仪器分析实验教改初探

彭学伟

【摘 要】针对高等院校仪器分析实验的教学现状，提出实验教学的改革思路。通过仿真模拟实验、实物模拟实验、验证实验和设计实验等四种不同层次实验构建的实验教学体系的实施，有力地保障了仪器分析实验教学，达到了培养学生实际动手能力的效果。

【关键词】仪器分析 实验 教学

仪器分析课程是化学专业指定的专业必修课，而仪器分析实验则是仪器分析课程不可或缺的一环， 其核心任务是通过对仪器设备的具体操作， 巩固学生对理论知识的掌握，并达到锻炼学生动手能力、培养学生实验素养的目的。鉴于仪器分析在现代分析中占有举足轻重的地位，当前国内高校对仪器分析理论课的教学普遍重视有加；相比而言，实践教学环节则显得重视不足。据笔者调查，学生在结束本科学业之后踏上工作岗位或继续深造时，很多同学不能正确使用一些基本的大型仪器如气相色谱、液相色谱等。造成这一现象的原因与高校扩招、实验经费紧张等客观因素有关。鉴于此，身处教学一线的教学人员需要根据实际情况确定合理的实践教学体系。本文简单地谈一下我们在仪器分析实验教学中的一些措施与体会。

针对仪器分析实验僧多粥少及仪器分析难学这一现实，我们在实验教学环节上设定四个层次，分别为仿真模拟实验、实物模拟实验、验证实验和设计实验。这四种类型的实验相互补充，共同构建仪器分析实验教学体系。

1 仿真模拟实验

受场地、实验装置以及课时和师资的限制，目前国内高校开设的仪器分析实验课基本采用分组实验的形式，多数实验为演示性实验，难以实现学生个人独立完成实验的目的，从而造成学生所学理论知识与实践环节相脱节。引入仿真实验教学，则在很大程度上解决了这一问题。首先，仿真实验弥补了高等院校实验经费不足的缺憾。大型实验仪器耗资大， 维护费用高， 在实验经费不足的情况下， 学校所能开出的实验项目和数量受到限制。仿真实验只需要仿真软件和一台计算机就能进行实验，弥补了因实验仪器及经费不足造成的缺憾。一些需要价格昂贵的仪器而无法开展的实验， 通过仿真就能够容易实现。

其次，仿真实验扩展了学生的实践空间和实验内容。只要有仿真软件和一台计算机就能进行仿真实验， 现在的大学生基本人人持有电脑，因此打破了时间和空间的限制。仿真实验作为实验前的预习， 学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验。实践证明，学生上机实践实验前所做的仿真实验，具有良好的预习效果。本校给化学工程与工艺专业的学生安排了仿真实验，而化学教育专业没有安排仿真实验，针对这一情况，我们比较了两专业同学的气相色谱实验，结果发现化工专业的学生对实验流程的掌握程度要比化学专业的学生熟练得多，实验耗时明显减少。

再次，仿真实验同实际实验相比增大了实验内容， 学生可以根据自己的兴趣爱好， 选择一些传统实验较少涉及的实验内容。例如进行气相色谱仿真实验练习时，学生可以选择四个不同的实验（表1）进行练习：实验Ⅰ采用的检测器为热导池检测器（TCD），其使用简单，学生很快便可以完成实验；实验Ⅱ采用氢火焰检测器（FID），由于需要用到多路气体，而且不同气体打开的次序有严格的规定，学生做此实验出现的问题较多，例如没有开氢气和空气点火或者没有点火就进样品等。热导池检测器和氢火焰检测器是气相通用检测器，相比而言，作为专属检测器的电子捕获检测器（ECD）和火焰光度检测器（FPD）在教学气相色谱中一般不配备，学生难以接触到。实验Ⅲ和Ⅳ中采用的检测器分别为电子捕获检测器和火焰光度检测器，学生可以通过仿真实验学习与这两种检测器相关的实验。实践结果表明，通过不同实验、不同仪器设备的实践练习，学生很好地巩固了理论课所讲授的内容。

2 实物模拟实验

尽管仿真实验具有以上提到的诸多优点，但是仿真实验毕竟是虚拟的，无法给学生真实感觉，因而也就无法替代实际上机操作。教学中我们发现即便是已经做了仿真实验的学生，在利用实际仪器进行实验时，仍旧畏手畏脚。产生这一现象的主要原因是学生不了解这些昂贵的精密仪器的构造与原理，怕操作不当损坏仪器，因而产生畏惧心理。鉴于此，我们在进行正规上机实验之前，利用报废的大型仪器作为学生学习仪器分析实验的第二课堂，通过展示仪器内部结构，使学生对精密仪器有一个直观、初步的概念及认识，达到巩固基本理论知识、熟悉仪器结构及微观过程的目的。此外，学生可以通过废置仪器进行模拟实验操作，待掌握必要的基本操作之后，再在正常的大型仪器上进行试验。这样，不仅可以令学生充分掌握试验技能，而且能够减小试验成本。

3 验证实验

通过仿真实验和实物实验模拟之后，学生较好地掌握了所用仪器的操作流程以及一些基本操作，对于大型仪器已不再感到神秘，畏惧心理基本消除。因此，实际上机验证实验操作实验中，学生对于教师所讲授的仪器构造和原理能够很快接受。此外，实验过程中基本操作的正确与否， 是否规范化， 是完成实验教学的前提条件。我们发现， 通过仿真实验和实物实验模拟，学生对于老师对仪器操作和实验步骤的讲解、示范以及所指出的各种操作过程中的注意事项和常规实验操作规范也能够较好的领会，在教师的指导下，他们可以尽快地正确使用仪器。调查表明，通过实际上机操作，学生对所学理论知识有了更深的理解。

4 设计试验

仪器分析实验是培养学生综合能力的重要课程， 通过本课程的学习，要求学生能够综合运用所学的知识和技能解决实际问题。学生通过大量的模拟实验和一定数量的验证实验， 加深了该学科理论知识的理解和掌握， 获得一定的综合测试技能和实验能力。但是验证性实验， 学生实践的对象、方法以及步骤等关键要素都是预先指定的， 缺乏主动性。学生在实验时， 只需按步操作就行， 在实验过程中基本无须思考， 更不需要创造性的探索， 这样使得学生不能对仪器分析过程的复杂性有一个全面的认识， 缺乏将知识内化为能力的环节。而设计研究性实验， 是结合教学而进行的一种探索性实验，其对于培养学生科学严谨的工作作风， 全面规范的实验技能具有重要的意义。学生根据兴趣选择实验课题， 查阅有关文献， 设计出完整的实验方案，在教师的指导下独立完成实验。学生通过设计性实验之后，初步掌握了科研的一般步骤，同时培养和提高了分析综合能力、实验动手能力、数据处理能力及查阅文献资料的能力。

实践教学表明，仿真模拟实验、实物模拟实验、验证实验和设计实验共同构建的仪器分析实验教学体系是一个较完善的实验体系。通过以上四个层次实验环节的学习，学生对于仪器分析实验的掌握，尤其是仪器的基本操作掌握得比较到位。此外，四种层次的实验环环相扣、循序渐进、相互补充，不仅有力地保障了仪器分析实验教学的效果，更为重要的是加强了实验教学的针对性、互动性和实效性，将“接受知识”和“发现学习”有机地结合起来，改“单向式”为“双向式”，引导学生由“学会”过渡到“会学”和“会用”，更好地调动学生的积极性和主动性，注重培养学生综合能力及创新素质的提高。

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