高等林业院校“仪器分析”研究生课程教学改革的探讨

吕兆林1 李林竹 袁玮琼 武 艺 韩 雪

(1.北京林业大学公共分析测试中心，北京 100083；2.北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083)

仪器分析是以测量物质的物理性质或物理化学性质为基础，利用较复杂而特殊的仪器来确定样品的化学组成、含量及结构的一类分析方法[1-2]。“仪器分析”研究生课程在高等林业院校中已成为化学化工、生物工程、材料科学与技术、食品科学与工程、环境科学等专业的重要基础课程。通过“仪器分析”研究生课程的学习，让学生掌握各种仪器分析方法的基本原理和实际操作规则，为学生后续专业课程的学习打下基础[3-4]，并提高学生解决问题的综合素质。笔者结合多年来对该课程的教学经验，从理论知识和实验两方面对该课程进行了教学改革，取得了较好的教学效果，现与同行专家共同探讨。

一、“仪器分析”研究生课程教学改革的背景

“仪器分析”课程作为北京林业大学研究生的专业基础课程已走过了36个年头。近年来，分析仪器得到了爆炸性发展，一方面利用大型精密仪器开展科学研究的方法得到急速提升，越富含国际承认的大型精密仪器检测数据的论文，越容易在高质量的学术期刊发表；另一方面全国科研院所和检测部门的高端仪器拥有量呈指数增长之势，对相应的高水平人才培养也提出了更紧迫的要求[5]。在此大背景下，随着北京林业大学“双一流”建设项目的执行、新的大型精密仪器的引入、所承担的国家级研究项目的不断增加，学校对研究生掌握仪器分析手段的要求也越来越高。

“仪器分析”是一门专业基础课程，适用于林学、生物工程、林业工程、环境科学、材料科学与技术、食品科学与工程等相关专业研究生学习。学生通过该课程的学习，系统地掌握各类仪器分析方法的基本原理、仪器结构，熟悉各类仪器分析方法的应用对象及分析过程，旨在激发学生学习兴趣的同时，提高和培养学生的学习能力、实践能力和创新能力。

目前，“仪器分析”研究生课程的理论知识和分析方法已被广泛应用于环境科学、材料科学与技术、森林培育、分子生物学、食品工程等领域，致使社会对仪器分析方面的人才需求巨大。因此，如何让学生深入地掌握“仪器分析”研究生课程的理论知识和分析方法，培养学生的应用能力，是“仪器分析”研究生课程急待解决的教学问题。

二、“仪器分析”研究生课程教学存在的问题

(一)理论教学存在的问题

1.理论教学内容更新、补充不及时

“仪器分析”是一门集多学科于一体的现代实验技术课程[6]，其发展迅速、内容丰富，所体现出的“与时俱进”特征更是其他课程所少见的，这使得该课程内容的及时更新变得尤为重要。例如，具有较高灵敏度和分辨率的全二维气相色谱质谱联用技术，作为一个全新的技术，由于其在复杂体系的分析方面具有其他方法无法比拟的优势，因此在林业院校林学、园林、环境科学、材料科学与技术、食品科学与工程等专业有着广泛的应用；GC-O(气相色谱-嗅闻)仪，它是一种感官检测技术，比任何物理检测器都灵敏，其在基础实验课程的教学中发挥着越来越重要的作用；除此之外，近年来核磁共振技术也得到了极速的发展，二维谱及多维谱技术在林业院校材料科学与技术、林产化学加工、环境科学、分子生物学、食品科学与工程等专业应用越来越广泛，也急需对上述技术进行补充。同时，计算机技术的发展也对仪器分析产生了巨大的推动作用，如利用软件进行谱图检索、数据分析等，所以相应的知识也需要及时补充到“仪器分析”课程教学内容中，以提高学生利用高科技知识解决实际问题的能力。

2.理论教学内容抽象且相应的学时少使学生理解和掌握理论知识存在困难

“仪器分析”研究生课程包含仪器的组成、结构、图谱、分析原理、使用流程等知识点，这些知识点内容抽象、不容易理解，且与实际应用结合较少，致使该课程内容过于理论化、教学枯燥无味，导致学生学习积极性不高，严重影响了该课程教学效果[7]。

另外，“仪器分析”研究生课程理论知识课时少，很多内容没有涉及，例如“仪器分析”理论课程包括核磁等多项前沿技术，而核磁技术的理论知识复杂又晦涩难懂，教师在讲授核磁共振技术时，由于课时限制，只重点讲授了氢谱的基本原理及谱峰归属内容，关于碳谱相关内容则没有涉及，使得学生难以将理论知识真正运用到实际中。

(二)实验教学存在的问题

1.实验内容陈旧、单一且缺乏前沿性

“仪器分析”是一门独立的研究生实验课程，其目的是利用现有的仪器设备开展实验教学活动，使学生学到的理论知识得到巩固的同时也加强学生的实验动手能力。但多年来，“仪器分析”研究生实验课程教学沿袭20世纪80年代初的教学内容及模式，致使该实验课程的内容陈旧、单一，缺乏前沿性和创新性实验。比如，气相色谱实验，测试的目标物为永久性气体乙烯，并没有涉及到液体、固体及一定温度条件下无法气化的样品；色谱定量实验，教师也仅仅通过“面积归一”一种定量方法去讲解定量过程，并没有将通用性较强的“外标法”纳入“仪器分析”研究生实验课程中；对于样品的进样方式，仅仅涉及到简单的手动液体进样，没有涉及到气体定量阀进样及现代实验室必备的自动进样方式。这使实验内容与现有科研内容脱节，不能满足当代研究生对所学实验课程的期望，因此笔者认为有待对该课程实验内容进行补充和更新。

2.实验仪器设备陈旧，与现代先进仪器设备差距较大

近10年，分析仪器爆炸式迅猛发展，出现了各式各样的高端分析仪器，与“分析仪器”研究生课程相关的仪器有色谱仪、质谱仪。比如，安捷伦公司的三重四极杆气质联用仪7010B/7000D GC/MS、四极杆飞行时间气质联用仪7250 Q-TOF GC/MS、三重四极杆液质联用仪6420A LC/MSMS、精确质量四极杆飞行时间液质联用仪6530B Q-TOF LC/MSMS及岛津公司的在线前处理气相色谱质谱联用仪GPC-GCMS、全二维气相色谱质谱系统GC×GC-qMS等先进的仪器。这些先进仪器的使用对于林业院校科研工作将起到重要作用，但在“分析仪器”课程改革前，该实验课程使用的依然是老旧的仪器，如色谱基础实验使用的是1983年世行贷款购买的日立公司的163气相色谱仪，所用记录仪仍为针式记录仪，仪器的精度不能满足当代科研任务的需求，且后期数据处理很难满足多样性的处理要求。

三、“仪器分析”研究生课程教学改革的措施

(一)理论教学改革

针对“仪器分析”研究生理论课程教学存在的问题，笔者对该课程理论知识内容进行了及时补充、完善，提高了学生学习兴趣，具体改革措施如下。

1.更新、完善理论教学内容

笔者对现阶段先进的仪器分析测试技术及理论知识进行了相应的补充，补充了全二维气相色谱质谱联用技术，引入了GC-O(气相色谱-嗅闻)仪等新涌现的色谱技术、核磁共振技术二维谱及多维谱技术，有利于林业院校的学生掌握先进的分析技术，进而对林业院校的科研工作提供强有利的技术支撑。先进分析技术的补充对于北京林业大学森林培育、森林保护专业以及园林、环境科学、材料科学与技术、食品科学与工程等专业科研工作提供了有利的支撑。同时，样品前处理在仪器分析过程中是一个十分重要的环节，样品前处理的好坏可直接影响仪器分析的最终结果，但是以往由于课时限制没有将其列入其中，此次结合学校科研的需求和学校新购入的大型仪器情况，笔者在理论知识教学课件中增加了吹扫捕集、顶空进样、固相微萃取、液相微萃取等样品前处理的内容。学生通过该课程理论知识的学习，不仅拓宽了知识面，而且也为接下来的该课程实验教学奠定了良好的基础。

2.采用多媒体与传统板书相结合的教学手段

为了使“仪器分析”研究生课程枯燥的理论知识点更加容易理解和掌握，笔者采用了多媒体与传统板书相结合的教学方法开展教学活动。对一些图谱的结构、反应路线的推导等内容采用以板书教学为主的教学模式；对于一些枯燥乏味的理论知识，如核磁共振原理、质谱工作原理等，则采用多媒体课件的方式开展教学活动，通过动画和视频的呈现，使抽象的理论知识不再枯燥，增强了学生学习的趣味性。

3.改进教学方法

(1)采用讨论式教学方法

在“仪器分析”研究生课程教学中，为了加强师生间的互动交流，笔者采用了讨论式的教学方法。首先，笔者提前提供一些关于仪器分析技术的热点及前沿话题，让学生选择感兴趣的题目查阅文献；其次，要求学生制作成PPT进行讲述，加强学生与学生、学生与教师之间的互动交流。这样做，一方面培养了学生自主学习的能力，让学生学会独立地获取仪器分析的相关知识；另一方面，活跃了课堂氛围，调动了学生学习的积极性，更重要的是先进的仪器分析技术得到了及时更新和补充，解决了该课程存在的先进分析技术不能及时更新补充的问题。

(2)开设前沿学术讲座

学术讲座的开展是提高教学和科研水平的有效方式之一[9]。为了拓宽学生知识面，让学生了解有关仪器分析不同领域的最新发展信息，在“仪器分析”研究生课程教学过程中，笔者根据授课内容和进度情况，开展了学术讲座活动。如，聘请清华大学、中国农业大学相关领域知名专家来学校讲解与该课程相关的理论知识及应用，为教师和学生提供交流的平台，开阔学生的思路。在讲座过程中，笔者邀请了多年从事核磁仪器使用及研究的专家学者，配合该课程内容，拓展讲述了碳谱、二维谱等相关的知识，从另一种途径补充了该课程的内容，解决了课时少的问题。

(二)实验教学改革

随着科研水平的不断提高、分析仪器的不断更新换代，对研究生测试技术的要求也相应提高，以往陈旧的实验课内容已经不能满足研究生的科研需求。因此笔者对2004～2016级北京林业大学研究生的“仪器分析”实验课程进行了整合，保留了基础实验内容，剔除了部分跟不上科研潮流的实验，并依据学生对实验的需求，增设了学生需求量较大的实验，以满足学校诸多专业学生的要求。

1.结合实验条件实际，优化实验内容

在综合考虑“仪器分析”研究生实验课程内容和仪器设备条件的情况下，笔者对现阶段难以满足科研需求的实验进行了淘汰。例如，淘汰了老式针打记录仪测试仪器灵敏度及最小检测量的实验，保留调试氢火焰检测器基础实验，用2010年仪器设备替代2000年气相色谱，测试“植物种子脂肪酸组成”。这不仅使学生学会了如何优化气相色谱分离条件，而且也让学生掌握了仪器发展的智能化方向。另外，笔者还保留了部分老旧仪器设备，用于讲解仪器结构，让学生在积木式的老旧仪器设备上看到独立的组件是怎样工作的，这有利于学生对仪器原理的理解。

2.结合专业发展，精选实验

随着近年来新仪器的迅速发展，教学大纲对“仪器分析”研究生实验课程教学提出了更高的要求，要求教师在教学中介绍本专业涌现的新知识、新技术、新方法，使学生受到现代科学技术的熏陶[10]。在此背景下，教师要结合学校现有的高端仪器设备和专业发展情况，精选实验。例如，用新购置的GPC-GCMS仪器完成对“植物精油组分定性的测试”，具体步骤如下：首先，通过GPC对样品进行净化；其次，采用气质联用色谱对植物精油组分进行定性测试。这个实验，不仅使学生对新仪器的结构和原理有所认识，而且对样品前处理及数据后处理等新知识点有了一定的理解与掌握，对科研有很大的帮助。

3.结合科研需求，开发新实验

结合科研需求，笔者开发了与实际联系更为紧密的、有代表性的实验。例如，温室气体含量的测定，随着全球气候变暖的问题变得愈发突出，学校新购置了温室气体测定仪，为该实验开设提供了硬件支撑。通过该实验，研究生不仅了解了气相色谱仪的结构特征，而且完成了气体样品的收集、采样点的布局、温室气体对应化合物的测试等任务，使学生真正感受到了用所学知识解决实际问题的乐趣。

4.结合专业特点，增设选修实验

随着高等教育事业的蓬勃发展，各高校大型仪器设备的使用率也随之提高。这些大型仪器设备具有高灵敏度、高准确度，能够快速地对样品进行定性和定量分析，在材料、环境、化工等领域应用广泛[11]。例如，核磁共振仪，它是现代化实验室的标志性大型仪器之一，因此“仪器分析”研究生实验课程增设了核磁共振选修实验。该实验分为3个部分：实物讲述仪器结构、上机实际操作测试样品1H-NMR谱、对测得的谱图(一难一易)进行结构解析。通过该实验，研究生对仪器的结构、原理和实际操作有了更进一步的理解和掌握。

5.修订实验指导书

笔者在多年的“仪器分析”研究生实验课程教学中发现，学生在实际操作时十分依赖实验指导书[12]。因此，笔者对实验指导书进行了修订，增加了仪器设备使用的操作程序和步骤的内容。通过形象生动的图表描述，学生比较容易地掌握了“仪器分析”实验课程中仪器设备的使用方法和步骤，达到了事半功倍的效果。

四、“仪器分析”研究生课程教学改革的效果

“仪器分析”研究生课程教学改革拓展了学生思维空间和知识范围，取得了较好的教学效果。

通过“仪器分析”研究生课程理论知识教学的改革，笔者补充完善了理论知识教学内容，改进了教学方法，培养了学生创新思维、科研能力和实践能力，提高了学生学习的积极性和创新性。通过“仪器分析”研究生课程实验教学的改革，学生的自主学习能力大大提高。学生在系统学习仪器分析的使用技术和方法的基础上，其基本实验能力得到培养，分析和解决问题的综合能力得到提升。

总之，“仪器分析”研究生课程是一门理论和实践并重的课程，无论是基础理论知识的夯实，还是实践应用能力的提高，都依赖于新的教学实践和课程改革[13]。因此，笔者认为，大胆创新、优化教学方法、提高教学质量，仍然是教师不断探索和研究的课题。