应用化学专业仪器分析课程教学与实验改革探析

王琦 贾剑平

(西安电子科技大学理学院 陕西西安 710071)

仪器分析(含实验)课程是我校应用化学专业本科生的主干基础课程。该课程培养学生掌握生产过程的监控以及对化工生产方面原材料、中间体和出厂成品的质量检测等分析检测的能力，对培养学生的科研素养、提高学生的动手能力非常重要；而且该课程的内容与化学分析工高级考证、食品检验工高级考证紧密相关，其重要性不言而喻。

仪器分析是一门实践性很强的综合应用技术课程，理论方面主要涉及化学、物理学、生物化学、数学、机械电子、计算机科学等。作为自然科学研究领域中物质的信息科学，仪器分析的发展被寄予越来越大的期望，已由单纯提供分析测试数据，上升到从原始的分析测试数据中最大限度地获取有价值的静态和动态物质信息，以解决自然科学各领域中的问题。因此，作为本科生的仪器分析理论与实验课程体系的教学，也越来越显示其重要性。

由于仪器分析的设备与方法更新很快，新的技术不断涌现，大型分析仪器结构复杂、操作步骤繁琐，因此仪器分析课程涉及的内容繁多，知识点较散。如何使学生在一学期时间内掌握仪器检测的基本原理，熟悉各种分析仪器的基本结构与各部件作用，并能够根据实际样品的分析要求正确选择相应的仪器分析方法是仪器分析课程教学的首要任务。我们根据自身专业特点，对仪器分析课程的理论与实验教学进行了一系列改革，取得了一定的成效。

(1) 及时更新课程体系，扩充应用知识。

仪器分析技术的快速发展对仪器分析课程教学提出了挑战，也暴露了一些仪器分析教材内容相对滞后的问题。因此，必须努力改革课程设置，根据现代分析仪器的发展及时更新教材、不断完善教学内容，特别要在教学中增加每种仪器分析方法在实际中的最新应用，以开拓学生的视野，激发学生的求知欲。例如，基于酶催化和免疫分析技术的方法在教材中少有涉及，我们在电位分析法一章的内容里增加了用酶电极和微生物传感器等测定人血液中的葡萄糖、尿素、乳酸等生物活性物质的教学内容。在伏安分析法一章里增加了电化学生物传感器在临床、发酵、食品、化工和环保等方面的应用，并增加了有关电化学免疫分析的原理以及基于PCR的生化分析仪器等内容。在红外吸收光谱法一章的内容里，我们打破了课本中所讲述的红外光谱法只能测定纯物质的限制，指出随着科技的发展和进步，出现了在线红外光谱分析，采用这种技术在工业上可实时监测反应原料，对比中间过程的谱图以及最后产物的谱图，实现产品收率和质量最优化；在农业上，在线红外分析仪可直接用于土壤和施肥等种植管理和收获等全过程的品质检测，提高农产品质量和产量，推行优质优价政策，将会产生巨大的经济效益和社会效益。在课堂上增加这些内容，有利于学生及时了解仪器分析的前沿动向，调动学生的学习积极性，并提高他们的学习兴趣。

我校是一所以信息与电子学科为主，工、理、管、文多学科协调发展的重点大学，是全国37所示范性软件学院的高校之一，也是全国20所获批准设立集成电路人才培养基地的高校之一。电子计算机技术和软件技术是学生最有兴趣的，因此，增加计算机技术和软件技术在仪器分析中的应用是十分必要的，这样学生能够实实在在地体会到电子计算机技术对其他科学技术的推进作用。通过学习，学生们认识到电子计算机技术已不断渗透到仪器分析的各个方面，仪器分析与计算机技术及软件技术等高新科学技术紧密相连，已经向着更精确、更全面、更智能的方向行进。在日常授课中，我们有意识地从多方面培养学生使用计算机软件技术的能力，如采用Excel、Origin软件处理实验数据以及制作校准曲线，协助教师制作与仪器分析实验有关的Flash动画，利用Photoshop软件对气相色谱的实验结果进行图像处理等。通过这种训练，能够帮助学生了解和掌握实验的原理及操作流程，对实验进行动态的、交互式的学习。教育教学内容的优化不仅能激发学生的学习兴趣， 还能扩大学生的知识面；更为重要的是，能把一种创新思维带给学生。

(2) 优化课堂教学，突出教学内容的重点和时效性。

良好的开端是成功的一半。能否上好绪论课，对激发学生的学习兴趣，以及能否学好仪器分析课程起着重要的作用。在绪论课介绍本课程的意义及应用时，应着重讲述一些仪器分析与人民生活息息相关的社会性应用。例如以我国的三聚氰胺奶粉事件、苏丹红事件及比利时的二噁英事件为例，指出采用一定的仪器分析手段，可以对这些样品进行准确的定性定量检测，从而减少此类食品、药品安全问题的发生。在讲述具体的某种分析方法的应用领域方面，指出仪器分析正在向生命科学、材料科学和环境科学等领域发展，纳米结构材料在仪器分析中的应用正在大幅度增长，可适时地给学生介绍一些在仪器分析技术中采用的新材料。例如利用石墨烯出色的电学性质组装成的电子器件可应用于电池材料、储氢材料、场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域[1]。这些新概念、新理论和新技术的引入大大充实了仪器分析的教学内容。

仪器分析的理论部分比较抽象，仪器的结构也比较复杂，在教学过程中，必须打破传统教学模式，采用多种课堂形式，激发学生的学习热情。在讲解各种分析方法的具体分析过程时，我们通过模拟被测化学物质的微观结构，以形象直观的图片或动画演示抽象的变化过程，从而给学生留下深刻的印象。我们还在授课中通过展示大量新型仪器的图片和视频，使学生对相关的仪器有较为直观的了解，其中各大仪器公司精心制作的宣传资料最受学生欢迎；我们将课堂中难以讲解的实验装置、光路图、电路图、仪器外观图、仪器操作步骤制作成幻灯片、录像、Flash 动画等，以直观、立体的授课方式提高学生的学习积极性与数据分析能力。这些方法的综合利用，提高了学生的学习热情，从而使学生积极思考，改被动听讲为主动求知。

为了充分运用现代化教学资源进行仪器分析课程的教学，我们从国际著名仪器公司的网站(或者从仪器展销会)大量搜集相关仪器的多媒体培训软件，如美国安捷伦(Agilent) 公司的高效液相色谱仪的培训教材和日本岛津公司的傅立叶变换红外光谱仪的培训软件，这些资料的应用有效地解决了仪器分析教材内容所存在的滞后性问题，从而能够帮助学生了解和学习国内外先进分析仪器的新理论、新技术、新方法和新应用。

在教授每一种分析方法之后，我们会对已学过的各类仪器、分析方法的原理及应用进行横向联系和比较，及时总结。在授课过程中，将一次课的重点内容写在黑板上有利于学生理解该部分的内容；对于一些典型的问题如库仑滴定法终点指示、气相色谱检测器的选择等，教师会在完成授课时提出问题，学生采用分组讨论的方式，对同一待测项目设计出不同解决草案，再通过组间方案交流，结合教师的点评，逐步加以完善。这种授课方式有助于调动学生的主观能动性，在不同的方案设计过程中进一步掌握不同现代分析仪器的原理与应用。

(3) 采用研究型教学法，以科研促进教学。

现代教育倡导加强实践环节，培养学生的创新精神和创新能力。以科研促进教学是提高大学教学质量的重要途径。科学研究不仅可以增加教学的深度、拓展教学的广度，而且可以更新教师的知识结构，完善教师的知识体系，提高教学效果。我们认为高校教师既要从事教学，又要进行科研，二者要有机结合，以科研促进教学。

在讲述伏安分析法的扩散电流理论(diffusion current theory)时，引入了发表在《Journal of Electro-analytical Chemistry》期刊上的学术论文“A Novel Formaldehyde Sensor Containing AgPd Alloy Nanoparticles Electrodeposited on an Ionic Liquid-Chitosan Composite Film”[2]，以使学生理论联系实际，理解扩散电流理论的精髓及其实际应用；在讲述电位分析法的应用时，引入科研论文“Direct Electrochemistry and Electrocatalysis of Horseradish Peroxidase Immobilized in Hyaluronic Acid and Single Walled Carbon Nanotubes Composite Film”[3]，指出酶生物传感器不仅能用于无机小分子和有机化合物的分析测定，现在已经在医疗、食品、发酵工业和环境分析等领域获得多方面的应用；在讲述纳米技术对仪器分析所带来的机遇与挑战时，引入科研论文“A Nanomaterial Composed of Cobalt Nanoparticles,Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and Graphene with High Electrocatalytic Activity for Nitrite Oxidation”[4]，使学生直观地理解纳米材料和纳米技术的相关知识，使理论知识具体化。

实践证明，科研做得越好，则教学越有说服力。由于将科研工作内容有效并及时地融入教学中，使学生获得了最新的科研信息，并初步学习了科研工作的思路，增强了他们进行创新实验的能力。

(4) 改革仪器分析实验内容，编写实用性教材。

仪器分析实验具有合成分析、药物分析、质量控制检测、创意研究等多项功能，能使学生通过“基本技能训练—综合实验—设计研究型实验”等多层次的教学实践，强化创新意识，提高综合分析问题的能力；而选好实验内容是上好实验课的重要基础。原有的实验项目比较陈旧，不适应现代分析化学的要求，因此，我们结合仪器分析的学科特点和仪器的配备现况，本着与时俱进的思想，自编了实验教材。在实验内容方面适当增加了反映新技术、新方法、新知识的实验，并在原有的验证性实验的基础上，增设了综合性实验和设计性实验，尽量多涉及各种仪器和各种分析方法。此外，还开设一些与人们日常生活密切相关的、学生比较感兴趣的实验，例如“原子吸收光谱法测定不同种类牛奶中的含钙量”，“氟离子选择性电极测定牙膏中的氟含量”，“气相色谱法测定假酒中甲醇的含量”以及“绿豆中SOD酶的提取与鉴定”等。这些实验与社会生活密切相关，能够让学生在掌握仪器使用方法的过程中，体会到仪器分析在实际社会中的应用。

仪器分析的实验课程属于课内实验，往往配有实验员准备测试所用样品，学生只是操作仪器。一个完整的分析检测过程应该包括前期的样品处理和后期的数据分析，这两点往往决定了分析的可靠性与科学性。鉴于此，我们让学生参与实验的整个过程，让他们提前进入实验室，在教师的指导下，自己完成样品处理，并设计实验方案。

(5) 开发虚拟仿真实验，促进仪器分析实验改革。

仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境，通过提供简单通用的交互界面，准确地计算并模拟实际实验状态和仪器操作状态，并分析、判断用户的操作流程，具有仿真性、交互性和实效性[5]。学生可以通过对仿真实验系统的反复多次模拟操作，加深对实验原理及操作步骤的理解。同时，计算机语言与程序设计、单片机技术及应用、电子技术是我校各专业学生的必修课程，通过学习，能使学生较好地掌握电子技术及计算机应用方面的知识。因此，充分利用我系学生在计算机编程方面的优势，大力发展虚拟实验室，对于改革仪器分析实验，提高仪器分析实验教学质量有重要意义。我们指导学生以Flash Professional 8软件为开发平台，利用Flash的表现力，研制了“原子吸收光谱法测定不同种类牛奶中的含钙量”的仿真实验，其系统模块结构如图1所示。

图1 原子吸收光谱分析仿真系统模块结构图

图2是气瓶室的气路调节讲解场景及相关的仪器设备，在场景及仪器设备的建模中,广泛使用了Flash Professional 8的滤镜技术，使模块的视觉效果好，且构建效率高。

图2 气路系统的调节过程演示

数据处理工作站是各类大型分析仪器不可少的一部分，我们采用Flash Professional 8的组件技术，构建了适合原子吸收光谱分析虚拟实验室的数据处理工作站(图3)。

图3 虚拟实验室工作站

与目前其他一些高等院校或中国科学院开发的原子吸收仿真实验相比，我们开发的原子吸收仿真实验具有原理清晰易懂，直观性强，操作简单的特点。学生利用仿真实验的测定过程进行实验操作，能使操作规范化，也能正确处理实验全过程中的一系列问题。由此可见，原子吸收仿真实验对原子吸收分析实验教学有良好的辅助作用。将原子吸收仿真实验应用于仪器分析实验教学，有助于提高学生的实验能力。

对于一些题材好的实验如“原子吸收分光光度法测定皮蛋中的铅”，由于受实验条件的限制(仪器未配套铅空心阴极灯)，可利用此仿真系统进行虚拟操作， 操作过程不必考虑实验耗材、仪器损耗等问题，可在仿真系统中反复训练。在仿真实验中，系统一方面给出了操作规程，另一方面也给了学生一些自由发挥的空间，学生可进行探索性试验；试验时如果出现问题，系统会及时提示，这比起传统实验学生发现问题的概率要大得多。在解决问题的过程中，学生的分析能力也能得到提高。

总之，在仪器分析实验中引入仿真教学手段，不仅能节约教学资源，还能提高教学质量。随着计算机技术的发展，我校的信息网络、电脑设备等硬件条件在不断改善，相信像仪器分析仿真软件这种具有较高实际教学作用的教学手段一定会得到越来越广泛的认可和应用。

综上所述，我校应用化学专业的仪器分析课程有自身的特色。在教学活动中，我们要继续努力，不断更新教学观念，调整教学内容，以适应专业发展的需要。另外，我们还要综合运用各种教学方法和手段，并充分考虑实验设备的实际情况和教学内容的特点，使学生不局限于对课本知识的理解，能得到实践性的锻炼，成长为既具有坚实的化学基础知识，又具有较强实验技能的高级复合型人才。

参 考 文 献

[1] 黄桂荣,陈建.碳素技术,2009,28(1):3

[2] Wang Q,Zheng J,Zhang H.JElectroanalChem,2012,674:1

[3] Wang Q,Zheng J.ChemPap-ChemZvesti,2010,64(5):566

[4] Wang Q,Yun Y.MicrochimActa,2012,177(3-4):411

[5] 刘舒帆,张晓虹,任姝婕.实验室研究与探索,2009,28(6):12