大型仪器分析技术在环境类专业本科实验教学中的实践与探索

陈 皓，李明利，肖乾芬，刘海玲，张 华，袁 园

（同济大学 环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

随着对环境问题认识的深入、对环境质量要求的提高以及对污染物的环境行为、生态毒性及控制过程等环境课题的研究也不断深入，环境监测的任务越来越重，污染物的定性定量分析技术要求越来越高。在实际监测工作中，环境监测与分析不再仅限于天平、烧杯、滴定、比色等传统的器具和技术。在各级环境监测部门及相关企业，大型仪器分析技术已逐渐成为环境污染物监测的核心技术[1－3]。随着国际国内相应标准及统一监测方法的建立与完善，以及环境保护对分析技术要求的提高，仪器分析技术开发及应用的需求将快速增长。监测技术与仪器分析的水平将直接影响着环境管理工作与国际接轨的步伐。而掌握环境领域相关知识又具备仪器分析技能的人才将会更快适应环境保护对监测技术发展的要求[4]。有针对性地将这些先进仪器和技术介绍给学生，指导学生掌握如何选择分析仪器、如何建立系统的样品预处理及分析方法、如何判断分析结果的准确性等相关知识，具有现实意义。仪器分析技术强调实践和操作，除了必要的理论教学，重视和加强实验教学是该课程教学的重要环节[5－6]。

大型仪器存在成本高、台套数量有限、操作复杂等特点，为了能更好地开展大型仪器为环境类专业本科教学服务的工作，尝试了从光谱类仪器入手，以环境科学专业的本科学生为试点，进行了大型仪器使用、应用与维护的教学[7]。试点工作得到了学校教学管理部门及学生的一致认可。在此工作的基础上，拟面向部分学有余力的学生开设环境样品现代仪器分析技术课程。作为一门新开设的完整的实验课程，“环境现代仪器分析技术”需从课程目标、课程大纲、课程讲义等各个方面进行全面建设。

1 课程建设的目标

由于实验设备限制，现代环境仪器分析技术实验课程不适宜全面铺开，授课对象为环境类专业部分优秀本科生，特别是积极参与创新实验、有志于科研工作或出国深造，或其论文方向以实验研究为主、分析手段涉及大型分析仪器的学生。课程有助于学生巩固环境监测的要求、法规与规范，学习复杂环境样品的预处理和分析方法，通过对实际样品的分析，学习掌握3～4类大型分析仪器的原理、结构和基本使用方法，提升综合分析能力及实验研究能力。

2 课程软硬件基础

2.1 硬件要求

仪器分析有别于传统分析，硬件要求相对较高，每台仪器价格约在数十万元到数百万元不等，这也是制约该类课程开展的重要原因之一。我校污染控制与资源化研究国家重点实验室配备有气相色谱、液相色谱、离子色谱、凝胶色谱、气相色谱质谱联用仪、液相色谱质谱联用仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、电感耦合等离子体发射质谱仪、红外光谱仪等各类大型分析仪器合计数十台，型号高端，涵盖了目前环境领域用于样品分析的各种类型仪器，部分仪器同一型号有多台。这些仪器既是进行环境科学高端科研的重要工具，也是开设相应实验课程的优质硬件资源。

2.2 教师队伍

仪器分析课程中每一类仪器的原理、结构和使用方法都差别很大，原理抽象，知识点琐碎。为了提高教学效果，每类仪器都聘请实验室管理具体仪器的专职教师授课。这些教师长期工作在仪器分析与管理工作第一线，无论在仪器理论还是实际分析工作中都具有充足的知识储备和丰富的分析经验，完全能胜任实验课程的指导工作。

3 课程建设与实践

3.1 教学仪器甄选

大型仪器种类很多，根据类型可分为光谱类、色谱类、质谱类、电化学类等；根据应用范围可分为无机物检测、有机物分析、样品结构性质表征等；根据测量范围可分为常量检测、微量检测、痕量检测和超痕量检测等；根据分析目的可分为总量分析、形态分析；根据分析性质可分为定性分析、定量分析及半定量分析等。

在选择对本科教学开放的仪器类型时，主要遵循以下原则：首先考虑在环境样品分析中使用频率高、可分析指标多、具有代表性的仪器，以突显实验课程教学的实用性；其次考虑实验所用的仪器尽可能覆盖多种仪器类别，以提高课程教学效率；然后考虑仪器的操作时间及难易性。通常一个实验的最长时间为4学时。大型仪器原理较为复杂，样品分析过程往往耗时较长，在同类型仪器中选择时，尽量考虑分析时间短、容易上手的仪器设备。

综合考虑，选择了以气相色谱仪、液相色谱仪、红外光谱仪、电感耦合等离子发射光谱仪为代表的仪器开设实验课程。

3.2 实验项目甄选

实验教学的传统理念是培养学生的“三基”能力，即掌握实验基础知识的能力、掌握基本实验方法的能力、掌握实验基本操作的能力[8]。实验教学强调理论的指导性，以对理论的验证为主要目的。实验教学内容主要是教学大纲中规定的较为固定的项目，通常为辅助理论教学的验证性、操作性实验项目。

相比传统的比色滴定等分析方法，大型仪器集成度较高，原理结构都较复杂。仪器分析实验教学具有系统性、综合性、复杂性、灵活性等特点，是对理论的补充、深化和发展。为了提高教学质量，能让学生真正掌握仪器分析的知识技能，在实验项目选择上兼顾实用性和探索性，将每一类实验教学内容分为验证性实验和提高应用性实验2个层次，让学生从理论到实践全方位掌握仪器的使用方法，基本具备独立使用该仪器分析环境类样品的能力。

验证性实验以基本技能训练为主，通过实验项目的设置以及实验课程的教学让学生能了解实验基本原理与方法，实验项目的重点在于仪器理论与操作知识，侧重于知识点的学习，为下一个提高性实验打下基础。

有了验证性实验的基础，再进行提高。验证性实验和提高性实验两者有交叉，但又不同。前者是基础，强调基础知识的掌握，以培养学生科学实验的基本素养和动手能力为主要目标。后者是加深、拓展知识及综合能力的培养，强调学生自己对实验条件的优化和对实验结果的分析。在提高性实验中，要求学生能根据实验目的和要求，设计简单的实验流程，并在实验实施过程中进一步掌握大型仪器的操作及部分高级功能。实验内容兼顾系统性、综合性，涉及到多个不同类型的知识体系，包括样品预处理方法、分析方法建立、样品分析、数据处理等，并要求能将实验结果对比国家标准，对样品性质做出评价。

课程立足于环境学科，强调实践，通过学生自己动手，使他们更好地掌握各种现代分析仪器的基本原理、操作方法以及在解决复杂环境问题中能够应用。通过样品预处理、仪器原理结构、仪器方法设置、仪器分析及数据处理等系列实验环节，培养学生独立使用仪器及分析复杂环境样品的能力。为了真正能让学生学以致用，在将来的工作或科研过程中用高端仪器解决环境科学研究中的监测分析问题，在实验项目安排上跳出经典实验的框框，全部选用自编实验项目。实验内容尽可能贴近环境领域中关注的热点问题，实验过程中的样品大都为真实环境样品。如：原子光谱类实验以人们关注的饮水安全问题，开设了自来水中常见金属元素含量的分析项目；分子光谱实验则以土壤、污泥、水处理超滤膜等常见环境样品为测试对象；红外光谱分析方法研究污染物的种类及其结构。这样的选题与选材大大激发了学生的实验积极性。通过实验课程，学生能运用所学的实验技术和操作技能解决环境领域中所遇到的一般性实际问题，有效缩短学生解决实际问题的适应期。

根据实验项目设置的目的，结合环境学科科研及日常监测项目的应用情况设置具体实验项目，见表1。

表1 实验项目列表

3.3 编写实验讲义

讲义编写的原则主要考虑以下因素：自成体系的实验教学教材，内容涵盖实验项目涉及的四大类仪器；内容应立足于大型仪器在环境样品监测中的应用，避免与传统的仪器分析教材雷同；立足于非分析专业的本科教学，讲义从简到难，循序渐进，并将仪器分析基础和实验室安全等内容纳入讲义范围；每一类仪器强调全面性、系统性，内容编写涉及预处理方法、实验原理、仪器结构和操作规程等。

实验讲义共分绪论、仪器分析实验室常识、分析结果质量控制与统计处理、金属元素定性定量分析、有机物定性定量分析、环境物质的结构表征6章。其中前3章为分析基础，内容涉及环境样品的特点分类及预处理方法、分析实验室的注意事项及安全知识、数据质量判断与处理，后3章则分别为各类仪器的原理、结构、应用及相关的实验指导内容。

3.4 探索实验课程手段与模式

目前仪器分析课程大都为化学系或研究生教育开设，针对环境专业本科生开设类似系统化实验课程很少[9－12]。部分学校虽然开设了相关内容的实验项目，但由于受到各种条件限制，大都以参观、演示为主，很少能进行实际操作方面的练习。为了能使课程达到预期效果，我们在教学手段与模式上进行了探索。

（1）择优培养。由于大型仪器台数较少，在课程性质定位上设置为选修课程。在培养目标定位上，强调主观兴趣，自主报名，根据学分择优选择，对课堂人数进行严格限制。参考研究生的教学模式，按照小课甚至超小课的规模进行实验教学，增加学生练习时间的同时也增加了师生之间讨论交流的机会，从而提高课堂实验效果。

（2）加强预习要求。大型仪器原理相对复杂，课程的预习工作尤为重要。除相应的实验讲义外，任课教师提前一周发放相应的参考资料、提出详细的预习要求，并要求撰写预习报告，以提高课堂实验效果。扎实的理论基础可以帮助学生认识仪器的特性及应用范围，更快地掌握仪器使用的基本技能。

（3）重视操作练习。大型仪器集成度和自动化程度均较高，和传统分析实验相比，动手步骤反而可能更少，更多的是要求对原理的掌握、软件的熟悉以及对实验结果的分析。但这些内容正是仪器分析技术的重点和难点，增加学生亲自操作的训练，可以帮助他们掌握原理、学会应用。由于大型仪器台套数较少，采用前处理与仪器操作错位分组、使用离线软件进行软件使用练习等多种方式，让每一位学生都能够上机亲自操作软件，熟悉样品分析流程，有充分练习的机会。

（4）教学手段多样化。仪器分析原理复杂、分析过程程序步骤多，采用多种教学手段相结合的方法可以显著提高教学效果。实验教学过程中，实验讲解采用板书和多媒体结合的方式可以使原理更易理解，实验操作采用实际操作演示教学及视频教学相结合的方式，可以多角度加深印象，便于学生模拟操作，更快掌握软件的使用方法。

（5）强调讨论环节。传统的实验通常为完全验证性实验，需要严格地控制实验条件来得到准确的分析结果。大型仪器的分析技术相对复杂得多，样品复杂、分析目标物多样、分析参数可选择可优化。在实验过程中，注重对解决实际问题能力的培养，积极采用启发、引导、互动式的教学方法，增加实验过程和实验结果的讨论。通过讨论环节培养学生自主创新的科研素养，学生能更主动地观察实验现象、分析实验结果，与教师的交流也更有针对性和探索性。

4 课程特色

本实验教学的课程实践与探索以开设实际实验课程为出发点，探索国家重点实验室平台如何为本科教学服务，加强大型分析测试仪器对本科生的开放，以每位选课学生都能掌握实验开设的大型仪器的原理与使用方法为目的，确立了具有专业特色的课程建设目标，编写以培养现代大型分析仪器使用技能为目标的具有环境专业特色的实验讲义。课程实践突破传统实验教学模式，采用多元化的教学元素，以培训学生处理复杂环境样品的能力为主要目的，提高学生利用仪器分析方法分析样品的能力。

（References）

[1]向东山，谭建华.现代仪器分析技术在环境监测中的应用[J].湖北民族学院学报：自然科学版，2011，29（4）：423-428.

[2]胡冠九.浅谈环境有机污染物监测发展趋势[J].环境监测管理与技术，2010，22（3）：18-21.

[3]谢红梅.环境监测分析仪器的发展[J].理论研究苑，2012（10）：226-227.

[4]宋国强.论环境监测人才发展[J].中国环境监测，2012，28（3）：9-13.

[5]徐鹏.仪器分析教学改革探索与研究[J].中国现代教育装备，2011（7）：126-128.

[6]刘廷凤，杨凤，李红艺.环境工程专业仪器分析课程教学存在的问题及改革措施[J].高等教育研究，2009，26（1）：69-70.

[7]陈皓，刘海玲，袁园.现代环境分析技术实验课程的建设与实践[J].实验室研究与探索，2011，30（6）：300-302.

[8]刘银萍，彭端，蒋力立.创新实验教学与传统实验教学的比较[J].广东工业大学学报：社会科学版，2010，10（5）：27-30.

[9]张培敏，陈恒武，郭伟强，等.仪器分析实验教学改革初探[J].大学化学，2007，22（2）：10-12.

[10]周金池，王美娟.研究生仪器分析实验课程改革思路初探[J]，实验室探索与研究，2011，30（6）：138-141.

[11]刘静，尚永辉，刘建波，等.提高仪器分析实验教学质量培养创新型人才[J].实验科学与技术，2010，8（6）：79-82.

[12]武俐，邰超.环境工程专业“仪器分析”实验教学现状及改革探讨[J].中国电力教育，2012（13）：108-109.