《仪器分析》课程案例库建设及案例教学法的应用探究

辛雪莲 王志强 韩丹丹 闫宏远

（河北大学公共卫生学院 河北·保定 071002）

仪器分析课程是一门理论与实验相结合的综合性课程，作为一门重要的卫生检验与检疫专业课程，要求让学生掌握仪器分析课程的基础理论、基本的操作技能和应用，为学生今后的课程学习、工作和升学奠定基础[1-3]。仪器分析课程的理论知识比较抽象，学生难理解，知识的连贯性较差，学生难以熟悉运用。在仪器分析课程教学中，采用案例教学法，有利于学生对知识的理解与掌握，提高学生学习兴趣，增强教学效果。与传统授课相比，仪器分析案例教学，将课堂的主动权归还给学生，让学生主动思考，主动搜集资料解决问题，使理论知识融入于实践。学生以小组为单位，对案例进行资料搜集、讨论、整理，更有利于知识的输入。仪器分析案例库的构建是案例教学有效实施的前提，案例库为案例教学提供丰富的素材，探讨如何构建《仪器分析》案例库对案例教学具有十分重要的意义。

1 案例库的构建

以典型性、时效性及贴近实际与生活的原则，搜索近几年食品安全及公共卫生事件的新闻报道及相关文献，将新闻素材及仪器分析创新性实验进行整理，按照仪器分析每章知识进行整理，以每章至少一个案例为准，与仪器分析课程相结合，构建仪器分析案例库，共构建了15个案例。案例库包含食品、包装材料、化妆品及生活用品等领域，让学生学以致用，为今后的课程学习及生活工作奠定基础。仪器分析是高等院校卫生检验与检疫专业一门重要的基础课程，仪器分析课程是学生今后课程及实验操作的基础，学生必须掌握理论知识和实验技能，探索一种有效的教学方式对学生今后发展至关重要。案例教学法将实际案例、问题的提出、案例分析及学生的共同参与连为一体，其改变了传统教学中教师向学生灌输知识的情形，提高了学生学习兴趣，使学生更加明确学习目的和增加学习动力，将所学知识应用于实际工作生活。仪器分析案例教学可以将理论知识简单化、形象化，让学生更容易学习掌握。优秀的案例有利于培养学生的学习兴趣、提高学生学习动力和主动探索和创新精神，因此，仪器分析案例库的构建为案例教学的顺利开展提供基础。

1.1 案例1

近几年，由包装材料造成的食品安全问题引起了人们的重视。包装材料中有害金属元素的测定是食品安全的重要保障，本校2018级卫生检验与检疫专业的同学利用电感耦合等离子体发射法测定食品包装袋中的金属元素。实验步骤如下：

样品前处理：按GB9683-1988、GB/T5009156-2003方法，将食品包装样品（薯片包装袋、爆米花包装袋等即食食品包装袋）用洗涤剂清洗干净，用自来水冲净，再用超纯水冲洗3-5遍后晾干，供酸浸用。称取清洗好的包装袋样品0.5000g，放入250mL烧杯中，加入4%乙酸25mL，搅拌1 min后，检查溶液的酸度，继续加入乙酸溶液将食品包装袋完全浸没，放入烘箱，温度设为60°C，时间120min，浸泡。

问题的提出：电感耦合等离子体发射光谱法具备什么特点？电感耦合等离子体发射光谱仪的主要部件包括哪些？电感耦合等离子体发射光谱法的定量依据是什么？在分析过程中应注意哪些分析条件的选择？分析条件的选择对分析结果有哪些影响？该实验选用什么溶液来调整仪器？

1.2 案例2

病从口入，大多数人很关心食物是否卫生，往往忽视了食品包装是否安全。随着开学，学校周边的小吃摊、快餐店热闹起来，一次性食品包装，如纸碗、纸袋的使用频率越来越高，约有近一半的店家用的是纸包装。它会不会像“毒餐盒”一样会污染食物？连日来，实验室技术人员从4个城区5所大中小学校采集了10份食品包装样本，送检，发现其中七成样本含有可能使人致癌的荧光增白剂。根据一些制造者透露，一些经营者多从批发市场上定制这种撑装食品的纸袋、纸杯等一次性食品包装材料，因为这种一次性的食品包装材料比符合环保的可降解塑料餐盒成本要低不少。校门外很多小吃摊都用这种纸袋，同学们叫外卖也有不少是用纸碗、纸桶装的食物，“不觉得有什么”，并提到说纸包装很白，感觉更卫生。采访中，一些人认为一次性食品包装是“越白越干净”，随后，我们将样本送实验室进行专业检测。实验人员分别将10份样本，通过“荧光分光光度计”进行检测，每份样本选取不同纸面至少检测2次，综合分析得出实验数据。

问题的提出：荧光分光光度仪与紫外分光光度仪有什么异同？荧光分光光度的基本原理是什么，该方法具有什么特点？

1.3 案例3

网络近日曝，一些国产汽车车内环境质量不合格，多环芳烃含量超标。有关人员将几款国产汽车的方向盘及头枕材料截取后，交给第三方检测机构进行检测，检测报告显示，送检样品中多环芳烃的含量严重超标，对人有较大致癌风险。

多环芳烃是强致癌物质。卫生检验与检疫专业同学用气相色谱法对市场上的汽车内饰进行多环芳烃的检测。

问题的提出：气相色谱法（GC）的基本原理是什么？适用范围是什么？气相色谱法有什么特点？气相色谱仪主要组成部件包括哪些？气相色谱法与液相色谱法的异同？

1.4 案例4

某地一家庭食用当地购买的红心甘蔗，之后吃了红心甘蔗的家庭成员，前后出现了不同程度的恶心呕吐、胸痛等症状。家人立即把他们送到最近的医院。出现上述症状的成员很快出现肺水肿，血氧饱和度急速下降呼吸衰竭、生命体征不稳等情况[4]。

每年的2-3月份，是变质甘蔗中毒高峰期，按照常规，甘蔗是秋季成熟采摘，每年冬春季都是储存过后的甘蔗。储存得当，可以留住甘蔗中原有水分和口味，我们就可以正常食用。但如果运输过程、储存方式以及环境条件等不好，就可能导致霉菌生长，产生大量毒素。发霉的甘蔗上会有一种叫作节菱孢的霉菌，其在繁殖过程中产生毒力极强的物质：3-硝基丙酸。3-硝基丙酸的测定常用高效液相色谱-串联质谱法。

问题的提出：高效液相色谱法和质谱法的基本原理是什么？它们分别具有什么特点？高效液相色谱仪和质谱仪的组成系统包括哪些，核心部件为哪一部分？高效液相色谱分离条件选择的原则？高效液相色谱的应用？色谱-质谱联用技术的特点有哪些？

1.5 案例5

近些年，膨化食品深受人们的喜爱，但膨化食品中防腐剂的含量令人担忧，过量的食品添加剂对人体产生严重的危害，薯片和爆米花中防腐剂、糖精钠和丙烯酰胺含量值得去探究，今年春学期，卫生检验与检疫专业的学生设计了利用高效液相色谱法测定薯片、爆米花中防腐剂、糖精钠和丙烯含量的实验方案。实验步骤如下：

样品采集：从天猫超市、京东商城、沃尔玛超市、百货商城等网购平台或超市购买不同品牌、口味的薯片和爆米花。

样品前处理：将薯片、爆米花利用破碎机粉碎，称取粉碎的样品2.5 g置于烧杯中，加入20 mL超纯水，将烧杯放于磁力搅拌器上搅拌30min，然后转移至离心管，以10000 r/min转速离心15min，收集上清液于分液漏斗中，加入10 mL正己烷充分震荡，静置分层，收集下层水样于离心管中，10000r/min转速离心15min，将上清液收集于50mL容量瓶中，用超纯水定容至刻度，待净化用[5]。将上述已处理的样品用SPE C18固相萃取小柱（100mg，1 mL）进行净化。先用5mL甲醇和5mL超纯水活化商业萃取小柱，接着加入5.0 mL上清液，用5 mL超纯水淋洗，抽干后，用10 mL流动相乙腈-水（8:92，V:V）洗脱，收集洗脱液。用0.45m滤膜过滤至样瓶中，供高效液相色谱仪检测。色谱条件：色谱柱：（Agilent XDB-C18，250 mm × 4.6 mm，5 m）；柱温：20 °C；流动相：乙腈-水（体积比 8：92）流速：0.9 mL/min；检测波长：205 nm、235 nm和254 nm；进样量：10L。

问题的提出：测定薯片、爆米花中的防腐剂、糖精钠和丙烯酰胺选择什么样的色谱柱？测定时有什么注意事项？糖精钠、丙烯酰胺对人体的危害？糖精钠、丙烯酰胺常出现在什么食品中？

1.6 案例6

“水是生命之源”，水质安全对我们健康生活极其重要，为此，暑期，带领2019级卫生检验与检疫专业学生在保定市及周边采集河流水、自来水及瓶装水，利用电感耦合等离子体发射光谱仪检测水样中的金属离子含量，评估水质安全。

首先以小组为单位让学生搜集资料，了解水样的采集方法及注意事项，让学生设计实验方案，团队合作去实地采集水样，然后测定水样。

样品的采集：携带专业的采样器械，采集保定市护城河、博野公园、不同品牌的纯净水、矿物质瓶装水等水样。

样品前处理：采集的水样不用复杂的前处理，只需要过滤膜，然后将过完滤膜的水样保存，留着待测。

样品的测定：利用电感耦合等离子体发射光谱仪测定水样中的金属离子。仪器参数：氩气源的压力：0.55-0.60 Mpa；辅助气流量：0.5 L/min；射频功率：1100 W；泵速：1.4 mL/min；测定次数：3 次。

问题的提出：采集水样时，我们需要注意什么？如何保存采集的水样？使用电感耦合等离子体发射光谱仪有什么注意事项？

2 仪器分析案例教学的实施过程

2.1 案例的展示

近日，“老爸测评”网络视频揭露一款儿童霜“益芙灵多效特护抑菌霜”的激素严重超标，可导致儿童不健康的肥胖，毛发异常增多等症状引发业界对于“消字号”产品的重新关注。经第三方持有资质的检验公司检测涉事产品“益芙灵多效特护抑菌霜”，结果表明含有氯倍他索丙酸酯。

2.2 设问

（1）如何测定化妆品中氯倍他索丙酸酯的含量？

（2）氯倍他索丙酸酯对人体的伤害？

（3）化妆品中添加氯倍他索丙酸酯有什么作用？

2.3 学生讨论

学生以小组为单位对案例进行讨论，学生可以利用网络工具搜索相关资料，每组对讨论结果进行汇总，派一名代表来阐述该组讨论结果，该组阐述完讨论结果，提出小组的疑惑，其他同学可以向该组提问，也可解答该组的疑惑。

2.4 教师解析与总结

学生通过讨论得知化妆品中氯倍他索丙酸酯的测定方法为液相色谱-质谱联用法。学生经过查阅资料总结出该实验原理是膏霜类化妆品用饱和氯化钠溶液进行分散，经商业固相萃取小柱净化，再用高效液相色谱-串联质谱测定。

氯倍他索丙酸酯是一种外用糖皮质激素。中国中西医结合学会-皮肤病专业委员会在2015年就发表过一份“专家共识”，指出氯倍他索丙酸酯属于超强效级别，不应长期大面积应用；除非特别需要，也不应在面部、乳房等部位使用；尽量不用于12岁以下儿童。儿童长期大面积应用，有可能出现生长发育迟缓、致畸性及更严重的矮小症等症状。滥用糖皮质激素会有很多不良反应。因为激素的效果显著，常被不法厂家违法添加到化妆品和消字号产品中，一些小品牌的功效护肤品儿童霜更是“激素”添加的重灾区。

图1：氯倍他索丙酸酯结构示意图

3 仪器分析案例教学效果总结

教学效果主要根据案例讨论、问题提问及解答、课堂态度及积极性等内容进行评价，通过问卷调查收集数据，仪器分析案例教学提高了学生的学习主动性（认可度高达95%），课堂氛围与传统授课方式相比明显活跃，同学之间相互提问及解答，学生各抒己见，勇于探索与追求真理。选择优秀贴近生活的案例，可以将抽象、不连贯的理论知识具体化、形象化和生动化，将理论内容与实验内容相连。让学生对分光光度法、电化学法、色谱法的基础有了更加深刻的理解，教学方式变得生动灵活，学生更加易于接受，同时，案例教学法调动了学生学习的主动性和积极性。学生从最初的传统课堂上的沉默寡言，转变为在课堂上积极参与互动讨论，课堂生动活泼充满朝气，大家踊跃积极发表自己的想法。当学生对同一问题持有不同的想法时，同学们就会进行相互交锋和互动，从而激发了学生的追求真理的动力和创新性思维，提高学生总结知识的能力及综合性、灵活性的运用知识的能力，提升了学生观察问题、思考问题、综合分析问题和团队协作解决问题的能力，实现了从理论到实践的转化，更充分的提高了仪器分析课程的教学效果。仪器分析案例库的构建能够为该课程提供更多的生动形象的实际案例素材，有利于学生对课程知识的理解掌握，提高学生学习兴趣及教学效果。