淺談衛生化學中高端儀器分析的教學建議

王和興

（復旦大學公共衛生學院，上海 200032）

淺談衛生化學中高端儀器分析的教學建議

王和興

（復旦大學公共衛生學院，上海 200032）

為更好地適應公共衛生分析領域發展要求，有效介紹高端儀器分析成為衛生化學教學中需要思考的問題。從理論和實驗教學出發，提出傳統教學方法的注意點和當前備受關注的新教學方法，包括對分課堂、翻轉課堂和開放實驗室，以提高衛生化學中高端儀器分析教學效果。

公共衛生；衛生化學；儀器分析

公共衛生的根本目的是保障和促進人群健康。水、空氣、土壤、化妝品、食品等中存在大量對人體有益或有害的化學物質，與人類健康息息相關。確定這些化學物質在水、空氣、食品或人體中的存在和含量是研究其對人群健康影響的關鍵一步。為此，衛生化學學科在公共衛生基礎教育中應運而生。它是分析化學與預防醫學的交叉學科，以分析化學的基本理論和實驗技能為基礎，主要研究預防醫學領域中與健康相關的化學物質[1]。衛生化學的發展取決于分析化學的進步和預防醫學的需要，同時也為預防醫學研究提供新技術手段和方法。因此，衛生化學在公共衛生基礎教育體系中占有重要地位。

早期的衛生化學教學內容以化學分析為主，涉及大量中學化學知識，學生并不感到陌生，教學相對容易。近年來，隨著儀器制造技術的進步和預防醫學研究內容的轉變，所分析的化學物質，尤其是有機物大量增多，樣品基質也越趨復雜，且含量越來越低，分析內容已經由過去以化學分析為主過渡到儀器分析為主，尤其是高端儀器分析[2]。然而，目前關于儀器分析的教學，絕大部分高校仍停留在單純基本理論介紹層面，學生之前對分析儀器，尤其是高端分析儀器接觸較少，加之儀器分析知識點獨立、理論較抽象，難以理解；同時實驗教學時往往是機少人多，多以示教為主，學生動手機會不多。這些因素共同導致學生課上注意力不集中，學習熱情不高，難以培養其獨立思考和創新能力[3]。為更好地適應公共衛生分析領域發展要求，培養合格的公共衛生人才，有效介紹高端儀器分析的基本理論、構造和使用成為高校衛生化學教學中需要思考的問題。為此，本文淺談高校衛生化學教學中高端儀器分析的理論和實驗教學建議，以期提高教學效果。

1 理論教學

公共衛生領域涉及的分析內容主要是各種環境或食品介質和生物樣本中的化學物質，可分為無機元素和有機物。無機元素分析涉及的高端儀器分析包括原子吸收分光光度法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子體原子發射光譜法和電感耦合等離子體串聯質譜技術等，而有機物涉及的高端儀器分析包括氣相色譜法、液相色譜法、氣相色譜串聯質譜技術和液相色譜串聯質譜技術等。下面以氣相色譜分析為例，介紹3種常見的理論教學方法。

1.1 講授法

講授法是用教師“講”、學生“聽”來傳遞信息的傳統教學方法，其特點是時效快、通用性強、傳遞信息量大，但該教學方法是單向的知識傳輸，強調教師的作用，忽視教學過程中學生的參與[4]。為保證教學效果，教師課前要求學生預習氣相色譜的基本理論，如踏板理論、速率理論等，同時了解定性、定量分析的依據以及氣相色譜分類等，讓學生帶著問題參與教學活動；教師課上需對如何理解踏板理論、速率理論以及如何從理論中推導出定性、定量分析的依據等難點進行集中講授，同時通過圖片或視頻方式展示化學物質在氣相色譜中的分離和檢測過程，多舉一些與日常生活較為接近的使用氣相色譜分析的例子，并采用提問等方式增加師生互動，充分調動學生學習積極性；課后通過有針對性地布置作業，讓學生進一步鞏固學習內容，并對學生作業中出現的問題進行解答，以提高教學效果。

1.2 對分課堂

對分課堂是近年來由復旦大學心理系張學新教授提出的一種針對我國學生實際情況的教學方法。其核心理念是把一半課堂時間交由教師講授，另一半交給學生進行交互式學習，使學生有充分理解所學知識的時間。張學新教授把教學過程分為時間上清晰的3個過程，分別為講授（Presentation）、內化吸收（Assimilation）和討論（Discussion），由此對分課堂也簡稱為PAD課堂[5]。在氣相色譜教學中，可安排4學時，前兩個學時用于課堂講授，教師需對氣相色譜內容框架、基本概念、基本理論、難點和應用實例進行集中講解，同時給出氣相色譜對分課堂的安排、要求和討論方式，之后留出一周左右時間，讓學生理解教師所講授的內容，查閱資料，深入學習，內化吸收；后面兩學時在教師安排下學生5～6人一組進行討論，要求在組內討論遇到的各種問題，匯總問題后，進行組間討論，要求每組至少提出兩個他們覺得理解很透徹的知識點或新思路向其他組提問，至少提出兩個他們感覺理解不清楚的知識點向其他組求助。教師需保證討論順利而有效進行，避免討論偏離主題或在某一問題上糾纏過久，并關注問題是否及時正確解決。對分課堂既保留了傳統講授法的精華，保證知識傳遞的系統性和準確性，又發揮了討論式課堂的優勢，增加師生、生生互動交流，加強了學生自主學習能力培養，提升了學習效果。此外，對分課堂是對教學流程的改革，投入少，是一種經濟、實用的教學方法。

1.3 翻轉課堂

翻轉課堂最初構想源于2007年美國兩位化學教師的嘗試，2011年得益于可汗學院的推動，現已成為全球教育界備受矚目的新型教學模式[6]。翻轉課堂是以信息技術、互聯網為平臺，顛倒傳統教學課前課后順序的逆向教學，是課前教師提供以視頻為主的學習資源，學生自主學習，課上師生面對面交流、完成作業和總結評價的一種教學方法。在氣相色譜教學中，課前教師需將氣相色譜的概念、基本理論、定性及定量依據、各組成部分及功能、分類、應用實例等知識點制作成微課視頻，根據氣相色譜學習內容的關鍵點和難點安排作業，給出進一步深入學習氣相色譜的網絡資源、書刊等，要求學生課前自主安排時間學習，并完成作業；同時教師通過網絡收集學生自主學習過程中遇見的問題，并關注其作業完成情況，評價學生學習效果。課上，教師通過互動式、探討式、小組合作式等以學生為主體的活動，幫助學生解決學習過程中遇到的各種問題。值得注意的是關鍵知識點可在作業中以問題方式提出。例如，氣相色譜為什么能實現化學物質的分離？氣相色譜的踏板理論和速率理論如何解釋氣相色譜的分離行為？可用一個比喻來描述氣相色譜的分離過程嗎？翻轉課堂既能發揮學生主觀能動性，激發其學習熱情，增強自主管理、交流溝通和獨立思考等多方面能力，又能增強教師在教學中的主動性，并且要求教師具備更多的技能，如網絡技術的使用、微課視頻的制作等，以實現教學相長。翻轉課堂要求學生具有較強的自學能力和自律性，以自主完成主要學習任務。因此在翻轉課堂實踐初期，需要遵循循序漸進原則，對于學習態度消極、學習能力較差的學生給予更多幫助。

2 實驗教學

鑒于高端儀器分析主要包括無機元素和有機物分析，建議在這兩類物質的儀器分析中，至少分別進行一次實驗教學，如原子吸收分光光度法與氣相色譜法。若儀器條件滿足，則可進一步開展質譜聯用技術的實驗教學，如電感耦合等離子體串聯質譜技術和液相色譜串聯質譜技術。下面以氣相色譜分析為例，介紹兩種常見的實驗教學方法。

2.1 傳統實驗教學

傳統實驗教學是通過教師先講解和演示，再指導學生按照實驗規范完成實驗，最后總結并給予評價的過程[7]。這種教學方法雖能讓學生較快地掌握基本實驗技能，但難以培養其實驗設計、處理實驗結果能力，不利于啟發思維、激發學習積極性和創造性。為彌補這些缺陷，實驗課前教師需根據儀器的配置特點，編寫實驗指導，制定實驗評價標準，并發給學生要求其預習；教師需結合課堂所講理論知識，介紹儀器構造，演示實驗過程，如解釋氣相色譜進樣口的構造如何實現密封，防止空氣損傷色譜系統，利用真實色譜柱講解色譜柱的構造、類型，以及如何選擇色譜柱的長度、內徑和固定液的厚度，同時結合踏板理論、速率理論啟發式解釋這些參數與分離效果的關系。實驗過程中，教師需監督實驗過程，做好實驗輔導，及時解決學生遇到的各種問題，同時做好安全工作；在獲得實驗結果后，對照真實的氣相色譜圖，可采用提問方式解釋色譜的基本概念，如保留時間、峰寬、踏板高度和分離度等，并要求學生盡快完成實驗報告。值得注意的是由于高端分析儀器價格及維護費用昂貴，一般只會配置1～2臺，數量少。因此，建議將學生3～5人一組分為多個小組，每組完成一個完整實驗或分別完成一個周期較長實驗的一部分，如空氣中苯系物的采集、氣相色譜的操作等，保證每位學生都有動手機會；也可以多個實驗同時開展，不同小組同時完成不同實驗，既保證學生都有動手機會，又縮短實驗教學時間，提高儀器使用效率。

2.2 開放實驗室平臺

與傳統實驗教學方法相比，開放性實驗室讓學生有更多的自主性，有利于培養其學習興趣，較好解決了傳統實驗教學存在的一些問題，是當前備受關注的一種實驗教學方法[8]。開放實驗室平臺包括實驗設備和管理制度兩方面內容，前者指開放的儀器等硬件，后者指如何管理維護儀器和學生進入實驗室的規章制度等軟件。一般來說，由于學生不熟悉高端儀器，因此進入實驗室前需要經過培訓，才能獲得上機資格?？梢圆扇【W上預約實驗方式，在管理人員審核學生實驗內容和具備上機能力之后，方可開始實驗。由于高端儀器往往是專人專管，機多人少，單靠實驗管理人員難以承擔開放實驗室對時間、精力的要求，因此，可以考慮采用“學生助崗，教師負責”方式進行實驗室管理[9]。對于實驗內容，可以針對每類儀器開發多個不同方面的實驗項目，學生根據興趣選擇實驗項目。對于氣相色譜，可以開發如空氣中苯系物、水或食品中農藥殘留等實驗項目。教師可以結合自己的研究方向，面向有科研興趣的學生，設計一些創新性實驗，將科研和教學結合起來。開放實驗室對學生、教師、實驗室管理、硬件設施等方面的要求較高，只有當學生自覺性、實驗內容編寫、師資配置、各項操作規程和管理程序等達到一定水平時，開放實驗室才能起到應有的作用。

3 結語

當前高端儀器分析已經成為公共衛生領域的主要分析方法之一。在公共衛生教育中，高端儀器學習是培養綜合性衛生人才的重要內容。理論教學有利于學生對知識深入思考，而實驗教學則有利于將理論知識與實踐結合起來，是對理論教學的重要補充，兩者相互促進，共同實現對學生創新能力、綜合實踐能力的培養。在實際教學中，鑒于不同的理論和實驗教學方法具有不同的特點，應根據具體情況，如學生知識及學習背景，學校網絡、儀器硬件設施和師資配置等情況，因地制宜，因材施教，采用不同教學方法，提高教學效果。

[1]郭愛民.衛生化學[M].北京：人民衛生出版社，2013.

[2]李贊忠，喬子榮.現代儀器分析及其發展趨勢[J].內蒙古石油化工，2011（21）：1-4.

[3]宋力，李志裕.淺談如何利用實驗室大型儀器的共享平臺開展本科實驗教學[J].藥學研究，2016（1）：55-56.

[4]張穎，李萍，張雪梅.論醫學教育中的7種教學方法[J].衛生職業教育，2012，30（2）：48-50.

[5]張學新.對分課堂：大學課堂教學改革的新探索[J].復旦教育論壇，2014（5）：5-10.

[6]杜銀香，董興高.翻轉課堂應用于醫學微生物學實驗教學的思考[J].衛生職業教育，2016，34（5）：102-103.

[7]李娜，王巧云.改革傳統實驗教學模式 培養高素質人才[J].衛生職業教育，2006，24（1）：8-9.

[8]蘇晨霜.開放高校臨床醫學實驗室的實踐與思考[J].衛生職業教育，2014，32（18）：14-15.

[9]夏燎原，胡云楚，吳義強.開放大型儀器設備對提高本科實驗教學質量之思考[J].中南林業科技大學學報，2012（5）：160-162.

G420

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1671-1246（2017）01-0065-03

注：本文系上海市自然科學基金項目（16ZR1403400）