海洋化学仪器分析授课模式与内容探讨*

2020-03-08胡耀强

广州化工 2020年17期

胡耀强

(广东海洋大学海洋与气象学院，广东湛江 524088)

随着社会进步和科学技术的发展，大量的专业问题包括化学、生物、环境等方面问题需要借助仪器分析手段解决。仪器分析是指通过测量物质某些物理或物理化学性质、参数及其变化来确定物质的组成、成分含量及化学结构的分析方法[1-2]。近几十年来科学技术越来越朝着信息化、自动化、智能化的方向发展，这使得分析仪器得到了突飞猛进的发展，也导致了仪器结构的复杂化[3]。伴随着计算机和高新技术的应用，快速、灵敏、自动化是现代仪器分析追求的发展方向。而且随着学科不同分支的迅猛发展，各分支学科之间的差异愈发明显，在进行分析测试工作时所用仪器的差异更大，也意味着不同高校需要更针对性的根据自身特长开设仪器分析课程。

海洋化学研究海洋各部分的化学组成、物质分布、化学性质和化学过程，并研究海洋化学资源在开发利用中所涉及的化学问题的科学[4]。本学科所研究的主要对象为海水，但海水体系组分复杂，各组分间相互干扰，该特点决定了各参数的获取十分依赖仪器分析，说明了仪器分析技术对海洋化学学科发展具有极其重要的作用。因此，本科生开设本门课程的意义是培养出具有系统理论知识和一定操作经验的研究型人才，能够初步具备从事海洋化学分析测试工作基础。

1 存在的问题

(1)课程开设模式简单

随着分析技术的发展，大型仪器种类越来越多，功能愈发强大，对学科发展越来越重要。而课程通常以理论讲述为主，仪器操作多为演示形式，理论与实践结合程度低，这是因为大型分析仪器结构复杂、单价较贵，每种仪器台数通常只有一台。大型仪器是现代科技的结晶，其中多包含物理学科中的电、磁、光学，以及物理化学、计算机信息技术等[5-6]，内容涉及面广且抽象，学生理解难度大，造成学生积极性降低，甚至无法理解复杂的工作流程，这是较难解决的问题。现在学校推行学分制改革，一些专业课课时被削减，仪器分析课程面临同样的问题。而分析工作本身就是一项非常注重细节且费时的工作，且现代分析仪器的技术含量越来越高，需要更多的时间来完成系统性的学习。通过有限的几个课时的学习，无法做到像工程师一样精通，且对于学生来讲需要完成多种仪器的理论和基本操作的学习。这与压缩课时形成的矛盾变得更加明显，只有通过更多的课余时间学习和更高效的课堂效率才能缓解这项矛盾。

(2)课程内容针对性欠缺

理论对实践具有指导作用，理论知识的学习是重中之重，只有具备了完成的理论知识体系，才可以在后续仪器操作过程中面临问题时懂得分析问题和解决问题。因此，教材内容以系统性介绍仪器的基础工作原理为主。海洋化学和普通化学及材料学的研究内容存在较大差异，其所用仪器种类和处理的样品类型、流程亦存在很大程度的不同。目前，仪器分析教材基本针对普通化学和材料学专业所需内容进行编撰，其中介绍的多种仪器的类型或样品案例并不贴合海洋化学需求，也缺少样品采集和预处理过程的编写。该课程的实验教材中设置的实验内容也不适于海洋化学教学使用，无法利用有限的实验课时间掌握海水体系样品的分析步骤及注意事项。

仪器分析是利用物质的物理性质或者物理化学性质对物质的种类和浓度进行分析，这使得仪器工作原理的理论知识更多的是物理方面的理论。仪器结构复杂，原理精深，更新换代快，不同厂家、型号的同类仪器仍然存在较大差异。随着分析技术的进步，仪器种类增多，科技含量越来越高，甚至某些新型号仪器的工作原理已与书中介绍存在较大差异，教材内容无法及时更新。此外，在仪器进行定量分析时通常情况下需要对结果信号进行峰高或峰面积的测算，教材中对此部分进行了详细讲述，但现在的仪器多配备工作站，基本可以实现数据分析的一站式处理，应适当安排更多课时讲述使用软件进行数据分析的实际操作。

2 教学模式改革

针对以上所述问题，根据个人对海洋化学的一些了解和前期从教经历，浅谈对于海洋化学专业仪器分析课程开设的观点，更好的提升仪器分析课程开设的效果。

多学科交叉是仪器分析课程的显著特点，内容抽象不易理解。现场教学具有自身特有的优势，经过我们此前的教学经验总结发现，在实验室中现场讲述仪器的工作原理收获到很好的教学效果，学生的学习效率得到极大提升，对仪器抽象工作原理的理解难度降低。但受限于实验室的空间，无法一次性完成整个班级的现场教学，必须对学生进行分组，以小班的形式进行教学。此时，可安排同一大类的多种仪器的工作原理讲解和实验操作同时进行，以提升课程进行效率，避免了学生的排队等待现象。任课老师向第一组学生讲述后，由先学小组同学向后学小组同学复述老师所讲内容，老师从旁监督补充，锻炼学生的表达能力，提升对专业知识点理解程度。

分析仪器推陈出新，大量新技术的应用使仪器的结构更加复杂。但展现技术也在快速发展，通过多种展现形式为学生带来多感官体验，增加课程吸引力。在不远的将来虚拟现实、增强现实、裸眼3D等新技术将走进千家万户。近期受疫情影响，国内各阶段学校兴起网络教学，也加速这些新展示技术进入到课堂教学中，弥补目前网络教学的短板，极大提升教学效果。

海洋化学研究过程中需要多种大型分析仪器的辅助，这些大型仪器基本上是专人负责操作和维护。一位任课老师可能无法精通课程所需的全部大型仪器，在实验课进行的过程中需要多位老师提供支持，组建课程小组，可录制操作讲解视频，将课堂内容按知识点制作成慕课，以便学生利用课下时间进行自学。为调动学生自我学习的主观能动性，鼓励学生参与到实验教学的准备工作中来。

再高效的学习也无法使学生仅利用课堂时间就能完成仪器分析的全部任务，应将仪器分析的学习贯穿到整个本科阶段，比如毕业论文实验是学习仪器原理及操作的良机。增强与其他课程的联系程度，提供实践机会，鼓励本科生走进实验室，与学院老师的科研工作紧密结合，能够利用课余时间跟随专业老师精学一至两种大型仪器，达到能独立完成多种类型样品的分析工作。专业老师协助学生完成大创项目，在完成项目的过程中基本会利用到一种或多种分析仪器，定会有助于学生对于分析类仪器的学习。

随着仪器的更新换代，旧的仪器保留下来，部分拆解后暴露内部结构，上课时作为展示使用，使得学生能够更加直观的了解仪器的工作原理。课余时间如有仪器安装调试，积极鼓励学生参加培训。加强校企合作，带学生进入仪器制造企业参观，了解仪器的制造过程和市场需求等情况，提升学生学习仪器分析的兴趣，加深对仪器理论和工作原理的理解程度。

3 贴合海洋化学需求的内容设置

深度优化本门课程内容，课程内容要与海洋化学学科发展相贴合，不可完全采用与普通化学或材料学相同的理论课程和实验内容。

针对海洋体系的样品特点展开理论介绍和实验内容。例如原子吸收分光光度计受自身检测原理和检测限的影响，无法直接测定海水中的铜、铅、镉等微量金属离子，需借助萃取-反萃取前处理过程，且测定速率低，每次只能测定一种元素的浓度。随着仪器分析技术的发展，ICP-MS越来越普及，它在测定海水中元素浓度方面具有原子吸收分光光度计难以匹及的优势，分析速度快且检测限低，可直接测定海水中微量及痕量的元素浓度。因此应将原子吸收分光光度计这部分内容进行删减，增加ICP-MS的介绍。紫外-可见分光光度计部分的讲解可与海水中有色溶解有机物的分析以及显色法分析营养盐等内容相结合。色谱仪器是分析仪器中非常重要的一种，可将海水和沉积物中天然有机物和农药含量的测定与色谱的应用相结合。

同位素是海洋化学研究的重要手段，通过同位素的含量分布、存在形式、来源和归宿等研究海洋化学的系列问题[7]。同位素具有浓度低、分析精度要求高，为使结果具有可对比性，要严格参照标准操作进行。因此，同位素包括稳定同位素和放射性同位素的测定同样是本专业仪器分析课程的重要内容，这一点有别于普通化学和材料学科。这使得质谱必须作为本门课程的重要组成部分，测定放射性同位素的能谱仪也变的非常重要。

网络课不能完全取代课堂教学，仪器分析要求学生掌握系统的理论知识和操作技能，而网络课不能锻炼学生的操作技能。同时，实验课设置时应将样品采集、预处理、上机测试、数据分析贯穿起来执行，实验主题应于海洋化学专业的研究方向结合，例如傅里叶变换红外光谱仪是化学与材料学科必讲的一种仪器，用以分析物质中化学键的类型。在本专业课程中应将其与海洋中微塑料的研究结合起来，开展实验时将海水、沉积物中微塑料的采集过程、红外测定过程和微塑料的分子结构分析结合起来。

在示范标准实验操作的同时，仍需提出问题并进一步解释其原因，避免学生在此过程中处于机械式重复的状态，导致学生缺乏思考，对分析过程理解不透彻，在遇见新的分析问题时具备到举一反三和探究的能力。此外，仪器厂家的宣传册和多媒体材料具有最新的仪器信息，整理这些素材，在实验课时将最新的仪器宣传册、使用指南提供给学生自我学习，降低仪器品牌的差异和型号的更新换代带来的影响，本门课程虽不能彻底解决版本差异问题，但有了前期掌握的理论和实践基础，后续使用不同品牌型号仪器时可以更容易的熟悉仪器和上手操作。