儀器分析實驗創新教學模式探討
——以紅外吸收光譜為例?

王 健, 謝松志, 謝貞建, 李小紅, 周 闖, 肖龍泉, 張 崟

(成都大學食品與生物工程學院, 四川 成都 610106)

儀器分析實驗是現在高校食品、 化學、 材料、 生物、 藥學等專業的一門基礎課程, 整門實驗課以氣相色譜、 液相色譜、紅外吸收光譜等儀器實驗為主, 主要是讓學生熟悉不同儀器的測試原理以及測試方法, 進一步掌握各種儀器分析方法的應用范圍和主要分析對象[1-2]。 旨在通過本門課的學習能夠讓同學們掌握各種分析儀器的基本參數、 操作方法和實驗數據的處理方法, 能夠獨立完成對實驗結果的分析, 培養學生嚴謹的科學作風、 良好的實驗素養和求實的科研精神, 能夠利用所學知識解決生活中的實際問題。 現在傳統的儀器分析實驗課教學存在例如知識點偏難、 可使用設備偏少和教學時間偏短等問題造成有些同學對知識點的掌握不完全, 從而不能實現好的教學效果[3]。 現在新的人才培養計劃和 “卓越計劃” 對實驗課的教學提出了更高的要求, 并且當前依然嚴峻的疫情防控形勢促使實驗課的教學模式必須實現線上線下混合教學創新。 所以本文以儀器分析實驗課中一門重要的實驗課-苯甲酸紅外光譜的測定和解析為例, 分析了傳統實驗課教學存在的不足和困難, 并且針對性地探討了儀器分析實驗教學的新教學模式, 旨在更好地完成該門實驗課的教學, 增強對學生綜合能力與創新能力的培養, 能夠利用所學的實驗知識解決生活與工作中的實際問題[4]。

1 傳統儀器分析實驗課存在的主要問題和困難

1.1 實驗課偏難, 教學時間短

儀器分析實驗課是在儀器分析理論課授課完過后進行的實驗課程, 通常來說同學們應當對理論知識有了一定的了解。 但儀器分析理論課的教學以基礎知識為主, 而儀器分析實驗課由于涉及到儀器的實際操作和結果處理、 分析, 所以介紹的知識偏難一點。 以苯甲酸紅外光譜的測定和解析為例, 儀器分析理論課主要只是簡單介紹了紅外吸收光譜的原理、 測試方法和應用, 而對用紅外吸收光譜分析和推斷化合物存在的官能團以及具體結構的判斷并沒有做太高的要求。 而在實驗課當中, 就要求同學們利用紅外吸收光譜所學的知識來判斷自己所做的譜圖有沒有苯甲酸的特征吸收峰, 從而推斷所做的實驗是否成功。除了對所做樣品進行紅外結構的判斷, 該實驗的另外一個難點是在樣品的干燥、 研磨和壓片樣的制備, 如果以上環節稍微出一點差錯, 就會導致得不到苯甲酸的特征吸收峰和出現一些雜峰, 從而造成實驗的失敗。

此外, 儀器分析實驗課每門實驗課的學時是4 個學時, 要讓同學們在這4 個學時里面深入地掌握理論知識以及實驗操作的要點, 時間顯然是非常緊張的。 在實際教學經驗方面, 很多同學在課堂上對以前儀器分析所學的理論課知識掌握的不是很扎實, 所以需要花很多時間對理論知識進行回顧和深入, 這樣的話就會造成時間的嚴重不足。 對該實驗課提前認真做好實驗預習的同學可能沒有問題, 但課前沒有熟悉該實驗課內容或者基礎知識薄弱的同學就跟不上授課和實驗進度, 導致不能掌握該節實驗課的知識。

1.2 實驗設備不足, 儀器更新滯后

開設儀器分析實驗課的目的是讓同學們掌握各種分析儀器的操作方法來處理實驗數據和分析實驗結果。 所以要有好的教學效果, 就必須讓同學們親自來操作使用機器并且全程參與整個實驗過程。 但實際上, 由于大型儀器例如紅外光譜儀、 氣相色譜和液相色譜等的價格都比較昂貴, 一般整個實驗室只有一臺儀器, 因此做實驗時只能分組進行。 在苯甲酸紅外光譜的測定和解析這個實驗中, 小組中一些對紅外知識掌握不好的同學和學習態度不端正的就可能變為旁觀者甚至渾水摸魚, 全程不參與紅外壓片樣品的制備和測試, 做完實驗下來借鑒其他同學的苯甲酸的紅外分析數據來交差, 完全沒有掌握到苯甲酸的紅外特征峰和紅外吸收光譜的原理等知識。 還有存在的問題就是現在大型精密儀器的發展速度也很快, 儀器測試的精度和速度也不斷提高。 但是由于實驗設備比較昂貴和實驗場地受限, 大型精密儀器更新換代的速度比較慢, 從而導致同學們不能學習到最前沿的儀器分析技術。 另外儀器設備的陳舊老化會導致機器在分析處理數據時速度和反應較慢、 出現系統誤差和測試效果不理想等問題, 導致學生做實驗的體驗度較差, 嚴重影響到實驗課的教學質量。

1.3 教學手段單一, 課程內容稍顯枯燥

現代儀器分析實驗課的教學的普遍手段是教師利用板書或者多媒體課件對該節實驗課內容進行一個簡單的講述, 然后親自在機器上操作示范給學生展示, 最后學生分組操作來完成實驗。 這種單一的教學手段在特殊情況發生時不能做到 “停課不停學”, 去年疫情的影響對傳統的教學模式產生了較大的沖擊,該教學模式不能適應新的教學要求, 必須進行創新。

另外還存在的缺點就是學生只是單純的接觸理論知識, 核心內容的授課還存在一定的局限性。 以苯甲酸紅外光譜的測定和解析為例, 課程涉及到的紅外光譜儀的內部結構以及工作原理等內容有一定的抽象性, 學生對儀器缺乏更直觀更感性的認識, 導致有些學生不能完全掌握該節課的核心內容, 再加上實驗課內容稍顯枯燥, 課程難度大, 最終導致力不從心, 不是抱著一個積極的態度來做實驗, 而是簡單地去應付這個實驗, 從而達不到一個良好的教學效果。 實驗課需要同學們在實驗操作過程中不斷思考和領悟來完成整個實驗, 所以豐富教學手段,提升同學們對實驗課的興趣就顯得異常重要。

2 儀器分析實驗新教學模式探討創新教學新模式探討

為了解決傳統儀器分析實驗課教學模式存在的問題, 跟上現在適應疫情防控常態化的教學要求, 本文探討了儀器分析實驗課的新教學模式, 具體如下:

2.1 豐富實驗教學的手段

要使同學們對枯燥的實驗課內容感興趣, 就要豐富教學手段, 而不是簡簡單單地在實驗室里進行授課。 首先可以提前錄制和準備好教學操作視頻和儀器工作原理動畫, 結合好超星、智慧樹等網絡平臺的圖書和視頻等公共資源, 讓同學們在上課之前認真觀看學習, 達到一個好的預習效果。 例如具體了解傅里葉紅外光譜儀的工作原理, 從而對紅外吸收光譜圖是怎么得到的有一個更加形象直觀的了解。 通過觀看教學操作視頻, 了解紅外樣品(苯甲酸和溴化鉀)的添加比例以及在壓片制備中的注意事項, 通過書本知識和視頻講解著重強調苯甲酸在紅外吸收光譜中的特征吸收峰, 為課堂上的實際操作和結果分析打下堅實的基礎。

2.2 利用虛擬仿真輔助實現線上線下混合教學

去年年初的疫情給傳統實驗課的教學方式帶來了很大的沖擊, 在網上由于無法實現實驗課的教學, 從而對學院的教學進度產生很大的影響。 而虛擬仿真實驗就可以解決這個問題, 虛擬仿真實驗教學是現在高等教育實驗教學示范中心建設的重要內容[5-6]。 虛擬仿真實驗因其直觀、 高效及方便等特性, 可以彌補實驗教學項目受場地、 規模、 安全等因素制約的缺點, 給實驗教學模式帶來了新的發展方向[4-7]。 所以建立 “虛實結合” 實驗教學模式, 是當前實驗教學發展的方向之一。 而現在虛擬仿真平臺收納了大部分儀器分析實驗, 包括氣相、 液相和紅外吸收光譜等。 通過對儀器分析實驗開展虛擬仿真, 可以解決在實際教學中儀器不足的缺點, 在苯甲酸紅外光譜的測定和解析這個實驗當中, 可以讓每一名同學都全程參與苯甲酸壓片樣品的制備和苯甲酸樣品的紅外譜圖解析, 培養學生獨立解決問題以及思維創新的能力。 虛擬仿真實驗突破了傳統實驗在操作過程中時間、 空間和實驗次數的限制, 學生可以隨時隨地聯網在虛擬環境中開展儀器分析實驗, 包括課前預習和課后復習, 加強了學生自主學習的能力, 有效地鞏固了所學的知識。另外, 虛擬仿真特有的學習模式和考核模式也為儀器分析的教學如虎添翼[4,6]。

2.3 多元化的考核方式

現在實驗課常規的考核方式是實驗報告考核和期末卷面考試, 其中實驗報告包括預習報告和課后的結果分析報告, 包含實驗目的、 實驗原理、 實驗步驟、 實驗結果分析、 思考題和心得體會等。 雖然考核方式已經很完善, 但并不能完全反應同學們對實驗知識的掌握和對整個實驗操作的熟悉程度。 對實驗操作的線下考試由于儀器和場地的限制并不能很好地實行, 因此可以借助虛擬仿真平臺實現一個線上的模擬考核, 可以更好地檢驗同學們在實驗過程中的操作規范程度、 重要操作步驟的準確性以及對實驗結果的分析判斷。 這樣多元化的考核方式不僅可以更好地評判同學們對儀器設備的掌握和應用的能力, 也能加強學生對實驗操作的印象, 能夠更好地做到以后在實際生活中的應用[6]。

2.4 課程中實現課程思政

現在一門優秀的課程不僅要培養學生良好的專業知識, 更要培養學生優良的品德素質, 而要達到這個培養目的需加強思政的引入, 實現儀器分析實驗課的課程思政。 首先是向有豐富教學經驗的老師學習, 改進完成由思政引領的《儀器分析實驗》教學大綱的制定, 確定出各個實驗的理論教學模式; 在學習通或QQ 群等平臺發布問卷, 實時分析學生們反饋的意見, 查漏補缺, 改進教學方法[8]。 在講解的過程中注意啟發學生的思維, 培養學生的創新精神和愛國情懷。 以紅外吸收光譜法為例, 我會讓同學們反思為什么現在常用的傅里葉紅外光譜儀可以取代以前單純的紅外分光光度計和光柵型紅外光譜儀, 為什么傅里葉紅外光譜儀有更高的分辨率、 更快的掃描速率和更高的波數準確度。 通過以上講解發散學生的創新思維能力。 同時強調現在市場上常見的紅外光譜儀都是由國外所生產, 中國在這方面的缺點是什么, 引發同學們的思考, 激發同學們的奮斗精神和愛國情懷。 要實現課程思政, 我們老師就要緊跟新時代教育的步伐, 努力接受新理論、 新思想, 把實現中華民族偉大復興的中國夢的教育貫穿在課堂中[9]。

3 結 語

儀器分析實驗是大學教育的一門基礎實驗課程, 它能夠為學生在以后專業課的學習和科學研究工作打下堅實的基礎。 所以我們老師在授課的時候也應該與時俱進, 做好 “教書與育人” 齊頭并進, 利用好線上線下的教學資源, 采取更加豐富的教學手段, 利用創新教學模式來培養學生的上課興趣以及做實驗積極性, 有效地擴展實驗內容的趣味性, 提升教學質量, 并且將 “課程思政” 與儀器分析實驗知識相結合, 幫助學生樹立科學的價值觀和人生觀, 將來學以致用, 報效祖國。