“雙創(chuàng)”背景下農(nóng)林高校“儀器分析”課程教學改革的探索與實踐

摘" 要：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)背景下，文章結(jié)合儀器分析課程和儀器管理工作實踐，以學生為主體，以實踐為導向，從增強理論-實踐銜接、豐富實驗內(nèi)容、拓展實驗課程三個方面進行改革探索，以激發(fā)學生對知識的興趣和學習的動力，從而提高他們的學習效率、培養(yǎng)創(chuàng)新及協(xié)作能力，旨在培養(yǎng)出符合國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)要求的創(chuàng)新型人才。

關鍵詞：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè);農(nóng)林高校;教學改革;儀器分析

中圖分類號：G642" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）32-0033-04

2010年和2015年教育部和國務院先后頒發(fā)了《關于大力推進高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和大學生自主創(chuàng)業(yè)工作的意見》《關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)（簡稱“雙創(chuàng)”）教育提升到國家發(fā)展戰(zhàn)略的高度，并指出深化高等學校雙創(chuàng)教育改革是國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、促進經(jīng)濟提質(zhì)增效升級的迫切需要。為適應“雙創(chuàng)”教育的要求，全國各高等院校均對人才培養(yǎng)模式的改革進行探索與思考。[1-3]

儀器分析是現(xiàn)代分析化學的重要組成部分，在農(nóng)業(yè)科學、生物科學、環(huán)境科學、食品科學等領域應用極其廣泛，是分析化學的主要發(fā)展方向。[4-5]2021年初，《關于對重大科研儀器行業(yè)進行重點支持的提案》提出加大對“國家重大科研儀器設備研制項目”和“重大科學儀器設備開發(fā)專項”的經(jīng)費投入、鼓勵探索性創(chuàng)新的積極性及優(yōu)化相關人才扶持政策等。因此，“儀器分析”課程的開設對高校各學科領域的專業(yè)人才培養(yǎng)有著舉足輕重的作用，[6-7]也是高校服從國家戰(zhàn)略需求的重要組成部分。

目前，有不少研究已指出高校對儀器分析課程進行多方式、多形式的改革模式，如線上線下混合教學模式、虛擬仿真軟件等提高儀器分析的教學效果。[8-9]但是，上述教學模式并不能實現(xiàn)以學生為中心，以實踐為導向的本質(zhì)改革需求，并且虛擬仿真課程的建設需要耗費大量的資金，很難進行多課程的普及。因此，本研究基于“雙創(chuàng)”背景下培育新型農(nóng)林專業(yè)技術人才的需求，針對該課程在各高校均存在理論與實踐有所脫節(jié)的客觀問題，提出“以學生為主體，以實踐為導向”的教學理念，對“儀器分析”課程的實驗、實踐環(huán)節(jié)進行探索，以激發(fā)學生學習知識的主動性，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力，拓寬就業(yè)渠道，促進學生充分就業(yè)，同時也為其他高校儀器分析類課程實踐改革提供參考。

一、雙創(chuàng)背景下“儀器分析”課程存在的問題及教學改革的必要性

雖然許多高校均開設儀器分析類實驗課程多年，并且近年來不斷地融入了新的教學資源和平臺，但儀器分析課程仍然存在以下兩個問題：

首先，儀器分析屬于應用型交叉學科課程，其本質(zhì)上對學生的專業(yè)基礎及理解能力要求很高。如果一味地輸出大量的知識點，學生接收的知識將非常抽象，只能根據(jù)教師安排的實踐計劃機械地進行操作，而無法將知識內(nèi)化于心，做到真正理解知識點，理論與實踐活動相結(jié)合。因此，如何將抽象的儀器分析原理轉(zhuǎn)化成具體的知識點講述出來，并能在實踐中解決實際問題將是教師面臨的一大難題。

其次，儀器分析涵蓋的課程內(nèi)容多且廣，教師往往為了完成課程進度而忽略了學生學習的積極主動性及實踐創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)上，教師通常采用課程講授的方式，教學手段單一。雖然近年來，大量的線上資源或智慧平臺被廣泛地應用到儀器分析課程教學中，但仍然缺乏激發(fā)學生學習積極主動性及增強學生創(chuàng)新實踐能力的教學內(nèi)容和方法。因此，如何創(chuàng)新教學內(nèi)容和方法以及創(chuàng)新教學隊伍建設來解決實際問題是教師面臨的又一難題。

最后，“以學生為主體，以實踐為導向”的教學理念是以學習者為中心，將理論與實踐學習相統(tǒng)一，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題，強調(diào)培養(yǎng)學生科研創(chuàng)新能力、實踐能力和團隊合作能力的實踐性教育教學，使學生成為教學活動的中心，成為自我發(fā)展的主體。對于儀器分析課程，能充分調(diào)動學生的學習興趣，將抽象的知識具體化，在討論和實踐教學中學習知識并在實踐應用中解決實際問題。

二、雙創(chuàng)背景下“儀器分析”課程教學改革的措施

（一）增強理論與實踐銜接

傳統(tǒng)的儀器分析課程通常是從分析儀器設備的工作原理、儀器操作、樣品分析方法和儀器分析應用等方面開始講解的，枯燥的理論知識輸出直接降低了學生的學習興趣，且缺乏對儀器分析方法未來發(fā)展及實際應用方面的知識拓展。因此，儀器分析課程應以該儀器的應用目的為切入點，從本質(zhì)上提高學生對該儀器的學習興趣。教師要引導學生做好實驗預習，進行課前鞏固，并拋出問題引導學生思考及討論。

如傳統(tǒng)的分析方法有哪些，在已有的分析方法中如何利用現(xiàn)代儀器分析技術解決問題，不同的分析方法是否會造成實驗結(jié)果的差異，課前預習階段可以將上述問題通過微助教、雨課堂等智慧教學平臺發(fā)起課前討論，[10-12]學生可以在該討論帖下進行發(fā)言和討論，在課程后期可以將學生參與討論度匯總納入考核體系。通過課前預習和鞏固，可將課堂理論講述環(huán)節(jié)時間壓縮，增加學生儀器分析實踐操作的時間，真正將實驗課變成動手實踐課程，提高學生的動手實踐能力。

（二）豐富實驗設計

1. 改革實驗設計

在傳統(tǒng)的分析實驗教學中，教師一般會設置固定的實驗條件，學生根據(jù)給定的實驗條件進行儀器設置，從而得到統(tǒng)一的實驗結(jié)果，這種模式化的教學方式會使學生的參與度下降，不利于學生創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì)的提升。因此，本研究提出將樣品結(jié)果分析過程中對實驗結(jié)果的影響因素作為變量，以設計不同的實驗條件，使每個/組學生的實驗內(nèi)容都不重復。具體方法在下面的課程實例中會舉例說明。

2. 注重培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析能力

實驗數(shù)據(jù)是科學研究的源泉，是試驗分析的結(jié)果，課程實驗的最終目的是從實驗數(shù)據(jù)中得到創(chuàng)新的結(jié)果，提高研究工作效率。良好的數(shù)據(jù)分析能力可為學生從事科研或相關工作奠定基礎，實驗實踐教學過程中，學生要掌握儀器分析原理并能實際操作，也要具備從數(shù)據(jù)中挖掘潛在信息并解決實際問題的能力。根據(jù)實驗設計，實驗結(jié)束后將組內(nèi)或班內(nèi)學生的數(shù)據(jù)進行共享，班內(nèi)每名學生將得到多組實驗數(shù)據(jù)，提高其對數(shù)據(jù)的綜合分析能力，促進學生對研究內(nèi)容及數(shù)據(jù)的理解，鍛煉學生解決問題和分析問題的能力。

（三）拓展實驗課程

在理論課程及實驗實踐課程學習的基礎上，學生基本掌握了儀器的基本原理、操作方法、應用實踐等。而后，對特定儀器設備分析技術感興趣、學有余力的學生可積極開展基于教材實驗的拓展實驗，進一步提高儀器設備的操作能力及靈活運用儀器的能力。另外，教師在保證儀器設備完成教學任務后應為學生提供參加科研實訓、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃等競賽項目的機會，鼓勵做畢業(yè)設計的學生積極使用儀器設備對儀器分析做進一步的探索。通過課外拓展實驗項目的開展不僅能鞏固課時教學的知識，還能為有興趣的學生提供成為儀器“分析檢測專家”的機會。

三、以“頂空固相微萃取—氣質(zhì)聯(lián)用儀測定土壤中的硝基苯”實驗為例的課程構建

氣相色譜—三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS/ MS）是目前應用極其廣泛的定性定量分析技術工具。GC-MS/MS由氣相色譜和質(zhì)譜檢測器兩部分組成，其利用氣相色譜的分離能力使待檢測物在混合物組分中分離，并用質(zhì)譜鑒定選擇分離進行精確的定量和定性分析，同時具有氣相色譜的高分辨率和質(zhì)譜的高靈敏度，被廣泛應用于農(nóng)學、畜牧業(yè)、食品科學、農(nóng)藥殘留等技術領域。

（一）課前預習

該課程是在氣相色譜分析法和質(zhì)譜分析法課程之后開展的。因此，在課前預習階段，可通過引入問題的方式開展，如氣質(zhì)聯(lián)用儀是利用氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用技術的儀器，那么本課程中的土壤硝基苯含量是否可以用氣相色譜儀或質(zhì)譜儀進行分析，分析條件有何不同，實驗結(jié)果是否有差異，用GC-MS/MS檢測物質(zhì)成分的優(yōu)勢是什么，是學生應在預習時思考的問題。

課堂上，教師可以對課前預習內(nèi)容進行總結(jié)：氣相色譜儀和氣質(zhì)聯(lián)用儀均具有對未知物質(zhì)的分離分析能力，前者可以將不同分子量的未知物分離，而后者兼具物質(zhì)的分析分離技術，也可以對多組分析物進行精確定量，受樣品基質(zhì)的干擾較小，從而解決生產(chǎn)實踐中的問題。通過這些問題，可以使學生掌握氣質(zhì)聯(lián)用儀分析法的本質(zhì)特征，在較短時間內(nèi)理解GC-MS/MS是對多組分混合物質(zhì)的定性及定量分析。

（二）理論講授與實驗實踐

氣質(zhì)聯(lián)用分析技術的理論部分講授主要是色譜/質(zhì)譜分析法的基本理論和儀器結(jié)構兩部分。由于GC-MS/MS基本理論部分比較抽象，因此，在課程講述過程中應結(jié)合實驗實踐環(huán)節(jié)中的分析條件進行講解，使抽象的理論具體化。如氣相部分的分流比、分配系數(shù)、色譜柱選擇及溫度程序的不同，將影響結(jié)果色譜圖中的保留時間。這種關聯(lián)性的講解會比傳統(tǒng)的理論輸出更容易使學生接受。

GC-MS/MS的結(jié)構相較于其他分析儀器更為復雜，如圖1所示，應重點讓學生掌握進樣器、氣化室、色譜柱、柱溫箱、傳輸線、離子源、質(zhì)量分析器及檢測器。可以結(jié)合儀器展示，現(xiàn)場進行各部分的講述，這是讓學生了解真實儀器的最好方法。在學習完理論知識后，教師可以通過建立完整的分析方法使學生對前面講述的理論知識有更為深刻的理解。

在實踐操作過程中，將本實驗課程中土壤硝基苯定性/定量分析對實驗結(jié)果的影響因素作為變量，設置不同的實驗條件，該實驗為分組實驗，保證每個學生開展的實驗條件及實驗結(jié)果均不相同。

“頂空固相微萃取—氣質(zhì)聯(lián)用儀測定土壤中的硝基苯”實驗測定過程中對實驗結(jié)果的影響因素，包括樣品質(zhì)量、萃取頭類型、萃取溫度、萃取時間及解析時間，因此將上述影響因素作為學生開展實驗的變量。為保證組內(nèi)或組間學生的實驗進度一致，每組學生固定其他變量因素，僅開展其中1個變量因素對實驗結(jié)果的影響檢測，每6人為一組，根據(jù)組內(nèi)人數(shù)設計變量因素的數(shù)量，其詳細安排見表1。

（三）課后總結(jié)

根據(jù)實驗設計內(nèi)容，實驗結(jié)束后，同組及全班學生進行數(shù)據(jù)共享，使每名學生得到不同變量對結(jié)果影響的全部數(shù)據(jù)，并對實驗全部數(shù)據(jù)進行綜合分析，篩選出儀器分析過程中樣品測定的最佳條件，最終形成實驗報告。實驗報告的形式在每位學生中也是不同的。首先，應分析總結(jié)自己的實驗條件及數(shù)據(jù);其次，進行組內(nèi)數(shù)據(jù)的匯總;最后，對班級內(nèi)所有數(shù)據(jù)進行總結(jié)并形成自己的觀點。這種實踐方式可大大提高學生的科研素養(yǎng)、創(chuàng)新能力及合作精神，學生能夠真正地在理論、操作、應用三個層面上掌握大型儀器設備，提升教學質(zhì)量，為培養(yǎng)雙創(chuàng)型人才探索新道路。

四、多維度考評機制

多維度評分標準與傳統(tǒng)的實驗課評分標準大有不同。傳統(tǒng)的評分標準是以“結(jié)果”為導向，以實驗報告為主來反饋學生學習情況，而多維度考評機制主要以“過程”為導向，將整個實驗中的每個過程均納入考評體系中，包括考勤和紀律（10%）、實驗預習（10%）、實驗態(tài)度（10%）、參與實驗準備情況（10%）、實驗思維創(chuàng)新能力（15%）、基礎理論知識考試（20%）、實驗報告（25%），重點考核學生在實驗過程中的實踐操作和創(chuàng)新思維能力，做到客觀公正地評價每個學生在實驗過程中的貢獻，有效體現(xiàn)學生的實踐能力和科研素養(yǎng)。

五、課程改革成效

目前，該課程每年面向西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院300多名本科生開設，學生普遍反映效果良好，自主學習能力和創(chuàng)新實踐能力得到進一步提升。通過多學科交叉體系構建的實驗課程項目，為學生提供了自主探索的空間，為農(nóng)林類專業(yè)實踐類課程的改革提供新途徑，并且為培養(yǎng)“雙創(chuàng)”型人才探索了新道路。

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