高等分析化学课程教学探索与实践

2012-09-25柯从玉孙妩娟郑莉张群正

大学化学 2012年1期

柯从玉孙妩娟郑莉张群正

(西安石油大学化学化工学院陕西西安 710065)

高等分析化学是一门研究和应用尖端分离分析方法和技术的课程，该课程近年来在很多高校的化学专业高年级学生和研究生阶段得到广泛开设。当然，其内容区别于大学一年级开设的分析化学[1-2]和二年级开设的仪器分析[3]，目的是使学生掌握用于成分及组成分析、结构分析、表面形态分析、物质物化性质测定的大型分析仪器的基本理论，训练学生正确掌握现代大型仪器分析实验的基本操作技术，能独立进行实验，具有分析问题和解决问题的科研能力，能够了解分析化学的前沿和发展方向。然而，在开设这门课程的过程中也发现了一些问题，比如高等分析化学课程的定位、教材建设以及如何改善教学方法等。首先，在教学过程中，没有合适的教材可供选用，目前只有李建平编写的《高等分析化学》(2007年出版)，但这本书的内容还是相对比较滞后，很多现代仪器分析方法没有介绍到，而且很多内容和分析化学及仪器分析教材的内容重复，只能作为参考书目使用。实际上，很多学校在开展这门课程时，都是从近代仪器分析教材和一些最新文献中整理出一些内容而编写讲义进行教学，这在很大程度上给这门课程的开设和学生的学习带来不便。其次，在教学过程中，由于这门课程缺少相应的实验课，而且介绍的很多内容都是比较新的仪器分析方法，仪器结构和分析原理相对复杂，这给教师的教和学生的学都带来很大的困难，结果导致教师觉得难教，学生觉得没兴趣学。笔者近年来主要承担分析化学及高等分析化学的教学工作，现就高等分析化学教学过程中存在的一些问题谈几点体会。

1 高等分析化学课程的定位

分析化学的发展经历了3次巨大变革，从20世纪初的经典化学分析，到20世纪60年代的仪器分析，而今，随着计算机、网络技术、激光、生物技术、纳米技术、光导纤维、功能材料、等离子体、化学计量学等新技术、新材料和新方法的快速发展，更进一步推进了分析化学的发展。分析化学已经发展到分析科学阶段，成长为一门建立在化学、物理学、数学、计算机科学、精密仪器制造科学等学科之上的综合性边缘科学。从发展趋势来看有以下特点：

(1) 高灵敏度(原子级、分子级水平)，高选择性，快速、自动、简便、经济,分析仪器自动化、数字化和计算机化并向智能化、信息化纵深发展。

(2) 微型化、特征化、传感化、仿生化，以及化学计量学的发展。

(3) 各类方法的联用技术是分析化学发展的另一热点，特别是分离与检测方法的联用。

(4) 运用先进的科学技术发展新的分析原理并建立有效而实用的原位、在体、实时、在线和高灵敏度、高选择性的新型动态分析检测和无损分析。

由此不难看出，现在的分析化学实质上是现代仪器分析的时代，因此，高等分析化学也可以称之为现代仪器分析。它是建立在传统的化学分析和仪器分析基础之上的一门学科，代表了分析化学发展的前沿和方向，是化学化工专业学生必须掌握的现代分析技术。它对于学生的知识、能力和综合素质的培养与提高起着非常重要的作用，可作为化学专业高年级本科生或研究生的选修课程。

根据分析化学发展的趋势，课程设计的思路应从不断提高测定方法灵敏度到加强仪器的联用和计算机化、密切与生命科学及材料科学相联系出发，并引进化学传感器和化学计量学这样的新分支学科，以便从不同侧面反映出现代分析化学发展的方向。教学重点应放在各种新分析方法的原理和结合实际进行应用上。通过该课程的学习，使学生能够根据分析对象的要求结合学到的各种仪器分析方法的特点、应用范围，选择适当的分析法，具备分析、解决实际问题的能力，从而为其以后的工作、科研及进一步的学习做必要的铺垫。显然，高等分析化学课程对于化学化工和一些工科类专业人才的培养具有重要的意义。

2 高等分析化学教材建设

为了适应高等分析化学课程开展的需要,首先必须要有相配套的教材。虽然分析化学和仪器分析的教材很多,但目前市场上还没有一本好的高等分析化学教材,因此,高等分析化学教材建设势在必行。

当今分析化学知识在多个前沿领域不断蓬勃发展，尤其是分析仪器的发展和更新更是日新月异。因此，虽然一本教材不可能包括所有的仪器分析新方法和新技术，但在内容选取上应既兼顾知识的全面性，又具有代表性。高等分析化学教材必须能够紧扣分析化学发展的前沿，介绍分析化学中的新原理、新技术和新仪器，包括化学计量学、传感器过程控制、自动化分析、专家系统、生物技术和生物过程以及分析化学微型化带来的微电子学、集微光学和微工程学等。由于这门课程是在分析化学和仪器分析基础上开展的，故在内容选取上尽量不要与这两门课程重复。仪器分析法包括光分析、电化学分析、色谱分析、质谱分析、热分析及分析仪器联用技术6大类，而每一类分析技术里面又包括很多分析方法。由于受学时安排和学生接受能力的限制，大部分高校的仪器分析课程内容都是选取一些最基本和常用的分析方法进行讲授，而一些原理和仪器较复杂的新方法却往往没有涉及到，比如光分析中的核磁共振波谱、X射线荧光，电化学分析中的化学修饰电极、超微电极等，色谱分析中的二维液相色谱及超高压液相色谱技术；热分析及分析仪器联用技术在仪器分析课程中也较少涉及到。可这些内容才是现代分析科学的前沿技术，也是目前高通量、高选择性分析手段的代表。因此，可以把这些内容放在高等分析化学的教材里，使之成为学生所学知识的延续。另外，教材的对象并不仅限于从事分析化学的专业人员，生命科学、环境科学、海洋科学、临床医学、食品科学以及地理地质等诸多学科的研究和发展都离不开分析化学原理和技术的进步与发展。

根据高等分析化学的定位，结合我校专业设置的特点及分析化学和仪器分析课程的内容，我校开展的高等分析化学课程内容及学时安排如表1所示。本课程的内容安排基本包括了分析化学发展的新方法和新技术以及最新的一些新仪器，能够充分体现高等分析化学课程的特色。

3 如何教好高等分析化学课程

根据高等分析化学课程的特点,大部分高校只开设了理论课,而且由于所介绍的内容一般较新,很多技术原理和仪器结构都相对比较复杂,教学内容涉及的知识点繁多、零碎，章节之间的联系与区别难以有机地结合起来形成一个完整的课程体系,导致教师对课堂教学的尺度难以把握,不易激起学生的学习兴趣。对学生来说，由于缺乏实践环节，很多知识点仅凭教师的讲解很难使他们有直观的认识，对很多分析原理的认识也很模糊，从而使基础较差的学生跟不上教学进程，产生消极情绪，教学效果不佳。根据这几年的教学经验，本人认为可从以下几方面着手来提高这门课的教学效果。

表1 高等分析化学课程的章节内容及学时安排

(1) 教师应提高自身业务水平。

教师作为教学的组织者和知识的传授者，要讲好高等分析化学课程，必须要表达清晰、知识渊博，尤其要掌握分析化学领域的前沿动向，只有这样才能在课堂上挥洒自如，才能将深奥的理论知识讲得深入浅出，生动形象，才能更好地激发学生学习的欲望，达到事半功倍的效果。如果教师对讲授的内容只是简单地了解而不是系统地掌握，那么教学效果自然不佳。所以教师应该不断提升自己的业务水平，吃透教材内容，而且要多看文献和参考书，不断完善自己的知识结构，在教学中不断提高自己，为搞好教学打下坚实的基础。由于教材内容永远跟不上分析化学发展的步伐，因此，在教学过程中既要尊重教材但又不能拘泥于教材，教师要能够联系实际，将最新的仪器分析发展动态介绍给学生。

(2) 调动学生学习的积极性。

在教学方法上，应注意发挥学生的主体作用，充分调动学生的积极性。在课程的讲授、作业、习题等教学环节上采用以教师课堂讲授为主，结合讨论课和自学指导课等几种不同类型，这样既可节省一定量的课时，缓解教学内容多与计划学时少的矛盾，又可以培养学生自主学习和查阅文献的能力。

高等分析化学也是一门实践性非常强的课程，如果单靠教师在课堂上讲授很难起到很好的作用。在教学过程中，应根据教学内容给学生布置作业，选取一些与生活息息相关的实际问题让学生根据所学知识来设计分析方案，比如在讲到液相色谱-质谱联用时，联系目前市场上存在的瘦肉精问题，让学生通过课后查阅相关资料，并根据所学知识设计检测方案，然后在下节课开始时留出一部分时间进行讨论交流，并将学生的表现计入平时考核成绩。这种方式既可以提高学生分析问题、解决问题的能力，又可以调动学生学习的积极性，加深对课堂讲授内容的理解。

(3) 注意不同分析原理和方法的对比。

讲授好这门课的关键是让学生了解这些新分析方法的特点、基本原理、仪器的基本构造及主要部件的作用、方法的应用范围，并掌握常见型号仪器的操作规程及使用方法。高等分析化学课程中的许多知识点都具有一定的关联性，因此教师在教学过程中应注意内容之间的相互联系与融合。比如超高压液相色谱，其分析速度、分辨率和灵敏度都远远高于传统的高效液相色谱技术，其原因是什么？如果我们对这两种分析方法的原理及仪器结构进行对比，结果就一目了然了。总之，在教学过程中要善于对不同分析方法的原理及分析仪器结构的异同点、优缺点进行对比，这样有助于加深学生对所学知识的理解和巩固。

(4) 充分利用现代教育技术手段提高学生的学习兴趣。

随着教学体制及教学改革的不断深入，只靠传统的教学模式已不能适应教育发展的需要。多媒体的使用改变了传统的教学模式，使抽象的理论以直观的形象展现在学生面前，大大提高了教学效果。同时，采用现代教育技术，能扩大课堂传授的信息量，灵活多样的教学手段也能增加学生的学习兴趣。

由于这门课程涉及到很多新原理、新仪器，在没有实践课的条件下，一方面教师很难通过板书的形式把教学内容讲清楚，另一方面学生也没兴趣听，而多媒体技术刚好能弥补这个缺憾。多媒体技术声、文、图、像并茂，有效克服了传统教学单调乏味的不足，有助于提高学生理解能力，提高学习效率。教师可借助于网络平台，下载或制作一些和课堂内容相关的图片、动画等，再结合教学内容制作高质量的多媒体课件进行授课，比如在讲电子能谱时，由于原理比较复杂，学生很难掌握。如果按以下形式讲授：X射线光电子产生→X射线光电子对待测原子内层电子的激发→形成空穴→较外层电子跃迁到这个空穴→将能量传递给较外层的另一个电子并使其发射→形成电子能谱(图1),并将整个过程用动画的形式表现出来，就非常形象，而且很容易理解。