仪器分析及实验课程新体系的构建及实践*

李建强 鲁毅强 范慧俐 刘杰民 曹艳秋 弓爱君

(北京科技大学化学与化学工程系 北京 100083)

仪器分析及实验课程在高等院校化学及相关专业的基础课教学中有着重要地位。该课程涉及化学、物理学、数学、电子学及计算机技术等多学科理论,采用比较复杂和特殊的仪器设备，通过测量物质的某些物理参数来确定物质的化学组成及成分含量，并获取有关化学结构的信息。对学生而言，仪器分析及实验课程是他们后续专业课程学习及毕业设计的重要基础，对培养学生分析、解决问题能力和创新精神，掌握现代的研究手段与方法有重要作用。

仪器分析及实验是北京科技大学化学系应用化学专业的重要专业基础课程之一，课程安排在无机化学与分析化学之后，与物理化学和有机化学交叉同步；课程分为Ⅰ和Ⅱ两部分，分别在第6和第7学期开设，每部分54学时，其中课堂讲授30学时，实验24学时(2010版教学计划改为64学时，课堂讲授40学时，实验24学时，在第4和第7学期开设)，这两部分相对独立又紧密联系。对于该课程的理论教学，不但要求讲授每种分析方法的基本原理、仪器结构、干扰因素和分析方法，还要紧跟该学科的发展前沿，不断更新教学内容。对于实验教学，每种分析方法的课时少、仪器数量不足等因素困扰着许多学校实验教学工作的顺利开展[1-3]；同时，课程所涉及的分析方法在原理、仪器结构、影响因素及应用等方面都有很大差别，整个课程的逻辑性不强，知识点较分散，并涉及到量子化学等较抽象的内容，使学生学习过程中不易抓住重点和规律性，较难掌握[4-5]。因此，加强课程的安排与管理，做好该课程的课堂教学和实验教学工作，改革教学内容和体系，实现教学内容的现代化，不仅对培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的人才有必要性，而且有迫切性。

1 更新课堂教学内容

课堂教学是仪器分析及实验课程的重要组成部分，也是后续实验教学的理论基础。教学内容是培养学生创新意识的载体，因此，教学内容的选用是实现教学现代化的重要环节。

经过调研，我们对仪器分析课程进行了修订和内容整合，力求达到前导和后续课程间、课程本身前后内容间的有机衔接；对反映当代新理论、新技术和前沿进展的内容，力求做到无缝嵌入。

在课程内容的设置上，遵循北京科技大学以冶金、材料为特色的学科特点，同时体现冶金分析这一北京科技大学应用化学专业的传统学科发展方向，重点是金属、矿石及无机非金属材料的无机微量及痕量分析，同时兼顾冶金行业对环境及其他分析的需求，对有机分析及气体分析均有所涉及。课程中强调有关组分的定量分析的特点，结合各种分析手段的发展趋势，优化课程结构，突出该课程的分析特色。课程内容由原子吸收光谱、紫外可见光谱、气相色谱(仪器分析Ⅰ)、原子发射光谱、液相色谱(含离子色谱)和电化学分析等内容(仪器分析Ⅱ)组成。每部分内容的讲授及实验分别由在该领域具有丰富经验的教师承担。将有机结构分析涉及的有关内容放在谱学导论课程中讲授。此外，课程组协调各任课教师对分散在各章节的相关内容进行整合，删去重复内容，以使教学内容更加系统化、条理化，学生的理解、记忆和应用更加集中、清晰。

对于课程中的每部分内容，除了要求系统性强，对基础理论讲解清楚外，还不局限于教材的知识范围，关注本领域的发展前沿。如，近年来原子发射光谱分析发展迅速，二维色散全谱直读光谱仪已经成为主流，但普通的光栅色散仪器在特定的领域(如稀土分析)还有应用，因此,在讲授发射光谱仪时，对发射光谱的产生及光谱色散基本原理讲解清楚后，简化棱镜色散仪器的内容，压缩光栅色散仪器的课时，增加全谱直读光谱仪的结构、特点、性能及优缺点等内容；在光源部分，对经典光源删除陈旧的部分，简化次要的内容，而对现代新型光源如等离子体光源、激光光源、辉光光源及应用进行重点介绍，使学生能够有扎实的理论基础，还对该领域的发展前沿有充分了解。

课程中对一些现代新仪器、新方法，如气-质联用谱仪，离子色谱仪，高效液相色谱仪，无火焰原子吸收光谱仪，双波长紫外-可见分光光度计等做了较为详细的讲解，使学生对学科发展动态和国内外重大成果有概略的了解，以引发学生深入学习的兴趣。

教学方法的改革是保证教学质量的关键环节[6-7]。教学本身是教师与学生双向互动的过程，启发式的教学思想和理念应该贯穿于整个教学活动中，落实在每个具体教学环节上，教学活动应以激发学生学习主动性、提高教学效果、培养学生创新能力为出发点。对于仪器分析课程中的重要概念，如等离子体温度与电子温度的相关性，采用课堂讨论的教学方式，使学生对于光源热力学温度有较深刻的理解，能正确地区分激发温度和电极温度；对于紫外吸收光谱中价电子跃迁类型的讨论，使学生对于跃迁能量的分布、吸收光谱与分子结构的关系有了深刻的理解。为了调动学生学习的主动性，鼓励学生对于一些理论难点进行讨论，相互学习，共同提高，激发了学生的学习兴趣和学习热情，培养了学生的科学思维能力和创新意识。

2 新实验课程体系的构建与实践

化学类的实验课程，除了可以辅助理论课程的学习外，还能培养学生实验动手能力，培养严谨的分析问题和解决问题的思维习惯。仪器分析实验课是应用化学专业的重要基础课，我系历届毕业生实验技术和技能强，已成为化学系一大特色，并被用人单位认可。

大型精密仪器台件不足是困扰众多高校仪器分析实验课程顺利开展的重要因素，使得一些学校的仪器分析及实验课程的效果大打折扣[6,8]。对此，我们提出教师要多付出一些，摒弃了大组(10～15人)实验的方式(该种实验方式无法保证每个学生都能亲自动手做实验)，坚持两人一组、单兵操练的实验模式。为了解决这种实验模式实验时间过长的问题，我们充分利用多名教师任课的有利条件，采取不同分析手段交叉进行、循环作业的方法，在提高了学生实验工作能力的同时，也解决了实验仪器台数不足和实验时间不足的问题。

实验和课堂内容相结合才能达到最佳教学效果。在每个小组进行每种分析手段的第一个实验时，教师会结合课堂讲授的内容对仪器设备构造、使用操作步骤和注意事项进行较详尽的讲解；同时向学生明示，仅此一次是老师“带”实验，而在以后的实验中是老师“看”实验，所谓“看”就是在学生进行实验时只看不讲，只在发生严重的操作错误时给予提醒，并让学生回答为什么不对。此外，对于每一个实验，我们预先准备了多个问题，在实验进行过程中适时提出相关的问题，让学生在课后的实验报告中去讨论一些实验现象，使学生的大脑产生兴奋点。上述方法促使学生必须认真对待每一个实验，而且对极少数惰性较大的学生能起督促作用，使其对实验全过程进行认真思考。

在实验教学中，我们采取了时间和内容开放式教学模式[9]。考虑到学生实验组数多、实验占用时间长的特点，实验时间由学生自由选择，自由组成实验组，实验室在一定的时间段开设某一特定实验内容，学生预约实验时间后即可进行实验。学生需要在规定的时间段完成规定的内容，教师根据学生完成实验的情况给出每个实验的成绩。在课程结束前的一两周，实验室整体开放，学生可在空暇时间进入实验室，选做实验教材中感兴趣的其他实验，也可以补做实验或完成以前不够理想的实验内容(不计成绩)。如原子吸收光谱实验以火焰原子吸收法为主，对于石墨炉和氢化物原子吸收法，感兴趣的学生可以预约选做。开放实验室有利于因材施教，能使基本操作训练不足的学生得到反复练习的机会，并为优秀学生提供了课外学习的场所。

3 新实验课程内容的构建与实践

实验课程的教学目标是通过具体实验内容实现的。在实验教学新体系的探索与实践中，我们不仅强调了学科的系统性，同时也考虑了学科之间的兼容互补性和实验内容的先进性，具体体现在基础性实验、综合性实验和设计性实验的设置上。随着教学改革的深入，我们加强了综合性实验的力度，采取了“三点一线”(三点：样品前处理、基体匹配、内标选择等；仪器参数的选择；方法在实际工作中的应用及实验数据的处理。一线：对上述三点以所用方法的基本原理为主线通盘考虑)、环环相扣、融为一体的方法，形成了从低到高、从基础到前沿、从接受知识型到综合能力型的逐级提高的实验课程新体系，给学生提供了更多的选择和扩展的余地，同时节约了课时。新的仪器分析实验课程体系以“加强基础技能训练，注重全面素质培养，强化创新意识养成，突出个性能力发挥”为指导思想。坚持课程的系统性和完整性，既要涵盖仪器分析实验的基本原理及操作技能，又要考虑各学科之间的联系和渗透。为此我们选编了7大系统35个实验供学生选做，其中增加了一些生物化学及环境化学的实验内容，并结合教师的科研工作，不断补充新的实验内容。如“室内环境或食品中异味化合物鉴别及异味强度测试”，“铋系超导材料(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)中Bi、Sr、Ca、Cu、Pb的ICP-发射光谱法测定”，“高效液相色谱法测定Bt生物农药中酪氨酸含量及毒力效价的测定”，“原料乳中三聚氰胺的快速检测——液相色谱法”等实验内容都是任课教师的科研成果转化成的实验项目。

为了体现课程体系的现代性和实用性，实验课程内容的设置应以培养学生综合能力为主线并贯穿始终，将知识与技能融于一体并体现现代化学实验技术和现代新仪器、新设备的应用。如“高效液相色谱仪基本操作与性能测试”、“GC-MS联用测定樟树油中主要成分”、“无火焰原子吸收光谱法测定人体指甲中的铜”等实验内容不仅反映了仪器分析在现代分析化学中的重要地位，而且实现了对学生由基础实验到综合实验的训练，提高了学生分析问题和解决问题的能力；同时实验的应用性大大激发了学生的学习兴趣，很多学生选择相关方向作为毕业论文或科技创新的题目。

4 实验考核方法的改革

课程成绩是对学生学习效果的最终评价。基于实验课时的比重较大和对实验工作的重视，将实验成绩占课程最终成绩的比例加大到50%，以改变学生重考试、轻实验的现状。对于实验成绩的评定设计了一套严格的打分方案以体现公平和公正性。将每个实验分为预习报告(10%)、操作技能(20%)、回答问题(10%)、实验报告(40%)(准确度、精密度、讨论等)、组织纪律(10%)、环境卫生(10%)等6个环节，分段进行评定并综合计分。在评定中，特别加大了创新能力的权重。由于采用两人一组的实验方式，每个学生都要亲自动手获得实验数据，所得实验结果与自己的实验准备是否充分、实验过程是否认真、实验操作是否规范及对实验现象的思考和讨论是否严谨等直接相关，对成绩也有直接影响。学生经过认真准备和深入思考，写出的实验报告不再是抄写实验讲义的内容，而是围绕实验结果有的放矢地进行讨论，这样有助于提高他们分析问题的能力，并养成严谨的思维习惯。

5 结束语

经过5年的教学实践，我们对应用化学专业300余名本科生和近百名研究生进行了仪器分析的实验训练，为学生后续的毕业论文工作奠定了基础。由于设备的不断更新，我系仪器分析实验的水平基本上可与现代分析化学同步。由于应用化学专业学生的实践工作能力强，适应面广，每年本科生的一次就业率在学院内居首位，研究生的就业率达95%以上。

仪器分析实验教学新体系对教师的业务素质提出了更高的要求。每个教师不仅要指导基本实验，还要指导综合设计性实验。这就要求教师既要有扎实的基础理论知识和熟练的操作技能，又要积极跟踪学科发展趋势，掌握新技术和新器件的应用，具有较强的科研能力。只有不断充实自己，更新自己的知识，才能给学生更好的指导，这就促进了教师业务素质的提高。我们将发扬优良传统，放开眼界看未来，坚定不移向前进。

[1] 谷春秀,周考文,李亚秋.实验技术与管理,2011,28(3):244

[2] 刘昭第,徐华杰,盛良全.实验科学与技术,2010,8(5):86

[3] 林春梅.考试周刊,2011(18):21

[4] 宋健,史晓敏.科技资讯,2011(9):196

[5] 张进,姚思童,董四清.广东化工,2010,37(11):175

[6] 胡小刚,俞英.大学化学,2010,25(6):28

[7] 王瑞勇,季米娜,张璐,等.光谱实验室,2011,28(1):259

[8] 陈景文.大学化学,2011,25(1):29

[9] 姚喆,李建强,刘杰民,等.北京科技大学学报(社会科学版),2008,24(增):139