課時內讓學生完成常規步冷曲線的測定，以及用于SEM觀察的樣品的制備。具體做法是，將學生分為幾個小組，每個小組配制幾個不同組分的鉛-錫混合物，熔融冷卻到某給定溫度時置于液氮中“急冷”，得到用于SEM分析的合金錠。學生在課外儀器開放時間，將樣品拋光打磨預處理，然后使用SEM對樣品的微區相結構進行觀察，并采用EDS定量分析區域的元素組成，所得結果與熱分析測得的相圖進行比對，從而確定鉛-錫合金液固平衡相圖各部分的相組成。這種形式的開放實驗教學與單純的大型儀器操作技術學習為主的開放實驗不同，它是一種將現代技術與基礎實驗內容結合起來，有目的的自主性、研究性、提高性學習。

（3）建立課程網站。幾乎每門實驗課都建立了課程網站，網站具有以下幾大功能：①開展網絡化教學。將實驗內容分為若干個知識點，每個知識點以短視頻的形式上掛到網上，比如介紹合金相圖實驗時，短視頻有SEM的工作原理、制樣規范、操作要求等，每個視頻2～4分鐘，形象生動，重點突出，這種教學方式利于突破教學中的難點，深受同學的歡迎。②交流討論。在網站設立交流互動平臺，老師作為版主，引導同學就實驗當中的問題、實驗感想和建議等進行交流。現代測試技術的引入，突破了原先以驗證性實驗為主的教學內容，有許多實驗結果具有不確定性，留給同學較大的想象空間。討論中同學各抒己見、暢所欲言，參與熱情很高。③數據共享。不少涉及大型儀器的實驗項目需一個小組的同學共同完成，每個同學只是測定其中的一部分，實驗完成后，同學將各自數據上網共享，以便每個同學對實驗過程及結果進行全面的分析和討論。

此外，我們還不定期舉辦大型儀器方面的講座。通過以上種種舉措，在大型儀器數量有限且承擔繁重科研任務的情況下，使得每個同學均有一定的上機操作機會，確保了基礎實驗課程教學順利地進行。

四、教學效果分析

將大型儀器的教學納入常態化基礎實驗教學改革，經數年實踐，在以下幾個方面獲得了良好的教學效果。

（1）提高了基礎實驗教學的層次。將大型儀器引入基礎實驗教學，利用現代測試技術對傳統實驗進行改造，把物質的宏觀變化過程與其微觀結構聯系起來，在普化、有機、物化等基礎課程方面開發了十多個“新經典”實驗項目，改變了原先以單純的驗證性實驗為主的教學模式，豐富了教學內容及實驗手段。由于諸多實驗內容具有探究性，實驗結果具有不確定性及挑戰性，由此激發起學生的學習興趣，教學效率得到提高。

（2）為大型儀器的教學提供了一條新的思路。以往大型儀器的教學常以原理介紹及操作技術為主，缺乏針對性，有紙上談兵之嫌。將大型儀器融入基礎實驗教學，每門課程重點介紹2～3個儀器，學生以實驗項目為載體，在測定過程中學習儀器的使用。尤其當采用現代技術和傳統方法做同一個實驗項目時，二者的對比給同學留下的印象非常深刻，學生對知識點的理解也更為透徹。

（3）培養學生創新實踐能力。在低年級課程中了解了現代測試技術，不少同學不滿足于對基本原理的驗證，而紛紛參與SITP、科技創新等更有挑戰意義的活動。學生在這一過程中，自主學習能力及創新實踐能力得到鍛煉和提高。

[責任編輯：余大品]