大型仪器平台在仪器分析教学中的应用与实践

王雁南， 卢 媛， 陈翠红， 展思辉

（南开大学环境科学与工程学院，天津300350）

0 引 言

仪器分析课程是高等院校化学、环境、药物、生物、材料等专业学生的基础课程，仪器分析课程的上机实验是该课程的重要组成，通过理论联系实践，可以加深对仪器原理的理解，也为今后的科研工作打下基础。随着仪器的不断推陈出新，仪器分析课程也应该打破传统的教学方式，及时改进教学方法和方式，实现与时俱进［1-3］。

目前，传统的分光光度计、原子吸收、红外光谱仪等在仪器分析实验教学中已有成熟的应用，各个学科的学生均会开展相关验证类实验课程，学校统一安排此类课程的开展。但是，仪器分析实验教学的开展存在着一定的问题。配套的仪器每种只有一台，常常在实验教学中只能用来演示实验，很难做到每个学生都能接触到仪器，缺少独立的操作过程，更没有创新和设计性的实验。另外，实验教师往往采用灌输式教学，上课内容很少随着技术的进步改动，内容单一，缺少师生互动，很难顾及到每个学生在学习中遇到的问题［4］。最后，实验课程更侧重仪器的操作与结果的验证，对于不同的实验样品前处理甚少涉及，缺少对样品预处理的技能培养［5-7］。以上问题都造成了实验课的效果一般，教学质量不高，仪器实验课程经常变成走马观花的过程。

大型仪器共享平台是高等院校为提高公共实验资源的合理利用而建设的公用仪器平台。各个学院会根据学科需求采购需求量大、有专业特色功能要求、性能较好的进口仪器，由专人负责仪器的使用管理与维护。我校大型仪器平台于2010年开始建设，环境科学与工程学院作为第一批纳入仪器平台的学院，目前拥有大型仪器20余台，仪器管理人员9位，并于2016年开始筹备针对硕士生开展的具有专业特色的仪器分析实验课。

1 大型仪器平台开展仪器分析实验课的优势

（1）大型仪器平台管理的仪器主要承担院内外及社会的测试任务，所购置的仪器均为型号较新、配置较高的仪器设备［8］。由于由专职设备管理人员负责其使用与维护，有任何问题均及时解决，故所有平台设备均在正常使用中，仪器状态完好。同时，全年均有测试任务，很少长时间停机，也就避免了教学专用仪器在非开课时间的长时间停机引起的仪器易发故障与维护成本。

（2）大型仪器平台仪器有专门的仪器室，每台仪器均有教师专人管理。工作在仪器管理与分析测试工作一线的教师，知识储备与分析经验十分丰富。仪器分析课程采用分组教学的方式，每组学生3或4人，每台仪器的课程为2～4课时，有充分的时间与空间，让每个学生都参与样品的预处理与仪器的操作，同时有不解之处可以及时与教师交流，给学生提供机会系统学习，全程参与所选仪器样品前处理、仪器操作使用到数据处理的整个实验过程［9］。

（3）由本学院仪器平台开展实验课，立足于本学科，开展实验的仪器均为本院常用仪器，相关案例贴近本专业热点问题，测试样品也均为本领域常规样品，激发学生学习积极性的同时，可以更有针对性地培养本专业学生的仪器分析技术，提升学生在今后的学习与工作中遇到相关问题的解决能力［10］。

（4）传统的实验课程通常为简单的通用样品，对预处理过程涉及甚少。而仪器平台接触样品众多，熟知各类样品的预处理要求，通过课程的开展，系统地讲解每种样品的预处理要求，有助于学生掌握诸如消解、过柱等样品前处理相关知识［11］。

（5）在编写讲义与教学内容的准备过程中，仪器负责教师也会对仪器原理与最新应用进行系统的学习，提升仪器负责教师队伍的理论知识水平。

（6）仪器平台对学生进入仪器室有严格的考核制度，包括仪器操作规范与实验室安全意识。经过仪器分析实验课培养过并通过考核的学生自动归档为准入仪器室学生。在以后开展科研工作过程中需仪器平台支持时，可免试进入。

2 利用大型仪器平台开展仪器分析实验课的实践

2.1 仪器分析实验课程目标

仪器分析实验课程的开展有助于学生将理论课程与实际操作相结合，加深对仪器原理的理解，学习仪器对样品的预处理要求与仪器操作方法，掌握不同样品的不同指标所需仪器与相应的方法，学习不同数据的处理方法，同时培养实验室安全意识，全面提升学生综合分析能力与实验研究能力［12-14］。

2.2 课程设置与讲义编写

目前，大型仪器平台配备离子色谱仪、气相色谱质谱联用仪、液相色谱质谱联用仪、电感耦合等离子体发射质谱仪、原子吸收光谱仪、x射线衍射分析仪等常规仪器，还有共聚焦显微镜、原子力显微镜、元素分析仪等特色仪器，基本覆盖了本学科用于样品分析的各类仪器。在课程设置（见表1）的过程中，选择了使用频率高，具有代表性的仪器，并设计了环境学科涉及的相关真实环境样品的环境指标的基础实验作为实验内容，设置了大于学生应选实验课的课时数量，以供学生选择感兴趣或与自身方向契合度高的实验有针对地提升知识储备。

表1 南开大学环境科学与工程学院仪器分析课程项目表

由于仪器配置与方法更新速度很快，本院结合基础理论知识与最新实际状态自主编写实验讲义，同时随着新设备、新方法的引进，及时更新改进讲义。讲义内容包括仪器原理、样品前处理要求、仪器方法设置、数据处理、注意事项与思考题。最后系统地对各个仪器讲义进行分类整合，形成自主编写教材并于课程开始前下发。

2.3 仪器分析实验课程开展方式

（1）理论讲授。仪器种类众多，原理复杂，相关知识包括仪器的原理与结构、分析方法、数据分析等，采用多种手段相结合的方法可显著提高学生对原理的掌握能力。除使用幻灯片放映的演示方法外，还可结合多媒体方式，引入仪器应用案例与视频增加趣味性与启发性。也可采用对比教学的方法加深学生对相关知识的触类旁通，如在色谱教学中，思索气相色谱、液相色谱及离子色谱的相似与不同，如何在原子吸收仪与电感耦合等离子体质谱中选择测量样品中金属元素含量等，这也对学生今后科研工作中测试仪器的选择打下基础。

（2）课堂互动与提问。针对预习情况与在理论讲授过程中涉及到的思考点进行互动与提问。问题围绕着实验原理以及仪器分析基础相关知识展开，引导学生主动分析问题，增加实验过程和实验结果的讨论，加强学生对实验的印象，提升学生的分析问题与解决问题的能力。

（3）操作流程示范。结合原理示范仪器的软硬件操作过程。如仪器各个部件的展示、软件界面介绍、各个参数的意义与设置、数据的读取与分析、重点注意事项等。

（4）实践操作。动手步骤是仪器分析实验的重点和难点，加强学生亲自操作的训练，帮助他们掌握原理、学会使用，同时加强预处理步骤的练习。分组式教学使得每位学生都有机会亲自处理样品、操作仪器、熟悉测试流程。

（5）实验室安全意识培养。实验室不仅是学生学习技能的地方，更是今后开展自主科研学习的地方。在讲解仪器操作的过程中，教师应指出各类操作规范和注意事项，如仪器的开关顺序，水电安全，废液的正确处理，气瓶的操作注意事项等。

2.4 开放教学

为弥补实验教学中验证性实验的不足，开放实验室进行设计性与创新性实验的开展。学生可以自由成组，查阅文献后提出自己的课题和实验设计，由仪器管理教师与学生讨论后，确定实验时间与实验方法，最后整理实验小结，提出感想与建议，并鼓励学生在进入实验室开展科研工作后，带着课题走入仪器室继续学习与探索，全面培养学生的创新思维［15］。

2.5 课程评价

为了科学评估、公正反映仪器分析课程教学效果，将评估体系分为预习报告、课堂提问、基本操作、数据处理与思考题回答情况几个方面，依据不同的比重分值量化打分。有利于督促学生将原理与操作融会贯通，加强理论知识在实践中的应用。

3 实践效果

自我院开展对环境学科学生培养更有针对性的仪器分析课程以来，加强了对学生的仪器相关知识的培养和对大型仪器平台的了解，加大了仪器平台的开放力度，获得了院内师生的一致好评，许多导师要求仪器分析课为非必修课程的学生必须选修本课程，也有博士自行选修学习或旁听，对本课程十分认可。同时，课程结束后采用调查问卷的方式由学生反馈意见，仪器分析课程也在一次一次的改进与优化。

此外，为提升仪器管理人员队伍的知识储备、服务水平与仪器分析实验课程上课效果，我院组织各位教师在课程结束后开展研讨交流分享会，主要形式为各位教师在分享所承担的实验内容的PPT与课程心得与体会后，其余教师提出相关问题与建议。此研讨会不仅可以通过互相学习与借鉴，提升实验课教学质量，还加深了各位教师对其他仪器的功能与样品要求的了解，通过融会贯通，对仪器学相关知识有更深的心得体会，有利于更好地服务高校与社会的科研测试工作。

4 结 语

通过由大型仪器平台开展仪器分析课程，在教学过程中采用多媒体资料、小组互动教学、开放实验延续学习等方式，真正做到理论实践相结合、理解透彻、熟练操作、活学活用，避免了传统实验教学的弊端，全面提升了学生利用仪器分析方法分析样品与样品预处理能力［16］，同时也有利于仪器管理队伍知识能力的提高，促进大型仪器平台服务水平的提高。