高校《儀器分析》實驗教學(xué)改革創(chuàng)新的探索

于阿娟

(鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001)

儀器分析實驗是利用復(fù)雜精密的儀器，根據(jù)物質(zhì)的聲、光、電、磁、熱等物化特性，對物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)進行表征，從而完成定性、定量和形態(tài)分析，相較于傳統(tǒng)的分析方法，儀器分析更加高效便捷智能，代表了分析化學(xué)的發(fā)展方向。儀器分析實驗不僅要求學(xué)生具備扎實的理論，還要求較強的動手實踐能力，由于儀器分析課程復(fù)雜性和跨學(xué)科特點，傳統(tǒng)教學(xué)模式效果不理想[1]。通過分析儀器分析實驗教學(xué)現(xiàn)狀，提出改革創(chuàng)新措施。

1 儀器分析實驗教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

1.1 實驗教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新性實效性不足

使用教材更新較慢，實驗項目多年沒有變化，儀器分析理論授課和實驗課程不同步，部分理論課程內(nèi)容枯燥晦澀，且沒有安排相應(yīng)的實驗內(nèi)容，對分析方法的社會應(yīng)用和發(fā)展方向講授較少，學(xué)生只知其然，不知其所以然。儀器分析理論教學(xué)主要側(cè)重實驗原理講解，課程覆蓋面廣但深度不夠，沒有根據(jù)本科生的知識層次做相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實驗教學(xué)最終目標是提升學(xué)生的動手能力，為國家和社會培養(yǎng)實用型和創(chuàng)新型人才[2]，色譜、光譜等主流分析技術(shù)教學(xué)還比較淺顯，對學(xué)生今后的就業(yè)、繼續(xù)深造或科學(xué)研究積累不夠，高校在實驗課程安排方面還應(yīng)優(yōu)化完善。

1.2 實驗教學(xué)方法程序化形式化突出

通常的實驗教學(xué)流程是學(xué)生課前預(yù)習(xí)講義，教師課上講解實驗原理、方法等，并有教師操作示范，學(xué)生則根據(jù)教師安排的實驗步驟，做驗證性試驗，這種傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式重結(jié)果，輕過程，沒有設(shè)計實驗方案和論證優(yōu)化實驗方法環(huán)節(jié)，學(xué)生的興趣沒有被激發(fā)出來。由于學(xué)生缺乏實驗儀器知識的積累，且實驗教學(xué)實行學(xué)生分組輪流操作的教學(xué)模式，相比于傳統(tǒng)的有機化學(xué)、分析化學(xué)等基礎(chǔ)實驗，儀器分析沒有給予學(xué)生循序漸進的適應(yīng)提高過程。這種教學(xué)模式重程序形式，組織方式比較傳統(tǒng)，忽視了學(xué)生的主體性和主動性，沒有充分利用互聯(lián)網(wǎng)+和手機APP等資源，目標化管理和個性化教學(xué)的平衡點沒有找準。

1.3 考核評價形式靈活性導(dǎo)向性不強

儀器分析實驗教學(xué)應(yīng)啟發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究潛質(zhì)，培養(yǎng)其嚴謹細致的習(xí)慣，突出操作能力、獲取信息能力、總結(jié)分析能力、解決問題能力的考察。但目前固化的實驗教學(xué)模式僅注重對實驗過程和實驗結(jié)果的考核評價，學(xué)生的實驗報告是其實驗成績的主要印證。本科畢業(yè)設(shè)計階段和研究生培養(yǎng)初期，學(xué)生不善于檢索文獻、不會設(shè)計實驗方案、數(shù)據(jù)處理能力不足等問題，都與本科階段實驗教學(xué)有關(guān)，還有學(xué)生不遵守實驗室管理制度，釀成安全事故。考核是指揮棒和風(fēng)向標，考核應(yīng)當促進學(xué)生對理論知識的掌握、實驗室制度的執(zhí)行、基礎(chǔ)實驗技能的提升，建立良好的教學(xué)秩序，不能僅僅滿足于教學(xué)任務(wù)，應(yīng)避免傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)對學(xué)生求知創(chuàng)新能力的掣肘。

2 儀器分析實驗教學(xué)改革探索

2.1 改革實驗教學(xué)內(nèi)容

建立理論教學(xué)、實驗教學(xué)、科學(xué)研究相結(jié)合的教學(xué)模式，改革和完善實驗教學(xué)內(nèi)容。一是調(diào)整儀器分析實驗部分的課時安排，做到理論教學(xué)和實驗教學(xué)同步，理論教學(xué)為實驗教學(xué)打基礎(chǔ)，實驗教學(xué)促進理論教學(xué)的鞏固和深化[3]。豐富教學(xué)內(nèi)容，改變目前儀器分析實驗內(nèi)容陳舊和表征手段缺乏前沿性的局面，緊跟時代的腳步。例如，作為化學(xué)專業(yè)主要的教學(xué)科目，儀器分析教材內(nèi)容滯后，缺乏科研必備的先進表征儀器類別，使學(xué)生在以后的科研訓(xùn)練中基礎(chǔ)薄弱。雙束掃描電鏡(SEM)、場發(fā)射透射電鏡(TEM)及X-射線粉末衍射(XRD)等前沿的表征技術(shù)在儀器分析實驗教材中沒有提及，還有高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、拉曼光譜等科研儀器也并沒有補充到實驗內(nèi)容中，而一些落后且在實際科研中落后且淘汰的表征儀器卻依然在實驗內(nèi)容中。提升學(xué)生對常用的做圖數(shù)據(jù)軟件如Chemdraw、Origin、Excel等的應(yīng)用能力，為今后畢業(yè)論文設(shè)計和研究生階段打下基礎(chǔ)。二是更新和增加儀器設(shè)備，增加有深度的選修實驗課程和開放性實驗內(nèi)容。如地表水重金屬離子測定，肉禽蛋米中特定農(nóng)殘物的測定，引導(dǎo)學(xué)生分組承擔開放性實驗課目，自行查閱文獻和擬定實驗方案，教師給予及時指導(dǎo)，待教師審核確定實驗方案后，統(tǒng)一組織學(xué)生實施。三是組織分析技術(shù)的歷史沿革和現(xiàn)代前沿分析技術(shù)的授課，講解儀器分析技術(shù)在科研和社會生產(chǎn)中的作用，使學(xué)生了解儀器分析的發(fā)展趨勢和方向，也可以邀請儀器設(shè)備商作專題報告，提升學(xué)生的格局和眼界。例如，在液相色譜分析法中，引入本課題組最近發(fā)表在《talanta》上的科技論文“Controlled fabrication of core-shell silica@chiral metal-organic framework for significant improvement chromatographic separation of enantiomer”，通過具體的科研成果向?qū)W生介紹高效液相色譜法固定相的發(fā)展趨勢，補充講解前沿儀器分析表征手段，如雙束掃描電鏡(SEM)、場發(fā)射透射電鏡(TEM)及X-射線粉末衍射(XRD)的應(yīng)用，讓學(xué)生們了解色譜法的發(fā)展方向，儀器分析在科研工作中的巨大作用及存在的機遇和挑戰(zhàn)，把實驗室搬到課堂，提升學(xué)生的思維能力，提高學(xué)生們的實驗和科研熱情。四是增加儀器的使用維護教學(xué)。使學(xué)生掌握實驗儀器一般故障的排除，常規(guī)保養(yǎng)維護方法，通過對儀器部分元件的拆解及安裝，現(xiàn)場講解其工作原理和日常保養(yǎng)，提升學(xué)生分析和解決問題的能力。五是培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗室文化，將實驗室管理制度作為重要內(nèi)容列入教學(xué)計劃，做好火、水、油、電、氣的管理，防止安全事故和意外傷害。在實驗內(nèi)容中添加安全內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)試劑和大型儀器的安全意識，為學(xué)生今后開展的畢業(yè)論文設(shè)計和進一步的研究生深造奠定基礎(chǔ)。

2.2 優(yōu)化實驗教學(xué)方法

科學(xué)有效的教學(xué)方法，應(yīng)當立足培養(yǎng)創(chuàng)新型人才需要，抓住學(xué)生普遍性的性格特點，采取相應(yīng)的方法策略。一是借力互聯(lián)網(wǎng)+，推廣交互式教學(xué)手機APP[4]。開展本科精品課程創(chuàng)建活動，建立齊全完備的儀器分析多媒體教學(xué)資源，由教師制作授課PPT、AR納入數(shù)據(jù)庫，由學(xué)生掃描二維碼注冊登錄，使學(xué)生能夠隨時訪問學(xué)習(xí)，加深課堂印象，提升學(xué)習(xí)效果。學(xué)生實驗報告和實驗數(shù)據(jù)也可以由學(xué)生手機拍照上傳手機APP，能夠有效提升效率，減輕教師和學(xué)生的負擔。二是實行啟發(fā)式教學(xué)方法。以液相色譜為例，每種物質(zhì)都有其特定的出峰時間，這是液相色譜的定性基礎(chǔ)。當一種混合的實際樣品進樣后，會出現(xiàn)多個色譜峰，如何對這些色譜峰進行定性，可讓學(xué)生思考每種色譜峰代表的物質(zhì)及判斷依據(jù)；當色譜峰的出峰時間出現(xiàn)不對應(yīng)，或者稍有出入時，可引導(dǎo)學(xué)生排查原因并適當提醒，進行色譜峰的正確歸屬，提高學(xué)生思考問題和解決問題的能力。另外，引導(dǎo)學(xué)生思考色譜的定量原理及保留機理，對常用的三種色譜定量方法進行講解，課后啟發(fā)學(xué)生進行資料查閱，加深對色譜分離機理的理解。對實驗科目實行目標管理，教師負責(zé)擬定實驗計劃和提出問題，由學(xué)生查閱文獻資料，制訂實驗方案，分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論，提升學(xué)生探索意識和創(chuàng)新能力。三是實行開放式實驗課程。把實驗學(xué)科競賽納入教學(xué)計劃，鼓勵學(xué)生參加導(dǎo)師研究項目，在有組織的情況下，對學(xué)生開放部分儀器[5]。參照本科畢業(yè)設(shè)計的方式，將大學(xué)生創(chuàng)新項目和儀器分析實驗教學(xué)相結(jié)合，在實驗教學(xué)中安排1～2個開放式課題。四是組織社會實踐活動。組織學(xué)生參觀食品加工廠的實驗室檢驗檢測環(huán)節(jié)或?qū)I(yè)檢驗檢測機構(gòu)的工作，加深學(xué)生對儀器分析社會應(yīng)用價值的直觀印象，提升教學(xué)效果。

2.3 完善考核評價機制

傳統(tǒng)的評價集考試成績和名次于一張試卷，這種橫向考核評價機制忽視了學(xué)生的縱向潛能，分數(shù)被異化為衡量能力的唯一標準，這不符合教育發(fā)展規(guī)律，科學(xué)的考核評價機制應(yīng)兼容學(xué)生的普遍差異性。高校要建立創(chuàng)新型實驗考核評定機制，改革以實驗程序和分數(shù)為主的考核評價模式，實行實驗程序、試驗方法和實驗技能并重的考核評價方式，突出對學(xué)生科研潛質(zhì)和創(chuàng)新能力的發(fā)掘，按照專業(yè)理論30%、普通實驗30%、開放性實驗20%、儀器相關(guān)10%、社會實踐10%的權(quán)重打分，對學(xué)生實驗成績進行綜合性考核評價。也可以根據(jù)學(xué)生最后的綜合得分，實行優(yōu)秀、良好、及格的等級評分制。實驗考核應(yīng)注重學(xué)生平時表現(xiàn)，完善考核評價的杠桿作用，引導(dǎo)教學(xué)指導(dǎo)思想由注重專業(yè)知識的灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅刂腔酆湍芰Φ呐囵B(yǎng)。

3 結(jié) 語

高校要主動適應(yīng)國家發(fā)展大局，通過建設(shè)優(yōu)質(zhì)學(xué)科平臺促進創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，使得辦學(xué)宗旨從教學(xué)型為主向科研為主、科研教學(xué)并重方向發(fā)展。化學(xué)是一門實踐科學(xué)，儀器分析更是強調(diào)實踐創(chuàng)造能力，實驗教學(xué)改革要求高校和教師團隊順應(yīng)形勢，堅持問題導(dǎo)向，充分借助科技手段，努力克服傳統(tǒng)教學(xué)模式對科研創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的不適應(yīng)，加強特色學(xué)科建設(shè)，通過學(xué)科建設(shè)的示范和引領(lǐng)作用，推動普通高等教育的全面轉(zhuǎn)型升級。