仪器分析课程中研究型教学初探*

范慧俐 李建强 刘杰民 弓爱君 鲁毅强

(北京科技大学化学与化学工程系 北京 100083)

仪器分析是分析化学的重要组成部分。随着物理学和精密仪器加工技术的发展，分析仪器的种类越来越多，功能越来越强大，应用范围越来越广，涉及到的基础理论和专业知识面越来越宽且越来越深。因此，仪器分析课程的教学面临着如何在有限的时间内，广泛和深入地向学生介绍分析仪器的原理、结构、应用和使用方法的问题[1-3]。同时，培养高素质研究型人才还面临着如何使学生通过这门课的学习，在今后的实际工作和研究中能够正确选择、合理使用各种分析仪器和组织分析测试。针对不同种类的分析仪器在理论上各成体系，且目前广泛应用的分析仪器种类多、应用性强的特点，我们在师资队伍建设、教学内容选择、课堂教学组织和实验课设置方面进行了研究型教学探索。

1 针对研究型教学要求配备任课教师

分析仪器种类多，不同仪器分别适用于不同的分析目的。而各种分析仪器涉及的理论知识体系不同，每种分析方法都有自己的特点，每种分析仪器的使用都有特定的规律，把握这些规律需要长期的实践积累。鉴于此，在师资配备上，我们对每一种仪器分析方法都选派了有丰富理论知识和实践经验的教师任课。例如，原子发射光谱由有20多年教龄、长期从事原子发射光谱理论和实践研究的教师任教；原子吸收光谱由一位从事原子吸收光谱测试和研究多年的教师任教；电化学分析由一位研究生论文就是关于电化学分析工作，且教学效果突出的教师任教；气相色谱和高效液相色谱分别由两位长期从事色谱实践的教师任课。在承担仪器分析课程的教师中，有4人获得课堂免检荣誉，有3人获得过毕业生“我爱我师，我心目中最好的老师”荣誉。所有任课教师都和世界高水平仪器制造公司(例如日本的岛津公司、德国的耶拿公司、美国柏琴-埃尔默公司和安捷伦公司等)保持着密切联系，积极参加仪器分析使用技术交流，跟踪仪器分析发展前沿，以便掌握仪器分析发展的最新动态。高水平、强有力的师资配备为课程的研究型教学实践奠定了基础，也是仪器分析课程能在有限的时间内获得最好的教学效果的保证。

2 以理论知识为实际应用服务为宗旨

仪器分析是根据物质特有的物理或化学性质，利用物理学原理，通过精密仪器实现对物质的定性和定量分析的方法。其最终目的是实现对物质本质的认识和数量的测量[4]。由于其应用性强，所以我们在进行教学内容组织时更注重加强与实际应用关系密切的内容的权重。在介绍基本原理的基础上，更注重关于各种仪器方法的应用特点和最新使用成果方面的介绍和教学。例如，在气相色谱分析学习中，传统的教学内容主要介绍气相色谱的分析对象是气体和低沸点的体系。但考虑到在目前的环境分析中，一些大分子的污染物分析越来越受到重视，而气相色谱具有灵敏度高、检测器种类多的特点，在教学中我们引入了通过衍生化等方法使用气相色谱分析高沸点化合物的相关内容。此外，在气相色谱分析仪器和操作参数的选择学习中，不仅仅是介绍基本参数的选择依据和方法，同时还引入了在众多互相制约因素的情况下，如何选择出合理参数的学习内容。在电化学分析学习中，直接电位法主要介绍单晶膜电极、多晶膜电极、液膜电极、气敏电极和组织电极等几类离子选择电极，考虑到化学修饰电极和自组装膜近年来的快速发展和广泛应用，我们在教学中补充了化学修饰电极、纳米电极和自组装膜的原理介绍、制备方法和应用实例。在原子吸收光谱教学工作中，许多仪器分析教材比较侧重于简单原理及应用介绍等内容，学生难以从理论上理解该方法的原理，这会使他们在面对实际问题时不能用理论指导实践，很难全面考虑影响测定准确度的各种因素，从而不能充分发挥该仪器方法的优势。在我们的课堂教学中，在学生理解原子吸收的峰值吸收理论后，以原子化器中的总原子浓度为判据，对原子化过程的各种影响因素进行系统讨论，使学生明白与原子化过程相关的各个因素，如液面与雾化器的高度差、溶液的密度、黏度、表面张力等都可以影响雾化效率和原子化效率，进而影响总的原子浓度，即影响测定的准确度。使学生明白要想获得正确的分析结果，仅仅有一台好的仪器是不够的，更重要的是操作者要考虑各种影响因素并消除其影响。

3 以培养研究型人才为目标实践研究型教学方法

所谓研究型教学就是在教学过程中优化课程结构，采用适当教学方法，培养学生的学习能力，运用知识的能力和发现问题、研究问题及解决问题的能力。为了实现这一目标，要求教师在进行课堂教学时改变传统的以讲解介绍为主的授课模式，在教学中引入科学研究的要素，为培养研究型人才奠定基础。针对科学研究中要求研究者具有很强的发现问题、分析问题和解决问题的能力这一特点，我们在教学中根据自己的科研或文献实例，通过展示实验现象、提问题、小讨论等方式启发学生提出问题，并进一步分析和解决问题。例如，在气相色谱分析教学中，教师首先展示一个分析混合体系任务的初步分析结果，谱峰重叠严重，然后设定实现理想分离的最终目标。根据这一具体问题，教师提出第一个问题：面对这样的问题我们要做的工作是什么？当学生明确了需要通过选择合理的仪器和操作参数才能实现理想分离之后，教师再提出第二个问题：如何选择仪器和操作参数？然后启发学生观察色谱图的特点，考察色谱峰重叠的形式。如果相邻两个峰的峰宽很大，则启发学生从影响峰宽的因素入手，主要考虑调整会影响峰宽的参数；如果相邻两峰的保留值非常接近，则启发学生从影响保留值的因素入手，主要考虑调整会影响保留值的参数。然后进一步展示参数调整后的效果，直至达到理想状态。又如在电化学分析的库仑滴定教学中，先引导学生讨论库仑滴定和化学滴定在原理、滴定剂和指示终点等方面的区别，再选取具体实例，如水质污染指标之一的化学耗氧量(COD)测定，由学生利用这两种方法自行设计方案进行比较，最后归纳总结出库仑滴定的特点。

4 以检验理论、强化研究型学习效果为目的设置实验课教学内容及组织实验教学

仪器分析是人类了解自然世界和从事科学研究工作的重要手段，仪器分析课程的实践性非常强[5]，所以在实验课程设置和实施方面，我们不仅安排了必要的测试和验证实验，而且结合任课教师的最新科研成果，更新实验内容，引入研究型实验。例如，刘杰民教授将室内异味课题科学研究成果转化为气相色谱实验内容(室内环境或食品中异味化合物鉴别及异味强度测定)，将气相色谱的分离能力与人类鼻子敏感的嗅觉联系在一起，鉴别特征异味化合物，从而确定异味化合物的异味强度和作用大小。实例是对空气污染物以及水果制品、酒类、肉制品、乳制品、海产品中关键气味化合物等的鉴定研究。该实验设计了三点比较式臭袋法测定常见异味化合物阈值、空气和食品采样、气相色谱-质谱-嗅觉测定法测异味混合物的性质和强度、界定主要异味物质及其贡献等实验内容。这些工作开拓了学生视野，激发了他们的学习兴趣，取得了良好的教学效果。此外，“ICP-AES测定铋系超导前驱粉中的Bi、Pb、Sr、Ca、Cu”及“高效液相色谱法测定Bt生物农药中酪氨酸的含量”等实验教学内容均为任课教师的科研成果。

在实验课的组织上，注重对学生分析问题和解决问题能力的培养，尽量避免照本宣科式的教学方法。如在气相色谱实验中，不是将现成条件交给学生，让学生照着实验讲义完成进样，获得实验结果，而是给学生一个混合样品和基本条件，让学生在已有条件的基础上，自己根据实际情况优化实验条件，进行定性和定量分析，从而使学生对所学理论有更深刻的体会和理解。

这样的实验课安排和实验教学组织使教学模式由学生被动接受转变为主动思考，有助于调动学生的学习激情，培养学生分析问题和解决问题的能力。

[1] 陈毅挺,林棋,张庆守.大学化学,2011,26(3):11

[2] 白玲,李铭芳,廖晓宁,等.安徽农业科学,2010,38(28):16057

[3] 龙小玲,苏庆平,陈文,等.实验科学与技术,2009,7(2):88

[4] 王瑞勇,季米娜,张璐,等.光谱实验室，2011,28(1):259

[5] 王琦,张思锐.大学化学,2006,21(2):22