面向高水平化學化工人才培養的現代儀器分析課程的教學改革探討

李迎春　楊嬌

［摘 要］現代儀器分析是化學化工專業的一門重要課程，具有重要的實踐性和應用性。通過這門課程的學習，學生可以掌握各種現代儀器的原理、特點和操作技能，為日后從事化學研究和實驗工作打下堅實的基礎。隨著化學技術的不斷發展和普及，對現代儀器分析課程進行與時俱進的教學改革十分必要。文章通過對該門課程的教學思想、教學內容、教學方法、評價體系等方面進行分析和研究，結合實際教學工作中的經驗和體會，提出了一系列教學改革的建議，旨在推動現代儀器分析課程教學質量和水平的提高。

［關鍵詞］化學化工專業；人才培養；現代儀器分析；實驗課程；教學改革

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）20-0026-04

現代儀器分析課程是化學及相關學科重要的理論和實驗課程之一，也是化學專業學生學習化學實驗和儀器操作的重要途徑。其教學目標包括：使學生掌握儀器分析的基本概念和專業知識；提升學生使用各種儀器進行定量和定性分析的能力；使學生掌握常用的儀器操作技能，并具備儀器故障排除和維修的基本能力；培養學生的創新思維和解決問題的實踐能力。

隨著化學專業的發展和社會對化學人才需求的不斷增加，現代儀器分析課程的教學改革顯得日益重要[1]。教學改革的目的是不斷適應社會的發展和學生的需求，切實提高教學質量和水平[2]。針對現代儀器分析課程的實際情況和存在的問題，本文從教學思想、教學內容、教學方法、評價體系四個方面來闡述現代儀器分析課程的教學改革，并結合筆者多年的教學經驗和體會，提出具體的建議。

一、教學思想的改革

針對當前教學中的一些問題，教學思想應該更加注重實際，突出實踐教學，引導學生從實踐中理解和掌握知識[3]。現代儀器分析課程以往的教學重點大多是理論知識，忽略了實踐能力的培養，而其教學目標應是培養學生的動手實踐能力、從事化學研究和實驗工作所需要的基本知識和技能[4]，同時培養學生的靈活思維能力、創新意識、團隊合作精神、責任心和職業道德等綜合素質。因此，應采取一種能夠將理論知識和實踐操作相結合的教學方法，并將實踐教學作為教學的主線，使學生在教學中不僅能掌握理論知識，還能靈活運用儀器進行實驗操作[5]。同時，應注重把最新科研成果和前沿技術融入課程，鼓勵學生關注熱點問題和發展方向。

二、教學內容的改革

現代儀器分析課程的教學內容包括儀器基本原理和分類；常用儀器操作技能的培訓；分析方法及其操作步驟、實驗操作中應注意的問題和常見儀器故障排除及維修，其中光譜儀器（吸收光譜、發射光譜、散射光譜等）、色譜儀器、電化學儀器、傳感器等多種儀器的原理、核心組件及其應用是重點。課程主要的教學形式有理論教學、實驗室現場教學、案例分析和論文研讀等。針對培養高水平化學化工專業研究生這一目標，教學內容總體更應該以創新為主線，突出科學性和實用性[6]。教師在教學中，不僅要注重教學內容的豐富性和多樣性，也要重視動手實踐能力的培養。教學內容的改革包括加強學生對新技術、新儀器的概念和應用以及儀器原理的深入理解，幫助學生掌握儀器操作的實質，為實踐操作提供更好的理論基礎。在實驗教學中，通過引導學生獨立思考和自主操作，培養學生追求真理、創新思維和解決問題的能力。筆者在具體教學實踐過程中，有以下幾方面的體會。

（一）增加實驗設計環節

學生應該將實驗操作與實驗設計相結合，既要注重實驗操作的技術性，也要注重實驗設計的科學性和可行性，通過實驗設計培養學生的科學研究能力和實際操作能力。在具體的教學中，引導學生從當前社會相關的實際問題出發，采用所學的理論和實驗知識，選取合適的儀器分析工具，解決相應的問題。譬如引入生物傳感器的內容，指導學生查閱文獻，針對病毒的抗原檢測和核酸檢測，分別設計不同的識別手段，并進一步設計電化學、熒光等不同的方法作為信號輸出的手段。在此過程中，學生對于已學知識的理解和應用上了一個新臺階，同時使解決問題和獨立思考的能力都得到了很好的訓練。

（二）探索綜合性實驗

對于不同的學生，實驗難度應有梯度，以鍛煉學生的操作和思考能力。在實驗教學環節后期，可以安排綜合性實驗內容，即引入項目式教學。在現代儀器分析的項目式實驗教學環節，只給學生提出大致的實驗方向和題目，以及規定需要涉及的儀器，而具體的實驗方法、實驗操作、數據分析處理和結果討論等部分都要由學生自主完成。盡管該綜合性實驗有一定的難度，但是在完成之后，學生的實驗設計能力、獨立思考能力、發現問題并解決問題的能力都有了很大的提升，學生對于儀器的原理和操作以及分析方法本身涉及的理論和實踐知識，都有了更高層面的理解與掌握。

以下是幾個項目式綜合性實驗的題目，以供參考。

1.基于光譜分析的化學品鑒別實驗。該實驗旨在通過光譜分析技術，鑒別不同化學品的成分和結構。所采用的光譜分析法包含紫外—可見吸收光譜法、紅外吸收光譜法等，樣品包括固體或者液體樣品。

2.基于質譜分析的生物分子檢測實驗。該實驗旨在通過質譜分析技術，檢測不同生物分子的成分和結構。

3.基于色譜分析的化學物質檢測實驗。該實驗旨在通過氣相色譜或者液相色譜技術，采用內標法或者外標法，完成不同物質的含量檢測。供選擇的綜合性實驗題目如：氣相色譜內標法分析白酒中的雜質、液相色譜法分析復方阿司匹林片中的主要有效成分。

在具體的實驗過程中，首先要求學生查閱文獻和工具書（如《中華人民共和國藥典》），自行設計全部實驗流程，并編寫出完整的實驗方案，其中需要包含實驗目的、實驗原理、實驗內容和方法、數據處理方法等。學生做了充足的準備，并購置了相應的試劑耗材之后，依據自行設計的實驗方案進行操作。學生在實驗過程中不可避免地會遇到方方面面的問題，如復雜樣本的前處理方法選擇不當、色譜條件無法實現復雜成分的分離等，但在教師的指導和自己的努力下，最終大部分實驗都得以順利完成。學生在按照標準的分析化學要求完成全套方法學的建立和驗證工作，并完成了實際樣品的分析檢測和數據處理之后，其自行完成一個完整的項目帶來的收獲和喜悅是不言而喻的。因此，在條件許可的情況下，盡可能以綜合性項目式實驗的方式來完成現代儀器分析課程的研究生教學，對增強學生的實踐能力和創新意識大有裨益。

（三）開設新課程和新實驗

當前在現代儀器分析領域，新技術和新方法不斷涌現，這些新技術新方法也應該在課程安排中有所體現。這就要求教師自身能夠不斷與時俱進，注意自身知識儲備的不斷擴容，保持專業先進性，同時激發學生的學習興趣，加深學生對本專業發展方向的理解。筆者在哈爾濱工業大學深圳校區的幫助下，與相關的儀器設備制造企業、研究機構等開展合作、共享資源，使學生對先進的分析儀器有更為直觀的感受和體驗。筆者還組織學生在本校的材料、化學、生物等公共平臺進行見習，使學生可以直接接觸到掃描電鏡、透射電鏡、拉曼光譜儀、高分辨質譜儀等大型儀器，增長了見識，并加深了對課程內容的理解和鞏固。在人工智能技術蓬勃發展并已滲透到日常生活方方面面的背景下，筆者設計了以下課程內容的改革，以供參考。

1.人工智能在儀器分析中的應用。介紹人工智能（包括機器學習、深度學習、神經網絡等技術）在儀器分析中的應用。

2.基于圖像識別的化學品檢測實驗。該實驗可以讓學生通過圖像識別技術檢測化學品的成分和結構，提高化學品的檢測效率和準確度。如筆者設計的“可視化陣列傳感器的構建及其對環境中多種污染物的檢測”實驗。在該實驗中，學生要利用不同的化學染料對于多種目標檢測物質有響應且響應信號的強度具有一定差異性的特點，構建比色陣列傳感器，并在采集了不同種類、不同濃度的標準物質的響應信號之后，進一步利用主成分分析等數據處理方式進行分析，最終給出實際樣本中多種組分的濃度區間范圍。而對于這些比色信號，除了可以直接采集對應的數據值（如灰度值、RGB值等），還可以通過某些色彩識別軟件來提取響應信號，進一步計算出目標物質的含量。

3.基于數據挖掘的分析實驗和人工智能輔助的儀器維護實驗。目前這兩項實驗并未實際開設，而是通過原理講解和示例演示的方式，讓學生了解如何通過數據挖掘技術挖掘儀器分析所產生的大量數據，深入了解數據之間的關系和規律，同時讓學生了解到如何通過人工智能技術對儀器進行維護和故障排除，提高儀器的穩定性和可靠性。

以上新的內容和實驗的引入，可以讓學生更好地了解和掌握現代儀器分析技術，從而適應人工智能時代的發展。

（四）融入思政元素

現代儀器分析課程作為一門技術性較強的課程，不僅要求學生掌握專業技能，還要求學生有高尚的思想道德素質和社會責任感。因此，在現代儀器分析課程中融入思政元素，一方面可以在密集的自然科學知識講授過程中將其作為課程內容的調節，另一方面可以激發學生對于課程學習的主動性和學習動力，使他們對專業產生強烈的自豪感，從而提高學生的綜合素質，為其未來的職業生涯和社會發展做出積極貢獻[7-8]。

1.引導學生樹立正確的人生觀和價值觀。讓學生了解儀器分析在實際工作中的應用情況，通過實驗操作感受知識的實用性，從而認識到自己所學的知識對社會的貢獻和價值；簡要介紹儀器分析技術的發展歷程和現狀，引導學生了解科技創新的重要性；注重強調專業知識對社會的影響和責任，培養學生的社會責任感和使命感。

2.強化學生的法律意識和職業道德。首先，讓學生了解在儀器分析工作中需要遵守的行為規范，如《中華人民共和國實驗室質量管理規范》等，強化學生的法律意識。其次，讓學生了解儀器分析工作的重要性和影響，從而樹立誠信、責任、敬業等職業道德觀念。最后，在教學中要強調儀器分析的標準化操作和數據處理，培養學生嚴謹的科學態度和職業操守，增強學生的自律性和責任感。

3.引導學生關注國家和社會發展。在教學過程中，給學生介紹我國在先進儀器設計和制造方面尚存在的不足，相當多的“卡脖子”關鍵技術受到西方發達國家的封鎖和打壓，這在激發學生的學習主動性、培養學生為祖國的繁榮富強而加油努力的愛國主義情懷方面有著十分積極的作用。另外，可讓學生了解科技創新對國家和社會的貢獻，例如在教學中講解現代儀器分析技術在環境保護和食品安全等領域的應用，引導學生關注社會熱點問題，培養學生的社會責任感和創新意識。

4.加強學生的團隊合作精神和領導能力。現代儀器分析課程可以培養學生的團隊合作精神和領導能力。例如，在項目式教學中，引導學生通過小組協作模式開展實驗設計和數據處理，培養學生的團隊協作和領導能力，提高學生的綜合素質。

三、教學方法的改革

傳統的教學方法注重“傳道授業”，缺乏互動性和探究性。學生在教學中只是接受知識，而不能很好地將理論知識與實踐操作相結合，缺乏對實驗操作的深入理解[9]。教學方法的改革應該以探究式教學為主線，注重實踐教學、學生參與和問題解決[10]。教師要引導學生在課堂上積極參與，幫助學生理解和掌握實驗操作的精髓。在探究式教學中，教師應該扮演的角色是學生成長的導師，不斷引導學生思考和實踐，開發學生的智慧和創造能力。

在理論和實驗教學中，都要貫徹探究式教學方法。具體來說，在講述重要儀器的工作原理時，教師并非單方面地講解輸出，而是在學生已有的化學、光學、物理等理論知識的基礎上，做好知識點的衍生、知識面的擴展以及理論知識在儀器層面的具體體現和應用。注重強調學生自學和互助學習的重要性，引導學生將知識進行貫穿和串聯，要求學生在課下做好總結和歸納，并深層次理解不同儀器背后原理的共通性和差異點。而在實驗教學中，在每一次的實驗項目開展之前，教師都會提出若干問題要求學生回答，一方面考查學生是否主動進行了預習，另一方面也引導學生對實驗的頂層設計和目標有明確的認識和深層次的理解。另外，應鼓勵學生多提問題，通過學生自主思考、同學間討論和教師指導的方式，對問題進行積極的探究和解決。

四、評價體系的改革

評價體系應該以品德素質、知識技能和能力水平為主線，采用多元化方式，既注意基礎知識的掌握，也注意實際應用能力和操作技能的綜合考查[11]。在現代儀器分析這門課程中，測試和考試依然是評價的主要方式。為了對學生的能力和知識技能水平進行全面評估和反饋，達到以考促學的目的，在重要的章節結束之后，應當安排及時的測試，題目以開放式的實驗設計為主，力求覆蓋所學知識的核心要點，鍛煉學生靈活應用知識的能力。在實驗教學中，考評成績包含課前預習、課中問答、實驗操作、數據記錄和處理、實驗報告等多方面的內容。在最后的期末考試中，也有相當一部分的以綜合性問題為導向的題目，以促進學生更好地掌握和理解理論知識和實踐技能。

五、結語

現代儀器分析課程的教學改革需要緊跟時代的需求和前沿技術的變化，通過科學合理的教學思想、教學內容、教學方法和評價體系的改革，全面提高化學化工專業學生的實踐操作能力、解決問題的能力和綜合素質水平，使其能夠符合新時代高等化學教育人才培養的標準，為當前社會和經濟發展做出貢獻。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 呂燕. 新形勢下研究生現代儀器分析實驗課程改革[J]. 大學化學， 2022，37（4）：15-19.

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[3］ 馬達，朱勇，張宇，等. 新工科背景下《現代儀器分析》課程教學改革與實踐：以暨南大學為例[J]. 包裝工程， 2021，42（S1）：202-205.

[4］ 王廣利，張強斌，師生寶，等. 儀器分析課程教學實踐與改革[J]. 大學教育， 2019（2）：74-76.

[5］ 李維杰，劉寶林，王欣. “探究—參與式”教學模式在現代儀器分析教學中的應用[J].教育現代化， 2016，3（36）：169-170.

[6］ 姚軍.《現代儀器分析》教學創新體系在研究生教學中的研究與實踐[J]. 廣州化工， 2022，50（12）：216-218.

[7］ 李辰，熊壯，徐學濤. 課程思政融入本科院校專業課的思考與實踐：以“現代儀器分析”課程為例[J].教育教學論壇， 2023（4）：40-44.

[8] 葛濤，范君. “現代儀器分析技術”課程思政的探索與實踐[J]. 廣州化工， 2022，50（15）：198-199.

[9] 郭群群，杜桂彩，隋曉，等.“現代儀器分析”課程多元組合線上教學方式探究[J]. 工業和信息化教育， 2022（6）：69-72.

[10］ 常晶，李毓，王雨菲，等. 現代儀器分析課程“參與式”教學方式改革探討[J]. 科技視界， 2021（30）：97-98.

[11］ 崔建蘭，王立敏，馬雪梅. 構建基于成果導向的考核評價體系：以《現代儀器分析》課程為例[J]. 廣東化工， 2019，46（2）：209-210.

［責任編輯：鐘 嵐］