生物工程专业仪器分析课程教学改革初探

朱艳芳，薛 涛，盛 玮，李桂萍，刘春香，薛建平

（淮北师范大学 生命科学学院，安徽 淮北 235000）

生物工程专业是建立在化学、化学工程、生物化学、微生物学、信息科学等学科基础上所形成的交叉学科。1998年我国生物工程专业正式设立并迅速发展。截止2013年，我国各省、直辖市的本科院校均设置有生物工程本科专业[1]。生物工程专业以培养生物学应用型，能在生物技术与工程领域从事设计生产管理和技术研发、新产品开发的工程技术人才为目标[2]。淮北师范大学是一所以师范类专业为主的多科性省属重点大学，生物工程专业隶属于生命科学学院，为了培养符合专业培养目标、适应社会需求的高素质专门人才，我校生物工程专业近年开设了仪器分析理论课程。

仪器分析是分析化学的重要组成部分，是以物质的物理性质或物理化学性质及其在分析过程中所产生的分析信号与物质的内在关系为基础，并借助于比较复杂或特殊的现代仪器，对待测物质进行定性、定量及结构分析和动态分析的一类分析方法，具有准确、灵敏、快速和自动化程度高等的特点[3]。仪器分析课程的理论和实验教学旨在使学生了解并运用各种仪器分析方法的基本原理，掌握实验仪器的基本结构、工作原理和操作技能，培养学生的动手能力、协作能力、创新能力等基本科研素质，提高学生分析问题、解决问题的能力，为其以后参加科研、生产及继续深造奠定必要的理论和实践基础[4]。同时，仪器分析是一门多学科知识交叉的课程，已成为农业化学、生物化学、食品化学、环境保护、生命科学、生物工程、园艺园林等多个专业领域研究不可或缺的重要检测手段[5-6]，其实践性强，具有分析方法多、更新快、种类杂、涉及面广等特点，加上各种分析方法间内容相对独立、连贯性不强、课程庞杂难学[7]等特点，采用目前传统的学生被动接受的教学方法，学习效果并不理想，出现了学习兴趣不高、积极主动性不强、学习效果差等现象。

为了提高仪器分析课程的教学质量和教学效果，走访我校生物工程专业的学生、与多位专业老师的交流及查阅大量文献的基础上，针对以上问题，进行了一些教学改革的探索。

1 优化教学内容、教学方法

仪器分析课程的内容非常广泛，涉及光谱、色谱、电化学、质谱及其他分析方法等多个领域。针对生物工程专业仪器分析课程理论课时少（仅32课时）、内容多，可以尝试对学习内容进行优化取舍，精简电化学分析的内容，加强实用型分析方法的学习，例如原子吸收光谱法、原子发射光谱法、紫外可见光谱法、红外吸收光谱发、质谱法、气相色谱、液相色谱法及联用技术的学习。不仅可以减小学生的负担，而且可以将有限的课时用在更能凸显生物工程专业特色的分析方法的学习上。

“填鸭式”教学方法，很难调动学生学习的积极主动性，也不能满足大学阶段学生创新能力培养的要求。近年来，PBL(problem-based learning)教学法[8]、创设情境教学法[9]及翻转课堂教学法[10]等新型教学模式不断出现，这些方法在该学科中取得了不错的教学效果[11-12]。这就要求教师根据教学内容，做好充分的课前准备，以便达到更好的教学效果。也尝试了依据不同的教学内容探索合适的教学方法，并应用于仪器分析课程的教学中。例如，在讲解了“光分析法导论”一章后，利用翻转课堂教学法，让学生根据所学基本原理，课前完成“原子发射光谱法”和“原子吸收光谱法”知识的学习，课中教师与学生、学生与学生之间互动讨论，主要完成答疑解惑及知识运用等内容；课后通过布置习题，了解学生对知识的掌握程度，并及时查漏补缺，达到了较好的教学效果。

同时，该理论课程多注重讲述分析方法的理论及仪器组成，相对枯燥乏味。运用身边的案例分析，拓展加深学生对分析方法的理解和记忆。利用仪器分析课程所学到的知识解决实际问题，提高了学生的成就感和学习的积极主动性。

2 提高教师专业理论和实践素质

该课程各种分析方法之间相对独立、联系小，原理涉及面广，包括物理、化学、数学及自动化等多方面内容，需要教师具备宽广的理论背景，对任课教师有很高的要求。一方面，教师自身主动学习深入思考，结合自己的研究方向申请相关项目，在开展研究的同时熟练掌握运用各种分析仪器。另一方面，学院学校层面多提供任课教师出外交流学习的机会，尤其一些精密贵重的大型仪器的学习和操作学习交流会。多方努力提高了任课教师的理论和实践水平。

目前，该课程的任课教师间经常相互讨论、交流和学习，并找物理、化学、数学等相关专业的老师帮我们解疑答惑，使教师们的理论水平得到了大幅地提高。但是，由于该课程涉及很多大型精密贵重的仪器，如，高效液相色谱仪、气相色谱仪及其联用仪等，教师的具体操作水平还有待提高。基于此，2018-2019年学院积极邀请来我校销售仪器的公司开展相关仪器的讲座，并现场操作，解疑答惑。各任课教师基本掌握这些仪器的操作方法，并形成操作流程及注意事项。

3 增设仪器分析实验课程，优化实验项目

仪器分析是借助于现代仪器进行定性、定量及结构分析和动态分析的一类分析方法。实验教学是仪器分析课程体系中至关重要的一环。仪器分析实验课程的教学任务是实际操作使学生深入了解仪器的工作原理，熟悉仪器的结构及操作，将理论与实践相结合，达到提高学生动手能力、创新能力和自主学习能力的目的，为学生的就业和深造打下良好的基础[13]。如果仅仅停留在理论学习上，不能真正提高学生的动手能力和分析能力。

同时，仪器分析实验操作不仅需要了解仪器组成及其原理，还需要了解样品的性质并根据性质制备样品，了解精密仪器的适用范围、操作注意事项及仪器的日常维护和小问题的排除。只有亲自动手参与从样品制备到仪器检测分析完整的操作过程，才能逐渐了解和熟悉仪器的正确使用方法和仪器的性能。因此，该实验课程必不可少。

根据生物工程专业特色，经任课教师研究讨论，选择了适合专业培养目标的实验项目，例如，利用光谱法，对酶活性、微生物及基因工程菌株中的重金属离子进行定量分析，利用气相色谱法对一些风味成分进行定性定量分析，利用色谱与质谱联用技术鉴定药用植物次生成分，利用联用技术测定果蔬多种有机磷农药残留[14]等等，具体实验项目设置见表1。任课教师与系主任和相关教学院长的沟通，院里同意修订“生物工程专业培养计划”时开设仪器分析实验课程。总之，只有通过各种仪器的实际操作过程，才能使学生更直观地了解仪器的组成及各部分的功能，进而提高学生学习仪器分析课程的积极主动性和动手操作能力。同时，可以将理论与实践结合，巩固学生对理论知识的理解和记忆。

表1 仪器分析实验教学项目表

4 提高学生对相关学科知识的掌握程度

仪器分析是分析化学的一个重要组成部分，图1是分析化学课程所涉及的基础理论学科。走访学生和相关老师，发现学生对这些基础课程的学习不够重视，有畏难情绪，抱着及格就行的心理，不愿认真和深入地学习。相关老师建议通过提高对这些课程的要求及考核难度，以促进学生对这些基础课程的重视和掌握。打好基础后，再来理解各种分析方法的原理、仪器组成及维护时，就不会觉得太难太枯燥而学习积极性不高了。

图1 分析化学涉及的学科

由于我院生物工程专业学生的物理、化学、数学等相关课程由物理与电子信息学院、化学与材料科学学院和数学科学学院等外院的教师教授，涉及专业和教师人数多，一方面我们通过教育学生加强对这些基础学科的重视和学习，另一方面我们把该课程中用得较多的专业知识和学生相对薄弱的知识列出来，请相关老师重点反复讲解，还有通过任课教师反复专研透彻后再讲授给学生。这些方法我们都在同时进行，学生的学习效果有所改善，但还未达到理想程度，仍需不断完善。

5 完善考核方式

教学过程中，发现学生认为仪器分析课程内容抽象难懂，不易理解；分析方法多样，各方法间相对独立联系少；每至期末，学生复习压力大；部分学生，平时不认真听课，靠期末突击记忆，因为不理解只是机械记忆，很快就会忘记且不会灵活运用。针对这些问题，传统的考核方式不能正确反馈学生掌握知识情况。经过任课教师讨论，均认为本课程的考核不能仅以理论考核为主，要增加平时成绩占总成绩的比重，还要考核学生对各种分析仪器的使用方法、操作维护的掌握情况。所以，该课程的考核要以平时成绩、理论考试相结合的方式，取消一张试卷定成绩的考核方式，强调平时成绩的重要性。查阅文献[15-16]结合教学过程，确定每个模块在考核方式中所占的比例见表2。

表2 考核模块及其所占比例

改进考核方式，学生课堂回答问题积极主动性增强，平时作业投入了更多的时间和精力去完成，课堂讨论不再只是教师自问自答了，学生课下会主动查阅资料、提出问题。总之，学生的学习主动性被调动起来。下一步考虑如何调动起更多同学的学习积极性和主动性。

6 小结

为了优化我校生物工程专业仪器分析课程的教学效果，我们进行了一系列教学改革探索。经过这些教学改革探索，生物工程专业的仪器分析课程的教学效果有了一定的改善，学生对现代仪器的动手操作能力及分析运用能力不断提高，因此多次受到实习单位的认可和肯定，增强了学生的社会竞争力。

随着科学技术的迅猛发展，仪器分析方法日新月异，新方法[17]、新技术[18]和新仪器[19]不断涌现，在多个领域得到了广泛应用，生物工程领域也因此而得到了长足的发展。对于我校生物工程专业的学生而言，仪器分析课程的教学目的是为后期的专业课程、综合实验、设计性实验、生产实习、毕业论文以及今后的工作奠定基础，使学生掌握必要的仪器分析方法，达到提高学生的实际操作能力、专业技能及综合能力的目的，从而提高学生的社会竞争力。所以，仪器分析课程对于生物工程专业的学生是十分重要的[20]，对该课程的改革也需要不断深入和完善。但在教学过程中仍有很多问题不断凸显，如大型贵重精密仪器如何对学生开放的问题及科学管理问题，仪器维护费用问题，等等，还需不断深入探索和完善。