“現代儀器分析”教學創新體系在本科教學中的實踐

司曉晶，馮華峰，韓梅，宮霞

上海商學院（上海 200235）

“現代儀器分析”是培育新工科背景復合人才的重點課程，重點講述光譜、色譜、電化學分析法等多類儀器分析，并包括儀器結構、基本原理、分析方法技能及統計等基礎知識，具有經典的多學科知識交叉及跨學科應用領域融合的特點，而且由于各類先進儀器設備科學技術發展，使該教材具有鮮明的先進性和發展，但內容仍亟待改進。而在傳統教學模式下，該教材中的課堂教學大多采用簡單的上課講解教學形式[1]。但由于專業課內容龐雜，且各儀器設備間聯絡不夠密切，所以教師常常需在限定的學時內講授較多教學內容，因而造成學習者被動接受知識，學習負擔較重。加之傳統儀器的基礎理論知識抽象，而儀器構造繁雜，所以學習者常常對儀器構造及基本原理缺少感性認識，且了解不透徹，理論知識也不易內化，因而造成其興趣和能動性不強，而課堂教學也差強人意。在考核評價工作領域方面，由于傳統的教學模式一般以課堂教學作業檢查和試卷當作重點考核手段，專注于結果性評價而忽略了過程性評價，因而無法全面客觀地反映學習者在整體學業活動中的狀況[2]。

1 創新教學體系研究的意義

近年來，教育部要求全國高校深入開展新工科建設，這是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的工程教育改革方向。這就要求高校要培養符合新興產業和新經濟需要的，工程實踐能力和創新能力強，且具有國際競爭力的高素質應用型創新人才。但目前的“現代儀器分析”課程中存在一些問題，傳統的教學方法限制了學習者的主體能力，無法充分調動他們的自主學習積極作用與創新能力，難以達到新型工科人才綜合素養和學術水平的發展需要。所以，在新工科背景下，“現代儀器分析”的教學方法模式對培育多樣化、創新性并具備多專業學科交叉知識的應用型工程人才有著重要意義。因此，在“現代儀器分析”的教學中創新教學體系的實踐，探討在有限的課時內對教學內容、教學手段、教學評價等進行優化，重點培養學生的創新實踐能力。

2 創新教學體系的實踐

2.1 優化教學內容，建好SPOC

“現代儀器分析”學時為30學時，其中理論15學時、實踐15學時。教學內容基本按照2個學時或4個學時為一個主題。根據我國食品安全分析行業中儀器的應用普及情況，結合本學科學生課程體系的設計，把整個儀器分析課程分為電化學分析、光學分析和色譜分析3個模塊，數據處理和結果計算評價貫穿于每個模塊。由于現在食品安全檢測，樣品來源復雜，類別繁多，有毒有害物質含量較低且危害巨大，而每個測試項目又包括多種需檢測組分，所以傳統的物理檢驗和生化檢驗在檢驗類別和準確性上都沒法很好地適應如今食品安全衛生的要求。同時，越來越多的新技術涌現發展起來，如生物芯片檢測技術、高效毛細管電泳、電感耦合等離子體質譜技術、同位素質譜技術等，在食品安全檢測方面也有廣泛應用，使得儀器分析的快速、靈敏、準確等優點更加突出，而各種高新技術的結合與儀器聯用也使儀器分析的應用范圍更為廣泛。先進科學、自動化、智能化的儀器分析方法的建立和應用必將在食品安全檢測中發揮著不可替代的作用。所以，在教學內容上對陳舊落后、難以反映學科領域最新研究成果和熱點問題的內容做出調整，都講授哪些內容，對同一個內容應該講到多深，都結合行業、專業特點增補哪些相關教學內容和知識點，都按照儀器類別精心組織，在不同的SPOC中實現這些訴求，以達到教學目的和任務。如：在電化學分析中，增加電化學生物傳感技術，結合納米材料的制備技術提高電化學生物傳感的靈敏度和應用范圍；在光學分析中，增加碳量子點熒光納米探針技術，結合制備不同組成的碳量子點，提高熒光產率并摸索對該量子點有顯著猝滅作用的待測物質，建立方法加以應用；在色譜分析中，重點介紹色譜-質譜-質譜聯用技術以處理生產實際中復雜樣品的同時定性定量多組分分析。

2.2 豐富實驗手段，用好虛擬仿真

“現代儀器分析”實踐課程使用的儀器由于價格昂貴，很多高校的精密儀器大多用于教師的科研和學生的畢業論文，這些儀器在教學中無法同時滿足所有學生的使用，故采用虛擬仿真技術彌補該教學缺陷，但學生沒有親自動手操作，學習效果不夠理想。因此在課程中，通過校園SPOC、慕課平臺、虛擬仿真實驗等線上資源平臺對線下課堂資源加以補充，并將教學中的課件、試題、教學錄像等資源直接發布于學校線上平臺[3]。同時設置小軟件，將線上資源推送到學生移動端，學生既可通過網絡課堂觀看教學視頻，也可以從教學資源中心下載課堂講義，也可在微信等網絡平臺發帖向教師求助學習過程中遇到困難，形成線下線上聯動的教學模式，學生通過線上虛擬仿真實驗提前做好預習，熟悉實驗的過程和儀器的基本操作，在實驗室鼓勵學生親自動手操作，課后通過線上虛擬仿真實驗增加儀器操作的熟練度，由此實現學生和教師課前、課上、課后的良性互動。實驗課程中，針對某一種儀器不僅開發一種實驗項目，有些實驗項目是線上虛擬仿真，有些在實驗室親自實踐。對于學校沒有的儀器設備，可通過虛擬仿真實驗或到合作企業，由企業帶教教師教學，真正做到將現代信息技術與教學深度融合。這些知識點通過線下和線上的融合，以及校內和校外的合作，更能彰顯知識的先進性、綜合性和跨學科的互補性，既大幅提高學校實驗儀器的使用率，也開闊學生的視野，使學生更進一步加深對學科專業基礎知識點的理解和認知，更有利于學生解決實際問題技能的形成。

2.3 改進教學方式，抓好翻轉課堂

對于學生科研意識和創新能力的培育，顯然不是靠填鴨式的灌輸，而應該基于課堂教學，以學生為主體，開展互動式、開放式、探究性、研究性的多樣教學模式，以培養他們由簡單問題向復雜科學問題遞進的抽象思維意識。課程通過課堂講授、討論、實驗、線上SPOC自學等，通過問題導向式教學、項目導向式教學、結果導向式教學、文獻探究式教學等，不斷探索改進教學方法，提升課程的高階性和挑戰度[4]。如在熒光分光光度法教學中，通常教師只會介紹直接測定法，即具有苯環剛性平面結構的物質可發射熒光，可用熒光分光光度法進行測定，但是，不能發射熒光的物質如果要使用這種分析方法那該怎么測定呢？通過拋出問題，引導學生思考，發散思維，向學生介紹間接測定法，介紹科研新方向——具有高熒光產率的碳量子點和熒光猝滅劑的研究進展，此時學生的興趣就被調動起來，鼓勵參與教師課題的學生在班級進行科研分享，讓學生做主角，通過課堂的翻轉，讓學生意識到原來自己也是有可能完成科研項目的，繼而引導學生查閱文獻，設計制備方案，查閱文獻查找哪些食品污染物可對該碳量子點有猝滅作用的并通過實驗項目探索實踐，通過翻轉課堂進行知識分享和探討，有助于提升學生的參與度與行動力。讓每個學生都有機會作為課堂的主角，提高學生的自主學習意識，通過對成果的分享與報告，強化他們對學習成果的反饋，以確保“翻轉”后的教學不流于形式、不走樣，真正收到實效[4]。現有儀器分析教材中無法提供與科研內容的融合，所有這些教學方式的融合，都有助于學生在通過掌握某一知識領域的研究進展而學到新知識的同時，進一步提升學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，對推動學生知識目標和能力目標的達成，以及對其科研工作興趣的培養和科學能力的養成都大有助益。

2.4 開展創新活動，科研成果導向

創新精神是國家經濟建設和行業發展的重要動力源泉，所以在教學中突出培養學生創新的能力尤為重要[5]。為切實培養學生的創造力，在開展教學中，推出開放式、互動式教學方法，開展創新性、高階性的科研活動，包括吸納學生做科研小助手，組織學生組成科研創新小組，或者舉辦實驗技能大賽，申報大學生創新訓練課題和挑戰杯，自主設計畢業課題等有挑戰度的活動。在每一種儀器的基本原理和分析方法學習后，組織學生4人或6人1組成立1個科研團隊，共同查閱文獻，并討論分析這些儀器和方法在食品安全檢測方面的實際應用情況，在討論之后，小組自主設計實驗對提出的假設進行驗證，最終形成實驗報告。教師對實驗結果做出評估和過程指導，剖析失敗原因，總結成功經驗。設計性和綜合性實驗是實踐能力和創新能力培養的最有效方式，如：指導的學生建立褪黑素的電化學生物傳感方法，成功申報國家級大學生創新創業訓練項目；學生建立紅景天飲片中紅景天苷的電化學和高效液相色譜兩種分析方法，并進行有效的方法比較；學生建立的功能碳量子點并成功應用于食品和醫藥分子檢測，不僅申請專利還發表論文4篇。通過這些活動的開展，學生從獨立探索到小組寫作，再到展示和評價，是一個自下而上的學習過程，將課堂所學內化為自身綜合實力，有利于學生的職業發展和國家食品安全檢測專門人才的培養，這也是高階性的體現。因此，在“現代儀器分析”課程中培養了學生的學習興趣和加強創新能力，實現“兩性一度”的教學目標，并為學生今后的學習和工作積累的科研能力[6]。

2.5 課程思政融入，全程立德樹人

在教學過程中踐行立德樹人，融合思政教育，以典型食品安全社會事件為引領，培養具備愛國主義情懷、工匠精神、環境安全意識、社會主義核心價值觀和開拓創新能力的高層次人才[7]。在我國食品工業快速發展的同時，食品安全事件時有發生，引入三聚氰胺、香蘭素等食品安全事件，引導學生知道三聚氰胺是一種三嗪類含氮雜環有機化合物，被廣泛用作化工原料，不能用于食品加工或食品添加物；香蘭素雖是國家允許使用的食品添加劑，但嬰幼兒一段奶粉中是絕對不能被檢出的。這些事件讓學生了解到食品安全監督管理在日常生產中的重要意義，有了先進精密的儀器分析手段可以讓非法分子望而生畏，不敢隨意添加有毒有害物質。作為一個食品專業人員，應該要有誠信、有道德，早早樹立良好的職業素養和公民責任意識，為國家的食品安全事業貢獻自己的力量。正是有了不斷創新的先進儀器分析手段，食品才會越來越安全，生活才會越來越美好。在實驗課程中，往往一些有機試劑會具有一定毒性，如液相色譜的流動相乙腈、甲醇等試劑，在實驗教學中不僅培養學生的科研精神，還可將遵紀守法、愛護環境、熱愛勞動等思政元素融入課程，起到育人的作用。通過對這些典型案例的深入探討，既提高了學生學習興趣，又使其了解科學前沿，從而激發學生的開拓創新精神和堅持不懈的科學素養，讓課程思政也變成培養學生創新能力、奠定創新能力底蘊、錘煉創新能力品質的重要環節，以利于創新型人才的成長，同時也在學生思想中植入學術道德的種子。

2.6 改進評價方式，重視學生互評

為了更好地監督課堂效果，改進“現代儀器分析”考核方式，從傳統的單一結果評價方式轉變為多維的過程評價方式。線上豐富的資源和信息化構建，貼近現代學生的學習習慣，教師考核也不再局限于傳統的做題，根據線上練習的完成度，系統給予學生即時評估。通過現代儀器分析技術發展的跟蹤追蹤和口頭報告，以及實驗設計和結果匯報等，逐步引入學生之間實時評價，學生的實時評價和互評是對已學習知識的深度思考，同時也對成功匯報展示結果的具體表現做出評估。在這一環節，學生是評價的主體，教師對出現的問題和教學過程給予指導和幫助。而學生成為教學評價的主體后，能夠自主和主動地從教學評價中習得知識、方法和情感，進而使他們的認識能力方面、知識和技能方面、態度和情感方面都得到提高和成長[8]。通過提高平時的考核頻率，以提高學生課堂上互動的參與性，并采用統一平臺評價、教師評分及學生互評，以形成一個多維度的考核評估系統，重視學生互評，以全面客觀地反映學生在整個課堂過程中的狀態。通過這種改革可以鼓勵學習積極參與課堂，進而發揮優化課堂的效果，提升學生學習的積極性和信心，減少期末的考試壓力，對于綜合考核評價也起到積極作用。

3 結語

在新工科背景下，新一輪科技革命和產業變革面臨著新機遇、新挑戰，以及服務“中國制造2025”“互聯網+”等國家政策措施引領，我國工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系等必須在高等教育中探索和深化。通過創新的工科教育理念及現代信息技術促進“現代儀器分析”的教學改革，總體實現提高教學效果和培養質量的目的，推動食品行業現代儀器分析人才培養從初階的知識收獲向高階的能力發展和素質養成轉變，培養學生具有多元化、創新型并具備多學科交叉知識的應用型工程人才。