地方新升本科院校儀器分析實驗課程教學現狀和改革*

廖 輝，劉 林，戴先芝，任朝琴

(阿壩師范學院資源與環境學院，四川 阿壩州 623002)

儀器分析實驗課程是高校理工科化學專業所必修的一門專業基礎課，是在無機化學、物理化學、分析化學、有機化學等基礎上，綜合應用學科知識進行儀器分析方法研究和操作技能訓練的課程。實際上農林、輕工、醫藥、生物、資源與環境、食品等相關專業均會開此課程，它是研究的是物質的組成與結構的一門“工具”。授課對象一般是大三學生，所涉及專業有化學、生物、醫學、食品、地理等。課程的開設目的主要是：一、使學生基本掌握目前國內外普遍應用的儀器分析的基本原理和方法；二、通過實驗訓練學生能正確使用常用分析儀器，科學地處理實驗數據。學生初步的分析問題和解決問題的能力；三、培養學生嚴謹細致，實事求是的科學態度。儀器分析實驗課程的學習對于化學和非化學專業的高校本科學生來說都是比較困難的。面對目前新升本科涉及培養方案和教學目標的轉變，特別是教學改革的當下，更具挑戰。在這樣的形式和我國教育變革時期，各高校都積極探索解決方案[1-15]，我校也在努力探索適合自己的教學改革之路。文章介紹了當下高校學生學習儀器分析實驗課程面臨的情況，后結合阿壩師范學院實際分析部分高校關于這門課程的教學改進方向。

1 學習儀器分析實驗所面臨的問題

1.1 學習儀器分析實驗的主觀問題

課程面向的是大三年級的學生，大三同學對無機化學、物理化學、分析化學、有機化學等學科知識的掌握參差不齊儀器分析實驗。儀器分析實驗與其他分析實驗，如無機化學實驗、分析化學實驗等還有一點不同的是，要求對計算機知識也要有一定的掌握。學生對理論知識的儲備是不夠的充分和完整的，這是化學專業和非化學專業都有的現象。阿壩師范學院在民族自治地區，來自貧困山區或民族自治區的同學較其他高校所占比例高，多數同學不會熟練使用計算機。學生僅會一些簡單的實驗操作，動手能力比較差。從無機化學實驗、分析化學實驗等基礎分析實驗突然轉變到儀器分析實驗，絕大多數同學都是陌生的，心理上的狀態就像從高中突然跨到大學。同時，儀器分析理論課如果沒有學懂，對實驗課程就難以引起興趣。有的同學甚至認為自己是師范學校的學生，這并不是教學專業課，不能引起重視。有部分同學認為實驗課程太難，不愿意動手。除了這些主觀原因，客觀上的問題也不可忽視。

1.2 學習儀器分析實驗的客觀問題

本身學科原理抽象難懂，實驗儀器更新換代快速，實驗技術革新快，學生學習困難客觀情況是：當下我校屬于新升本師范學校，化學專業2021年有第一批本科生。按《化學類專業教學質量國家標準》，人才培養方案確定儀器分析理論課程有4學分，對儀器分析實驗課程設置有1學分，加之儀器分析課程的知識體系，課程的內容前后銜接、層層遞進。但儀器分析實驗課程不同，各儀器之間功能特性差異很大，理論基礎也不同，知識結構呈多維性，很難在同一種教學模式下記憶練習，有限的課時完成既定的任務非常困難。目前大部分高校都存在，由于學生基數大、教師人才隊伍缺乏以致實驗室條件容納學習人數少，基本儀器設施不夠，缺乏熟練的實驗工作人員等原因，學生不能實驗訓練的現象。難以實現實驗教學過程中人手一套儀器操作的目標[1-15]。目前，我校儀器分析實驗需要學習紫外-可見分光光度計、紅外吸收光譜法、原子吸收光譜法、液相色譜法、氣相色譜法的實驗項目，但只有紫外-可見分光光度計可以實現每人都動手操作。相對于百人左右的專業，其他儀器是無法滿足每個人都操作，而且有的實驗一個項目從樣品前處理制備到測試結束需要8 h以上。若5人一組，以20組算，一次實驗課時4～8 h，課內學生完不成實驗。所以老師只能演示介紹這些儀器方法。高校實驗教學“做不到”“做不了”“做不上”的老大難問題，我們也是存在。一些高校不得不將實驗主要考核力度偏向于理論教學。陸游曾說“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，這樣學生“走馬觀花”，學生對實驗儀器的外形、結構沒有感性認識，實驗儀器的操作步驟和注意事項沒有切身認知。不能達成教學目的，教學效果也不良好。而最終的實驗考核成績沒有區分度。如果實驗報告或理論考查作為期末成績，這樣沒有動手完成實驗，學生也能寫出的實驗報告或答卷，這時教師的成績評定考核結果已經偏離了課程最初的教學目的。教師對考核后的成績分析，也就不能得出正確結論。儀器分析實驗，內容豐富，層次多，使得最終的課程成績很難被評定，部分高校采取了“實驗理論+實驗報告”的模式進行考核，或者“平時表現+實驗報告”。這樣的考核制度也不能提升學生的學習主動性，甚至影響學生后續的實驗課程學習，認為背背書或者報告寫漂亮就能拿好成績，帶給學生此課程學習的負面導向。隨著教改政策推行，各高校積極地從以下幾個方面做出改進，努力尋求解決方案。

2 儀器分析實驗教學改進策略

2.1 做好學情分析，調動學生興趣

通過以上分析我們知道，要想教學效果好，首先要體現教學中學生的主體地位。什么意思呢？換句話講就是要想辦法激發調動學生的學習興趣，將被動學習變為主動學習。根據不同專業的具體情況，可以調節自己的授課導入內容和形式。了解學生感興趣的地方，提前以提問方式，或布置項目任務的形式，以問代講，引導學生主動預習實驗內容，提前學習儲備自己在實驗課上用到的理論知識。授課教師需要有充足的準備，對學生知己知彼。設計實驗教案時充分了解授課對象特點，制定策略。

2.2 實驗內容的適用性、適宜性及層次性

在有限的課時內，掌握基本的儀器使用操作技能，同時還需要培養學生的創新能力，這就要求教師對于實驗教學內容，同類型的實驗不重復，對不同的分析儀器采用不同教學形式，教學改革的目標就在于為學生提供更貼近實際需求的特質化的教學內容和效率更高的教學模式。根據學生的專業特點和實際需求設計不同的實驗內容，比如學習原子吸收法生物專業的同學可以選擇測定土壤中重金屬，食品專業的同學選擇測蔬菜瓜果中重金屬，化學專業的同學可以選擇測藥品中重金屬。

2.3 利用現代化教學方法采用多種教學方式

采用線上線下相結合的混合式教學模式。比如，北京師范大學自主研發移動學習APP， 先通過線上看視屏學習理論和操作演示，線下練習[8]。新疆大學研究生的課程以課題需求為導向的課程教學，學生根據自身課題需求選修，選修項目為4～ 6項[7]。但我校本科生目前很少有自己的項目，還在基礎學習階段。南開大學通過在線課程拓展實驗課程學習的時空域，采取2個辦法：(1)線上視頻直播授課。(2)錄制教學視頻。錄制的教學視頻放在學校的網站和公共慕課平臺上，以便學生隨時觀看學習[6]。中國科學技術大學線上教學部分有四個班級同時開設實驗，每周完成一個實驗項目，即由一名教師分別對每個班級開設直播課堂，采取小班教學、互動課堂的方式。后期學生到實驗室補做了真實實驗。由于課時的限制，課程組采取每個下午開設兩組實驗課，要求所有學生實驗，以小循環的方式開展實驗[14]。總結各高校主要改革采取模式：直播課或MOOC+自測+虛擬仿真實驗+實驗報告→進入真實實驗，受儀器數量限制部分高校不能開展這一步+實驗報告。結合我校目前實驗硬件限制主要采用直播課或MOOC+自測+虛擬仿真實驗+實驗報告模式。課前先在學習通上對本次實驗主要知識點和關鍵步驟發起提問，學生先帶著問題線上自學，自學完后進行自測，這些都需要課外完成。教學視頻上線延伸了學生學習的時域。學生可以自主安排自己的學習時間。學生可以通過視頻學習，可以初步了解儀器構造和實驗操作。然后進行虛擬仿真練習，自學和練習過程以小組形式討論，老師可以線上答疑。教學時間上，除了課表上安排的教學時間外，可以學習南開大學策略設置了一個開放期，比如在一個規定的學期內，學生可以預約實驗時間，完成選定的實驗。在學習分組的方面，學生可根據自身需求的一致性，自由組合[6]。總之，依據學科前沿動態與社會發展需求動態更新教學方式，比如學習使用紫外-可見分光光度計用案例法教學，可以MOOC+自測+虛擬仿真實驗+實驗報告→進入真實實驗+報告來上課，學習原子吸收光譜儀可以項目化教學法或信息化教學法，可以MOOC+自測+虛擬仿真實驗+實驗報告。信息化教學法也有多種形式，比如慕課視頻、直接錄播教學視頻、采用虛擬仿真軟件教學等。去更好契合課程目標。

2.4 做好課程考核和教學反思

完善原有評價方案，從多方面對學生進行綜合評價。對于學生而言，除實驗課以外，也要花大量的時間完成各種測試、視頻的學習，以及虛擬實驗、調研、討論等工作。對于實驗的流程、思路和方法修正都有非常清晰的認識。這些過程也可以作為課程成績的考核指標，我校儀器分析實驗課程通過學習通提前發布學習視頻和資料，并在上面提出問題和討論組，問題發布有個人回答部分，也有小組討論話題，并且可以評分；在自測題環節評分，虛擬仿真練習環節系統評分，最后實驗報告，和實操練習環節教師都會評分。如此，每個學生學習過程細節老師都能直觀跟進了解和給與評分，考核相對比較到位，也能促進學生學習。這樣極大地豐富了教學資源，包括各種圖片、視頻、動畫、微課、虛擬資源等等。在此背景下，作者認為教學不僅僅限于訓練學生操作儀器的技能，而是更進一步引導，培養他們解決問題的思路，教學過程中循循善誘，通過設置系列問題，比如每個實驗都需回答“為什么要這樣設計實驗”？“這樣設計有什么好處”？ “如果結果不理想怎么辦”？讓學生學會思考，養成科學思維。課程總結和反思是教師逐步改進和自我經驗總結必不可少的工作。

2.5 有效管理和開放共享

良好的實驗管理和實驗人員是上好實驗課程有力保障。存在儀器一旦需要維修需要聯系設備管理處，但是層層程序下來，維修周期很長。張貼醒目的注意事項，羅列學生常見的使用問題，避免一些不必要的錯誤而影響正常使用。注重大型儀器的日常維護，降低儀器損壞頻率。節假日及寒暑假前后，對儀器進行檢查保養。加強儀器管理人員隊伍建設。定期邀請儀器公司的人來為實驗平臺人員做儀器使用、維護方面的培訓，鼓勵實驗平臺人員積極參加學術會議、儀器培訓會等相關的技術交流活動。實驗技術人員或授課老師沒有太多機會去參加儀器培訓，眼界不夠開闊，在長期的儀器管理中就會和其他優秀的實驗平臺差距拉大。相關人員多去兄弟院校或優秀的分析測試平臺去取經學習，儀器更新換代比較快，只有老師滿桶水才能游刃有余的去澆灌給學生。老師要不斷拓展自身知識和能力邊界，老師是天空，學生才能成為雄鷹。

3 結 語

實驗教學的改革迫切需要數字化的網絡資源作補充，迫切需要“以虛補實”推進實驗教學改革。我校資源與環境學院分別由化學、生物科學和地理科學3個實踐性很強的本科專業組建而成，實驗和實踐貫穿整個教學過程。隨著學生規模的日益擴大，迫切需要“以虛補實”的實驗教學模式來推進教學改革和創新。學院已廣泛開展了MOOC教學、學習通、融智云考平臺虛擬仿真結合，線上線下相融合對儀器分析實驗教學改革。當然，也有亟待解決的問題：理工類專業人才培養離不開實驗教學，實驗教學是離不了動手實驗操作的體驗感。虛擬仿真教學的應用雖解決了上述的諸多問題，但在學生實際操作能力的扎實培養方面仍很難實現，，缺乏生動性。特別是難以實現真實場景中的手、眼、腦協同，因此必須堅持能實不虛，加強虛實結合環節。對實驗學習效果的評價任然不完美。受制于成本的因素，項目的仿真度達成和質量控制也將受到影響。但還是應加強虛擬仿真一流課程建設和開放共享來順應實際需求。