色谱实验教学改革与实践——以“咖啡因含量测定”为例

张艳茹，何雨函，王丽颖，刘春玲，奚 依，孙艳涛

（1.吉林师范大学化学学院，吉林 四平136000；2.辽源市老年干部大学，吉林 辽源136200）

高效液相色谱法（High Performance Liquid Chroma⁃tography）是于二十世纪60至70年代兴起的一种新型分离分析技术[1-2]，具有较高的灵敏度和分析速率。目前该方法在化学、石油化工、生物、医药、食品、环境等领域的试样分离分析中占有重要地位[3-4]。根据我国创新实践型科技人才的培养目标，许多高校将其作为重点实验课程开设，来提高人才培养的社会适应度，对接经济社会的发展需求[5]。以往液相色谱实验主要围绕认识仪器的构造和基本模块，熟悉仪器的开机、测试和关机等环节。由于仪器价格昂贵，数量少，学生只能走马观花，很难将其应用到工作和科研中去。因此，为了更好地适应社会要求，有必要对传统液相色谱实验中的弊端进行教学改革和实践[6]。

1 选题依据

传统色谱实验选题陈旧，不能与时俱进，导致学生对仪器的认知与时代脱节[7]。许多高校选取了“液相色谱柱效测定”实验，通过测试苯、萘、联苯三种有机物，根据它们的保留时间和峰宽信息计算相邻物质对间的分离度。该实验内容重视色谱理论知识的学习，偏离学生实际生活，缺乏专业针对性，致使学生学习兴趣不高。还有的教材编写了关于液相—质谱联用实验，初衷是扩展学生知识面，培养创新型人才，但联用仪器不仅价格昂贵，操作流程复杂，对教师也提出了较高的专业要求。该课程内容专业性过强，教学环节时间少，致使学生课堂参与度不高。

由于高效液相色谱实验的学习侧重于培养和发展学生的实践操作能力，应选取符合时代发展、贴近实际生活、难度适中的实验题材。例如“可乐中咖啡因含量的测定”，该实验选题贴近实际生活，且具有一定的专业性，使学生在动手操作的过程中逐步掌握液体样品中某组分含量测定的流程，既可以激发学生的学习兴趣，又能够培养学生分析问题和解决问题的能力[8]。

2 课前预习

课前预习有助于学生初步了解实验目的、原理和方法，培养学生独立自主学习的能力。如果学生只是机械地抄写书本内容，实验预习就不会达到预期效果而失去意义。另外，色谱实验预习不仅需要学生了解理论知识，同时也需要学生掌握仪器的基本构造及操作方法。

目前许多高校都已经建立了各具特色的“虚拟实验室”，通过计算机在网络中模拟一些实验现象和操作流程，使学生身临其境地进行实验操作，提升学生学习效果[9]。如“可乐中咖啡因含量的测定”，学生可以通过虚拟仿真实验平台熟练地掌握该实验的基本操作，实验流程如图1所示。

图1 实验流程图

3 教学过程

相对其他教学设备而言，液相色谱仪器价格昂贵，多数高校实验配套资源有限，导致学生动手机会较少，实验课变成了观摩课，达不到应有的教学效果[10]。另外，有的教师在实验课上占用大量时间介绍仪器的结构组成、工作原理、实验步骤和注意事项，只留下较少的学时让学生们进行测试操作，学生们常常云里雾里，很难掌握实验的精髓。

因此，在实验教学设计时，教师要弱化理论知识的教学，注重实践能力的培养[11]。教师简明扼要地讲述实验原理、步骤及注意事项后，可以带领学生共同开机，设置仪器参数。在等待仪器稳定的过程中，在学生面前直观介绍仪器的组成及各部件硬件的功能。此环节既有效利用了课堂时间，又帮助学生加深了理论知识的理解。学生通过触觉、听觉、视觉等多种感官结合，将理论与实际紧密衔接、融会贯通。待仪器稳定后，教师带领学生完成1～2次进样分析。在进样数据采集的过程中，向学生介绍工作站中各模块操作，即仪器软件部分。完成上述所有环节大约需要1个学时左右的时间，剩余2~3个学时可以组织学生分组实验。根据学生数量，将学生分成几个小组，每组4~5人。如“可乐中咖啡因含量测定”实验，完成1次进样分析需要5分钟，每组学生可以进样4次，利用前3次分析标准溶液并绘制标准曲线，最后1次测试可乐样品计算含量。此环节保证组内每位同学都有机会进样操作，培养了学生主动学习和自主探究的能力。

另外，在色谱实验教学中，我们还要遵循学生主体，教师主导的原则[12-13]。学生通过配制溶液、进样操作、绘制标准曲线和含量计算等多种任务模式，进行相互协作、相互交流、共同分析问题和解决问题，体验在“学中做，做中学”。通过完成可乐实际样品分析，培养学生的团队合作意识，提高学生分析问题和解决问题的能力。

4 考核制度

以往色谱实验主要考核学生报告、出勤率和笔试成绩，侧重学生理论知识的学习。这种过于单一、片面的评价方式不能客观全面地反映每个学生的学习效果，不利于学生实验能力的培养[14]。

根据色谱实验学习“可乐中咖啡因含量的测定”实验，在考核中可以让学生分组进行“绿茶和感冒药中咖啡因含量的测定”，根据每组学生上机操作熟练程度和含量测定结果准确度进行评定。通过考核既可以加深学生对理论知识的理解，也可以使学生熟练掌握样品测试的基本流程。考核评分标准见表1。

表1 评分标准

4.1 分组抽签

考试题目采取现场小组抽签制度，各小组根据所抽到的实验题目进行组内分工，通过查阅资料进行实验方案设计。小组成员根据组长安排进行样品处理、药品称量、配制溶液、进样、绘制曲线和含量计算等操作。实验方案设计包括实验目的、实验原理、仪器试剂、数据处理等部分[15]。

4.2 实验操作

教师根据每个实验环节所需时间组织学生操作考核。首先安排学生进行开机及参数设置，在仪器稳定过程中，如色谱仪器的基本组成有哪些，流动相为什么要过滤，常用滤膜的孔径大小，为什么溶剂要进行脱气处理，脱气的方法有哪些等问题，让学生抽签回答。其他环节也需要教师观察学生操作步骤是否正确，并结合现场提问，考查学生对知识的理解程度。

4.3 数据处理

仪器操作部分结束后，每位学生通过标准溶液浓度和色谱峰面积进行标准曲线的绘制，根据Excel软件拟合回归方程的线性关系进行含量计算，结果见图2~图7。教师根据实验结果以及数据处理过程进行附分，结果见表2。

表2 小组实验数据结果

图2 咖啡因标准品HPLC色谱图

图7 感冒药组线性关系曲线

（1）绿茶组

图3 绿茶样品HPLC色谱图

图4 绿茶组线性关系曲线

（2）感冒药组

图5 咖啡因标准品HPLC色谱图

图6 感冒药样品HPLC色谱图

5 结论

经过色谱实验教学改革后，学生学习的主动性和积极性大大增强，能够很好地掌握色谱的理论知识和仪器的操作流程，对其今后的工作和科研有很大帮助。色谱实验教学的改革仍在不断摸索中，教师应针对教学中遇到的问题不断完善色谱实验教学体系，使学生的综合素质不断提高。