生物仪器分析理论及实践教学改革探索

黄 毅， 马 林， 陈红英， 李良春， 郑仁林

(西南科技大学 生命科学与工程学院, 绵阳 621010)

伴随技术的发展，科研创新中的仪器功能愈发强大，使得分析化学发生了深刻的变革。分析化学中的仪器分析，已成为生命、环境、材料、食品、医药以及航天科学等领域的重要研究工具。因此，在高等教育中，许多高校为了使培养的人才能从容面对新世纪科学技术快速进步的挑战，早已将仪器分析列为相关专业学生必修的基础课程。

在生命科学领域，仪器分析对该学科的渗透更是愈发快速，冷冻电镜技术[1]、单细胞测序[2]等新分析技术的更新使很多生命科学进步由量变到质变，其已成为推动该学科发展的重要动力。相关专业(生物工程、生物技术等)学生通过掌握常用分析仪器的基本原理和操作技术，再通过实践训练，可显著提高学生在未来研究或工作中样品分析和解决问题的能力。由于仪器分析课程内容广，部分高校生命学院为了体现其与生命科学的结合，将课程更名为“生物仪器分析”。但是，从本课程组文献调研和与同行的教学交流中发现，生物仪器分析课程在国内的教学实践依然存在教学内容不突出，理论及实践内容和学科结合弱等诸多问题。我校通过对以上问题的反思，构筑了一套课程改革方案，并用了两年时间革新实践，获得了一定的优化结果。

1 现状和问题

1.1 理论和实践教材匮乏

因仪器分析隶属化学学科[3]，市面现有教材多为分析化学专业所用教材的移植和压缩，虽内容经典，但未能充分体现与生命科学学科的衔接。唯一相关教材是2014年由化学工业出版社出版的《现代生物仪器分析》，该书介绍在生物科学中应用的各种仪器分析方法，但内容非常宽泛，重点不突出，案例介绍较少。此外，在实验教材方面，只有生物化学仪器分析实验，临床生化仪器分析实验等教材，而无任何统一的生物仪器分析实验教材可供采用。

1.2 课时少且内容繁杂

仪器分析涵盖内容丰富，包括光、色、波谱及电化学等多领域。分析方法多，种类杂，仪器和方法均更新快速，各章内容又相对独立，逻辑和连贯性不强。当其作为一门单独课程，在有限学时内，学习难度会非常大。通常，生命科学相关专业仅在一学期中开设该课程，如果授课教师不能根据应用热点和实践条件做针对性的内容选择和精简，教学内容的繁杂会大幅降低教学效果。

1.3 实践教学困难

作为一门实践性很强的课程，实验必须依托设备这一媒介开展。但该硬件条件受诸多因素影响，比如科研设备的专人使用，贵重设备的限制使用，旧设备的淘汰更换以及设备台套数等客观现实都将制约该课程的实践教学。目前，部分学校该课程的实践环节教学，仍多以大组演示和观摩为主，鲜有小组学生直接操作。动手机会的匮乏造成学生即便理论考试成绩再好，也无太多实际价值。

2 改革方案

任何有效改革的成功都需要考虑实际的环境现状，本课程改革也遵循这一基本规律。首先，我们参考相关课程同行的做法，融合专业特色挑选教学内容[4-5]，根据我校生物工程、生物技术专业的常规应用点拟定教学范畴，摒弃不常用的教学章节；其次，调研现有学院可供该课程使用的设备并据此再次精选理论和实践教学范围。有以上基础后，课题组再以“学以致用”为出发点，以实际生产和研究中的分析应用为导向，拟定具体教学章节和实践项目。

2.1 理论教学

2.1.1 模块重构

包括光、电、色、波谱分析等多个领域的仪器分析教学，其在生命科学领域的应用范围较大，因此在有限的理论课学时下(理论教学32学时)选择最适宜的教学内容至关重要。由于生物仪器分析的研究对象多是生物体中的各类分子，包括蛋白质、核酸、糖类等生物大分子，也涉及脂肪酸、维生素、氨基酸和一些有机小分子。因此，光谱分析(紫外可见分光光度法和红外光谱法)、色谱分析(气相色谱法、液相色谱法和平面色谱法)和电泳分析最常用。而生物样品预制备主要介绍各种生物材料在分析前的通用处理方法(包括材料预处理，提萃取技术，固液分离，浓缩和干燥及样品保存等)，是多数分析操作初始阶段的相同工作，也是必讲内容。以上4大模块同时在实践环节设备满足度上也最易达成，因此应作为必讲章节，不可省略。

另外，结合我校生物学专业特色——生物环境修复可选讲原子吸收和发射光谱；专业特色——天然产物开发可选讲核磁和质谱分析。对于学有余力的同学，给予部分自学内容供其自我提高。整体32学时的理论课学时分布如表1，这种教学模块构成相比一般的仪器分析课程去掉了部分章节(比如荧光分析、电化学分析等)，但却和生命科学方向结合更紧密，反而显得精简和实用。以上这些章节的实践在生命科学相关院系也最易实现，理论学习后即可实践加强。此外，课题组还自编讲义，授课前下发PDF版讲义给学生，大幅降低了该课缺乏统一教材的影响。

表1 生物仪器分析课程理论教学模块

2.1.2 教学方法

病虫害防治是冬枣幼果期的一项重要管理内容。病害主要防治炭疽病、斑点落叶病、锈病等，虫害主要防治盲蝽蟓、红蜘蛛、桃小食心虫等。

1)讲授的条理和重点。在课程教学时对每种仪器分析均按“基本原理→仪器结构→定性与定量分析方法→应用”为纲细致讲解，以应用案例提升学生兴趣并串起内容。如讲授液相色谱章节时，首先列表介绍其在生命科学中的应用，再细致讲明踏板理论、速率理论及各种色谱参数等基本知识。最后将色谱峰定性，内外标定量方法作为重点内容，以案例形式进行讲解，力求让学生学一个方法，就知其基本原理，应用面及如何使用。而一些固定相、流动相的种类及选择优化等高阶内容就以PDF文件形式留作阅读资料，让学有余力的学生在课后自学。

2)音视频和实物教学。多媒体质量的好坏是本课程理论教学水平提高的关键。PPT中要用图片抓住学生注意力，视频演示提升知识记忆度，再拿出实物展示，效果层层推进。课程组教师常会带上一些小设备或报废仪器的拆件进入理论课堂，面对实物讲解原理、结构、功能和操作方法。比如讲解样品预处理时带入涡旋混合器，紫外可见分光光度法教学时带入比色皿，红外光谱法教学时带入KBr压片，色谱法教学时带入商用TLC薄层板和拆开的废旧液相色谱柱。理论课上这些小实物的带入再结合图片和音视频的使用会大幅优化教学效果。

3)问题引导教学。通常在讲解技术原理时，内容会比较深涩，学生难于理解。比如，在讲授化学官能团的吸收光谱时，学生并不能在头脑中形成直观认识。这时可采用PBL问题引导式教学法[6]，首先和同学们讨论颜色的形成机制——互补色原理(两种色光以适当比例混合得到白光，红色与绿色互补，蓝色与橙色互补，紫色与黄色互补)[7]。当太阳光(白光)照射到物体上时，若物体吸取了波长为400～435 nm的紫光，则物体呈现黄绿色。因此对于吸收波长在300～400 nm处的黄酮类物质自然就显示出淡黄色。通过这种问题引导方式教学，很快学生就能理解分子化学结构和吸收光谱波长间的对应关系，从而通过化学结构基本能预判最大吸收波长，快速掌握色谱和光谱分析中波长扫描的条件预设范围。

4)“热点案例”强调应用点。仪器分析在生命科学领域的应用很广，在新闻中随时都有最新案例可供引用。利用这种热点案例引出章节，对学生的注意力吸引度很大。比如2008年奶制品三聚氰胺事件，可引出液相色谱法章节；2012年医药行业毒胶囊事件，可引出原子吸收发射光谱法章节；2012年白酒塑化剂事件可引出气相色谱法章节等。热点案例和平时生活息息相关，学生关注度很高，带着问题的学习使得学生积极性大为提高，同时也迅速掌握了一种分析方法的应用点。部分同学课后还因兴趣会跟踪查阅新闻和文献，提高了专业素养。

5)自学模块推进学习新技术。由于课程学时有限而生物仪器分析本身发展非常迅速，因此对于新分析技术，教学组采用推荐PDF阅读材料的形式让学生自学了解，这样既能在课上重点掌握常用分析方法，学有余力或有更大专业兴趣的同学还能在课后大幅拓宽知识面。

2.2 实践教学

实践教育对仪器分析类课程非常重要，其是理论课的验证和重要衍生，因为动手中学习所得会远大于理论学习[8]。不过，实践教育通常投入较大，客观外在条件会限制该模块的良好实施。因此，结合自身硬件情况合理安排该模块是每个学院必须面对的问题。本课题组根据现有实际条件采用3个层次完成16学时实践教学安排(表2)。

表2 生物仪器分析课程实践教学模块

2.2.1 基本实验

基本实验即学生能分组操作的实验项目。课题组首先自编讲义，结合理论课内容和现有硬件条件，优选实用性实验项目。比如测定我校后勤集团生产的“清源”牌饮用水中的钾和钠的含量(火焰原子吸收光度法)，测定我校所处川西北地区道地药材天麻中天麻素的含量(液相色谱方法)，测定我院食品专业学生化工原理实验制得的奶粉主要营养成分(红外光谱法)等，这些实验项目的开设紧密结合实践生产需求，学生感觉学有所用，学有所得。

2.2.2 仿真实验

由于仪器分析设备种类太多，不可能有时间和资源对学生进行全面教学，这时就需要仿真教学来弥补以上问题了。例如通过仿真教程模拟液相色谱分析过程，通过调整流动相的流速和种类，可以得到不同的出峰时间和峰型。这样，学生既可以了解如何进行仪器设备的调试和操作，加深对色谱理论中塔板、速率理论的理解，又可大大降低实验的成本。同时，可激发学生的学习兴趣和锻炼学生的科研能力。目前市售收费仿真软件较多，但价格不菲，课题组在经费有限的情况下，通过一些收费软件并结合部分免费仿真平台的使用，比如Virtual Labs网站(http://vlab.co.in/index.php)，弥补了学生对仪器分析实践知识点的扩充。

2.2.3 参观

除仿真实验外，课题组组织学生到本校分析测试中心或市级食药质检部门进行短暂参观学习。在这些部门技术人员的讲解下，学生可增加多种新设备的感性认识，了解最新前沿设备和应用，丰富学生的知识体系。

2.3 考核

教学效果需要合理的考核方式来评价，课题组在考核上也做了一定的革新。本课程涵盖实验，评价采用结构评分方式，期末考试成绩占45%，自学部分提交的自学笔记占5%(可监督学生完成自学内容)；实践部分实验操作现场评分占30%，实验报告占20%。

教学的目的在于引导和激发学习热情，而考核在于控制学生掌握重要知识点。因此期末考试内容主线非常明确，重点考查学生对基本概念、基本原理和方法的认识。同时，还强调对分析基本要素的理解，比如精密度、灵敏度、线性范围、检出限、选择性和准确度等。除以上基础测试外，设置约10%的综合应用题，以理论联系实际与专业密切结合的形式，重点考核学生对所学知识的综合运用能力。如对生物工程专业的学生，设置检测“地沟油”为目的的综合题，让学生说明使用什么方法，如何选择仪器，样品如何处理等？这种考核方式既考查了基础，也考查了应用能力，可考查学生是否思考，真正学以致用。

3 教学效果

在针对生物工程和生物技术两个专业，2013和2014级应用两年以上改革方案后，我们对教务系统的学生反馈信息进行总结(表3)，显示学生对生物仪器分析课程的认可度逐年提高，认为该课程有用的学生大幅度增加。

表3 教学效果反馈结果

综上，生物仪器分析课程的开设对生命科学相关专业的学生学习专业知识、扩展视野和培养实验及研究能力有很大的作用。通过对本专业开设的生物仪器分析课程教学改革的初步探索，加强了本课程对专业的适应性，改善了课程的教学质量和效果，调动了学生学习的积极性和主动性，提高了学生运用知识、解决问题的能力，为他们今后的学习、科研和工作打下了坚实的基础。课题组后续还将利用“PDCA循环”模式[9]持续改进教学方法，并参考同行的做法，从开放性实验循环开课[10]和科研创新团队实验[11]入手，扩大课程受众面，这也有利于生命科学专业对全校的展示和各种交叉学科学习和研究的促进。