現代儀器分析實驗教學方法探索

翁超 陳效蘭 喬志芳 付倬

摘 要：現代大型精密儀器是先進科學技術的代表，是科學研究的基本工具。在新時代下，本實驗中心探索出了一套如何有效開設好現代儀器分析實驗，從而進一步有效指導科學研究的教學方法。

關鍵詞：現代大型精密儀器;基本工具;科學研究;教學方法

現代儀器分析是科學研究和生產實踐當中的一門基礎學科和基本工具[1-4]。對當代化學學科的本科生、研究生開設現代儀器分析實驗十分必要。沒有好的儀器分析手段和能力，就不能很好的分析科學實驗結果，不能進一步推進實驗進程。這就好比做科學研究不會英語一樣，不會廣泛的語言工具，就閱讀不了大量的科研文獻，就會成井底之蛙、故步自封。國內現在部分高校開設了理論課教學，卻不開設實驗教學，把理論和實際剝離開了，理論指導不了實驗，實踐驗證不了理論[5-10];部分高校既開設了理論課教學，也開設了實驗課教學，但是大部分的實驗教學都是按照固定教材內容開設一個或者幾個實驗[11-15]。這樣導致的結果是學生沒有真正把學的理論知識和自己將來要運用的研究方向結合起來，自然感覺起來比較空洞枯燥，學的也不會深刻和透徹。下面以我們學校化學學院在現代儀器分析的實驗教學改革為例，剖析可行的有益方案。

一、實驗教學改革

（一）理論課與實驗課剝離。本校把現代儀器分析技術理論教學和實驗教學分離開，分為兩套獨立班子上課。理論教學部分由在教學和科研一線的專家學者擔任。這些專任老師既有豐富的理論知識底蘊，又時刻站在科學研究的最前線，因而能把儀器分析的理論知識與科學研究的前沿問題有機結合起來，使理論知識更加切合實際需求。而且理論課不是一個專家學者上，課頭可以為一位老師，院系再按照儀器的類別分為光學、電學、色譜學及其它類進行分類，然后各個方向指派一個專業老師任教，這樣學習的內容即豐富又生動深刻且易于接受。

（二）實驗課程設計重實際和基礎。本院一屆本科生大約350人，研究生大約150多人，擺在眼前比較尖銳的問題是：一方面實驗所用的儀器都是大型精密儀器，每種儀器少的可能只有1臺套，如何讓這么多學生學習好這臺儀器就顯得困難重重;另一方面開設的實驗課程的課時數又非常有限，如何在有限的時間里讓學生學有所得必須充分考慮;此外學院學生的專業方向也比較多，老師的課題研究方向更多，如何合理安排開設的儀器種類非常重要。

首先我們結合院系的研究方向和課題組研究方向，制定了開設的儀器種類。選擇了紫外光譜、紅外光譜、熱分析系統、飛行時間質譜、核磁共振、掃描電鏡6套大型精密儀器作為學生必學儀器。這幾種儀器既有普通的大型精密儀器，也有貴重的專業性強的大型精密儀器，既有合成方向的常用儀器，也有分析、材料等方向的常用儀器。

其次是合理安排每次實驗學生人數。我們安排每次實驗人數在15人以下，每次實驗可以6-8個小時。一般大型精密儀器一間房子一臺儀器，安排15個學生圍圈一次性聽課，聽課距離近，互動方便，效果較好。動手部分可以再適當分組完成，提前完成的可以先結束該堂課程的學習。這種模式既避免了人員擁擠，又讓學生切實體驗實踐了。

（三）實驗課程專人專講。我校測試中心隸屬化學學院，主要對外開放大型精密儀器測試和教學服務。每臺儀器都是專人負責管理、功能開發、測試、維護、保養等。我院對學生開設的現代儀器分析實驗課程部分也是在充分考慮儀器的通用性和重要性以及結合學科研究方向的基礎上，安排6位擅長不同儀器的老師擔任實驗課任課教師。每位老師都是在基礎崗位上工作5年以上，有著扎實的基礎理論知識和豐富的實踐經驗。他們不但掌握著所負責講授儀器的硬軟件操作，同時把握著院系課題組的研究方向和該儀器方法的科學前沿，所講內容就會讓同學們感到親切、有趣，同學們才能切實學有所用。

（四）實驗課堂重理論運用及步驟驗證。現代儀器分析實驗技術理論課程部分在本科教學階段已經接觸，包括儀器分析、分析化學等課程，研究生階段也開設了現代儀器分析技術的理論課程。我們在現代儀器分析實驗教學時就不必重復基本理論部分知識。但是在講授的過程中，一定要注重理論的實際運用解釋。以紫外-可見吸收光譜為例，它的吸收光譜曲線吸收值存在一個可信區間，不同品牌型號的儀器的可信區間不一樣。那么一是這個可信區間怎么來的？為什么不同儀器有不同的可信區間？實驗課堂教學的時候需要把這些問題解決。

一些現代儀器智能化很高，基本操作非常簡單，甚至可以說是傻瓜式的。那么，該如何讓測試者掌握操作的正確性、可靠性與重現性，是個必須解決且關鍵的問題。以前的大型精密儀器實驗教學都是簡單地告知實驗測試者每一步的具體操作步驟，但是不會講述操作每一步的注意事項和目的意義，更加不會講解每一步完成后如何去判斷該步操作是否正確，從而導致學生都是一知半解，機械式操作，碰到任何問題或者稍微不一樣的情況就完全看不出癥結，如此一來將影響測試結果的正確性，進一步嚴重影響對實驗方案的有效判斷和指導。那么在我們的大型精密儀器的實驗教學中就融入了詳細講解每個參數設置的意義，每個實驗操作步驟的驗證步驟和判斷步驟，這樣學生就能正真理解好參數如何設置，才能有效把握測試結果的有效性。以紫外可見吸收光譜為例，參數設置中比如掃描速度設置，掃描速度越快，勢必節約時間，操作完成時間越短，但是另一方面勢必導致精度下降。兩者之間相互矛盾和制約，到底要設置成什么合適值，就要看你的實驗目的，根據個人的實驗要求的不同，選擇傾向性的實驗條件設置。這對于得到合理的實驗結果是非常重要的。又比如紫外可見吸收中經常需要扣除空白吸收，然后再測試未知樣品的光譜吸收曲線。那么在扣除空白這個操作中很多實驗者不去驗證，也就是說不管空白扣好了沒有，緊接著就往下做。這樣操作的風險就是可能導致某些區域數據結果不可信。如果再把空白樣當做一個實際樣品來測試，看空白樣品的吸收光譜

曲線是否在噪音范圍類，這樣才能確保接下來的測試結果可靠。

（五）實驗方案重課題方向結合。現代儀器分析實驗課必須要突出與時俱進性和前瞻性。在課程設計上就不能再開設模塊化的內容。比如紫外-可見分光光度計原來本科實驗開設的是測定微量鐵含量的實驗，一直沒有變化，甚至研究生還是開設這個實驗。我們的側重點是設計和課題組研究方向一致的實驗內容。每次實驗課都是對應的一個大方向的學生，那么就安排這個方向的在研的課題內容的材料作為實驗的具體操作對象。讓同學們了解如何進行樣品前處理、如何把握實驗過程的參數設置、如何得到可信的實驗結果以及如何研判分析實驗結果進一步有效指導科研實驗。這樣的實驗方案設計就能有效地與實際科研緊密結合起來，既能加深對儀器的理解，又能充分掌握好這門基本的實驗工具，進而有效為科研實驗設計方案。

（六）實驗效果重課堂表現。現代儀器分析實驗的課程表現采用考察形式，不強調千篇一律的實驗預習報告和實驗結果報告。重要的是看同學們在實驗過程的表現和以問答的形式掌握學生的課前預習，課后學生的總結格式不一定要是實驗報告的模式，可以形式多變，只要是總結概括學習到的東西，并加以消化理解。

通過積極探索新形式下現代大型精密儀器的實驗教學方案改革，我們制訂了切實可行的近代儀器分析實驗技術實驗教學內容方案，通過與科學研究方向緊密結合的方式教學，進一步激發學生的創新性，使學生不但掌握了現代儀器基本的操作使用方法，而且學會了理解與解決問題的能力，學生能進一步通過儀器分析結果，指導科學研究，達到了十分理想的效果。

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