《儀器分析》課程案例庫建設(shè)及案例教學法的應用探究

辛雪蓮 王志強 韓丹丹 閆宏遠

（河北大學公共衛(wèi)生學院 河北·保定 071002）

儀器分析課程是一門理論與實驗相結(jié)合的綜合性課程，作為一門重要的衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)課程，要求讓學生掌握儀器分析課程的基礎(chǔ)理論、基本的操作技能和應用，為學生今后的課程學習、工作和升學奠定基礎(chǔ)[1-3]。儀器分析課程的理論知識比較抽象，學生難理解，知識的連貫性較差，學生難以熟悉運用。在儀器分析課程教學中，采用案例教學法，有利于學生對知識的理解與掌握，提高學生學習興趣，增強教學效果。與傳統(tǒng)授課相比，儀器分析案例教學，將課堂的主動權(quán)歸還給學生，讓學生主動思考，主動搜集資料解決問題，使理論知識融入于實踐。學生以小組為單位，對案例進行資料搜集、討論、整理，更有利于知識的輸入。儀器分析案例庫的構(gòu)建是案例教學有效實施的前提，案例庫為案例教學提供豐富的素材，探討如何構(gòu)建《儀器分析》案例庫對案例教學具有十分重要的意義。

1 案例庫的構(gòu)建

以典型性、時效性及貼近實際與生活的原則，搜索近幾年食品安全及公共衛(wèi)生事件的新聞報道及相關(guān)文獻，將新聞素材及儀器分析創(chuàng)新性實驗進行整理，按照儀器分析每章知識進行整理，以每章至少一個案例為準，與儀器分析課程相結(jié)合，構(gòu)建儀器分析案例庫，共構(gòu)建了15個案例。案例庫包含食品、包裝材料、化妝品及生活用品等領(lǐng)域，讓學生學以致用，為今后的課程學習及生活工作奠定基礎(chǔ)。儀器分析是高等院校衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課程，儀器分析課程是學生今后課程及實驗操作的基礎(chǔ)，學生必須掌握理論知識和實驗技能，探索一種有效的教學方式對學生今后發(fā)展至關(guān)重要。案例教學法將實際案例、問題的提出、案例分析及學生的共同參與連為一體，其改變了傳統(tǒng)教學中教師向?qū)W生灌輸知識的情形，提高了學生學習興趣，使學生更加明確學習目的和增加學習動力，將所學知識應用于實際工作生活。儀器分析案例教學可以將理論知識簡單化、形象化，讓學生更容易學習掌握。優(yōu)秀的案例有利于培養(yǎng)學生的學習興趣、提高學生學習動力和主動探索和創(chuàng)新精神，因此，儀器分析案例庫的構(gòu)建為案例教學的順利開展提供基礎(chǔ)。

1.1 案例1

近幾年，由包裝材料造成的食品安全問題引起了人們的重視。包裝材料中有害金屬元素的測定是食品安全的重要保障，本校2018級衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)的同學利用電感耦合等離子體發(fā)射法測定食品包裝袋中的金屬元素。實驗步驟如下：

樣品前處理：按GB9683-1988、GB/T5009156-2003方法，將食品包裝樣品（薯片包裝袋、爆米花包裝袋等即食食品包裝袋）用洗滌劑清洗干凈，用自來水沖凈，再用超純水沖洗3-5遍后晾干，供酸浸用。稱取清洗好的包裝袋樣品0.5000g，放入250mL燒杯中，加入4%乙酸25mL，攪拌1 min后，檢查溶液的酸度，繼續(xù)加入乙酸溶液將食品包裝袋完全浸沒，放入烘箱，溫度設(shè)為60°C，時間120min，浸泡。

問題的提出：電感耦合等離子體發(fā)射光譜法具備什么特點？電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀的主要部件包括哪些？電感耦合等離子體發(fā)射光譜法的定量依據(jù)是什么？在分析過程中應注意哪些分析條件的選擇？分析條件的選擇對分析結(jié)果有哪些影響？該實驗選用什么溶液來調(diào)整儀器？

1.2 案例2

病從口入，大多數(shù)人很關(guān)心食物是否衛(wèi)生，往往忽視了食品包裝是否安全。隨著開學，學校周邊的小吃攤、快餐店熱鬧起來，一次性食品包裝，如紙碗、紙袋的使用頻率越來越高，約有近一半的店家用的是紙包裝。它會不會像“毒餐盒”一樣會污染食物？連日來，實驗室技術(shù)人員從4個城區(qū)5所大中小學校采集了10份食品包裝樣本，送檢，發(fā)現(xiàn)其中七成樣本含有可能使人致癌的熒光增白劑。根據(jù)一些制造者透露，一些經(jīng)營者多從批發(fā)市場上定制這種撐裝食品的紙袋、紙杯等一次性食品包裝材料，因為這種一次性的食品包裝材料比符合環(huán)保的可降解塑料餐盒成本要低不少。校門外很多小吃攤都用這種紙袋，同學們叫外賣也有不少是用紙碗、紙桶裝的食物，“不覺得有什么”，并提到說紙包裝很白，感覺更衛(wèi)生。采訪中，一些人認為一次性食品包裝是“越白越干凈”，隨后，我們將樣本送實驗室進行專業(yè)檢測。實驗人員分別將10份樣本，通過“熒光分光光度計”進行檢測，每份樣本選取不同紙面至少檢測2次，綜合分析得出實驗數(shù)據(jù)。

問題的提出：熒光分光光度儀與紫外分光光度儀有什么異同？熒光分光光度的基本原理是什么，該方法具有什么特點？

1.3 案例3

網(wǎng)絡(luò)近日曝，一些國產(chǎn)汽車車內(nèi)環(huán)境質(zhì)量不合格，多環(huán)芳烴含量超標。有關(guān)人員將幾款國產(chǎn)汽車的方向盤及頭枕材料截取后，交給第三方檢測機構(gòu)進行檢測，檢測報告顯示，送檢樣品中多環(huán)芳烴的含量嚴重超標，對人有較大致癌風險。

多環(huán)芳烴是強致癌物質(zhì)。衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)同學用氣相色譜法對市場上的汽車內(nèi)飾進行多環(huán)芳烴的檢測。

問題的提出：氣相色譜法（GC）的基本原理是什么？適用范圍是什么？氣相色譜法有什么特點？氣相色譜儀主要組成部件包括哪些？氣相色譜法與液相色譜法的異同？

1.4 案例4

某地一家庭食用當?shù)刭徺I的紅心甘蔗，之后吃了紅心甘蔗的家庭成員，前后出現(xiàn)了不同程度的惡心嘔吐、胸痛等癥狀。家人立即把他們送到最近的醫(yī)院。出現(xiàn)上述癥狀的成員很快出現(xiàn)肺水腫，血氧飽和度急速下降呼吸衰竭、生命體征不穩(wěn)等情況[4]。

每年的2-3月份，是變質(zhì)甘蔗中毒高峰期，按照常規(guī)，甘蔗是秋季成熟采摘，每年冬春季都是儲存過后的甘蔗。儲存得當，可以留住甘蔗中原有水分和口味，我們就可以正常食用。但如果運輸過程、儲存方式以及環(huán)境條件等不好，就可能導致霉菌生長，產(chǎn)生大量毒素。發(fā)霉的甘蔗上會有一種叫作節(jié)菱孢的霉菌，其在繁殖過程中產(chǎn)生毒力極強的物質(zhì)：3-硝基丙酸。3-硝基丙酸的測定常用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法。

問題的提出：高效液相色譜法和質(zhì)譜法的基本原理是什么？它們分別具有什么特點？高效液相色譜儀和質(zhì)譜儀的組成系統(tǒng)包括哪些，核心部件為哪一部分？高效液相色譜分離條件選擇的原則？高效液相色譜的應用？色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的特點有哪些？

1.5 案例5

近些年，膨化食品深受人們的喜愛，但膨化食品中防腐劑的含量令人擔憂，過量的食品添加劑對人體產(chǎn)生嚴重的危害，薯片和爆米花中防腐劑、糖精鈉和丙烯酰胺含量值得去探究，今年春學期，衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)的學生設(shè)計了利用高效液相色譜法測定薯片、爆米花中防腐劑、糖精鈉和丙烯含量的實驗方案。實驗步驟如下：

樣品采集：從天貓超市、京東商城、沃爾瑪超市、百貨商城等網(wǎng)購平臺或超市購買不同品牌、口味的薯片和爆米花。

樣品前處理：將薯片、爆米花利用破碎機粉碎，稱取粉碎的樣品2.5 g置于燒杯中，加入20 mL超純水，將燒杯放于磁力攪拌器上攪拌30min，然后轉(zhuǎn)移至離心管，以10000 r/min轉(zhuǎn)速離心15min，收集上清液于分液漏斗中，加入10 mL正己烷充分震蕩，靜置分層，收集下層水樣于離心管中，10000r/min轉(zhuǎn)速離心15min，將上清液收集于50mL容量瓶中，用超純水定容至刻度，待凈化用[5]。將上述已處理的樣品用SPE C18固相萃取小柱（100mg，1 mL）進行凈化。先用5mL甲醇和5mL超純水活化商業(yè)萃取小柱，接著加入5.0 mL上清液，用5 mL超純水淋洗，抽干后，用10 mL流動相乙腈-水（8:92，V:V）洗脫，收集洗脫液。用0.45m濾膜過濾至樣瓶中，供高效液相色譜儀檢測。色譜條件：色譜柱：（Agilent XDB-C18，250 mm × 4.6 mm，5 m）；柱溫：20 °C；流動相：乙腈-水（體積比 8：92）流速：0.9 mL/min；檢測波長：205 nm、235 nm和254 nm；進樣量：10L。

問題的提出：測定薯片、爆米花中的防腐劑、糖精鈉和丙烯酰胺選擇什么樣的色譜柱？測定時有什么注意事項？糖精鈉、丙烯酰胺對人體的危害？糖精鈉、丙烯酰胺常出現(xiàn)在什么食品中？

1.6 案例6

“水是生命之源”，水質(zhì)安全對我們健康生活極其重要，為此，暑期，帶領(lǐng)2019級衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)學生在保定市及周邊采集河流水、自來水及瓶裝水，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀檢測水樣中的金屬離子含量，評估水質(zhì)安全。

首先以小組為單位讓學生搜集資料，了解水樣的采集方法及注意事項，讓學生設(shè)計實驗方案，團隊合作去實地采集水樣，然后測定水樣。

樣品的采集：攜帶專業(yè)的采樣器械，采集保定市護城河、博野公園、不同品牌的純凈水、礦物質(zhì)瓶裝水等水樣。

樣品前處理：采集的水樣不用復雜的前處理，只需要過濾膜，然后將過完濾膜的水樣保存，留著待測。

樣品的測定：利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定水樣中的金屬離子。儀器參數(shù)：氬氣源的壓力：0.55-0.60 Mpa；輔助氣流量：0.5 L/min；射頻功率：1100 W；泵速：1.4 mL/min；測定次數(shù)：3 次。

問題的提出：采集水樣時，我們需要注意什么？如何保存采集的水樣？使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀有什么注意事項？

2 儀器分析案例教學的實施過程

2.1 案例的展示

近日，“老爸測評”網(wǎng)絡(luò)視頻揭露一款兒童霜“益芙靈多效特護抑菌霜”的激素嚴重超標，可導致兒童不健康的肥胖，毛發(fā)異常增多等癥狀引發(fā)業(yè)界對于“消字號”產(chǎn)品的重新關(guān)注。經(jīng)第三方持有資質(zhì)的檢驗公司檢測涉事產(chǎn)品“益芙靈多效特護抑菌霜”，結(jié)果表明含有氯倍他索丙酸酯。

2.2 設(shè)問

（1）如何測定化妝品中氯倍他索丙酸酯的含量？

（2）氯倍他索丙酸酯對人體的傷害？

（3）化妝品中添加氯倍他索丙酸酯有什么作用？

2.3 學生討論

學生以小組為單位對案例進行討論，學生可以利用網(wǎng)絡(luò)工具搜索相關(guān)資料，每組對討論結(jié)果進行匯總，派一名代表來闡述該組討論結(jié)果，該組闡述完討論結(jié)果，提出小組的疑惑，其他同學可以向該組提問，也可解答該組的疑惑。

2.4 教師解析與總結(jié)

學生通過討論得知化妝品中氯倍他索丙酸酯的測定方法為液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法。學生經(jīng)過查閱資料總結(jié)出該實驗原理是膏霜類化妝品用飽和氯化鈉溶液進行分散，經(jīng)商業(yè)固相萃取小柱凈化，再用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜測定。

氯倍他索丙酸酯是一種外用糖皮質(zhì)激素。中國中西醫(yī)結(jié)合學會-皮膚病專業(yè)委員會在2015年就發(fā)表過一份“專家共識”，指出氯倍他索丙酸酯屬于超強效級別，不應長期大面積應用；除非特別需要，也不應在面部、乳房等部位使用；盡量不用于12歲以下兒童。兒童長期大面積應用，有可能出現(xiàn)生長發(fā)育遲緩、致畸性及更嚴重的矮小癥等癥狀。濫用糖皮質(zhì)激素會有很多不良反應。因為激素的效果顯著，常被不法廠家違法添加到化妝品和消字號產(chǎn)品中，一些小品牌的功效護膚品兒童霜更是“激素”添加的重災區(qū)。

圖1：氯倍他索丙酸酯結(jié)構(gòu)示意圖

3 儀器分析案例教學效果總結(jié)

教學效果主要根據(jù)案例討論、問題提問及解答、課堂態(tài)度及積極性等內(nèi)容進行評價，通過問卷調(diào)查收集數(shù)據(jù)，儀器分析案例教學提高了學生的學習主動性（認可度高達95%），課堂氛圍與傳統(tǒng)授課方式相比明顯活躍，同學之間相互提問及解答，學生各抒己見，勇于探索與追求真理。選擇優(yōu)秀貼近生活的案例，可以將抽象、不連貫的理論知識具體化、形象化和生動化，將理論內(nèi)容與實驗內(nèi)容相連。讓學生對分光光度法、電化學法、色譜法的基礎(chǔ)有了更加深刻的理解，教學方式變得生動靈活，學生更加易于接受，同時，案例教學法調(diào)動了學生學習的主動性和積極性。學生從最初的傳統(tǒng)課堂上的沉默寡言，轉(zhuǎn)變?yōu)樵谡n堂上積極參與互動討論，課堂生動活潑充滿朝氣，大家踴躍積極發(fā)表自己的想法。當學生對同一問題持有不同的想法時，同學們就會進行相互交鋒和互動，從而激發(fā)了學生的追求真理的動力和創(chuàng)新性思維，提高學生總結(jié)知識的能力及綜合性、靈活性的運用知識的能力，提升了學生觀察問題、思考問題、綜合分析問題和團隊協(xié)作解決問題的能力，實現(xiàn)了從理論到實踐的轉(zhuǎn)化，更充分的提高了儀器分析課程的教學效果。儀器分析案例庫的構(gòu)建能夠為該課程提供更多的生動形象的實際案例素材，有利于學生對課程知識的理解掌握，提高學生學習興趣及教學效果。