中医药院校《仪器分析》实验教学改革探索与实践——以“牡丹皮中丹皮酚含量测定”为例

何平，张金东，赵晔，徐文娟

（北京中医药大学 生命科学学院 生物制药教研室，北京）

一 引言

建设世界一流大学和一流学科，是党中央、国务院对中国高等教育的一个重大战略策略[1]。“双一流”建设对提升我国高等教育发展水平、增强国家核心竞争力、奠定长远发展基础具有十分重要意义。“双一流”建设旨在履行大学根本职能，培养卓越拔尖的新型人才。因此，“双一流”建设关键点在于培养一流人才[2]。在培养打造复合型、应用型和创新型高素质人才过程中，实验教学是不可或缺的重要环节。

仪器分析是一门由多个学科彼此交叉、渗透发展形成的综合学科[3]，是分析化学的重要组成部分，是以物质的物理化学和物理性质为基础建立起的一种分析方法。利用比较特殊的仪器，对物质进行定性、定量和形态分析，在高校学生实践能力培养和科研工作中具有重要作用[4]。许多综合性大学以及中医药类院校的生物制药[5]、生物工程[6]、中药学[7]等专业都将其作为本科生学士学位的基础必修课程。我校中药学院、生命科学学院、管理学院等均已开设分析类实验课程，理论与实践相结合，进一步培养本科生动手实践能力。实验教学是对理论知识传授的重要补充手段，特别是仪器分析这类实验具有更强的实践性，对于理论知识的深入理解更是具有其独有的特殊性和重要性。仪器分析课程组对所承担的仪器分析实验教学模式进一步优化，开展实验教学研究。建立以科研工作为驱动力的研究型实验课程，将科研与教学相融合，加强实验过程，在实验教学过程中建立师生共评模式，将其作为“双一流”建设在实验教学课程改革的一项尝试与探索。

二 实验课程教学存在的问题

仪器分析课程涉及交叉学科较多，且技术革新快，实验仪器更新迭代快速，仪器分析实验在中药、生物等相关专业的实验教学以及科学研究中的有着无法比拟的作用。传统实验教学过程中以教师为主体，学生侧重实验结果的现象，严重阻碍学生实践操作能力、创造力的发挥。

（一） 学生对实验学习积极性不足

仪器分析课程学习内容较多，有些学科原理抽象难懂，致使很难激发出学生对仪器分析学习的兴趣。在实验教学过程中发现，仪器分析实验依托于仪器设备，样品由辅带教师提前准备，学生们在实验过程中只盲目的按照实验步骤、仪器操作流程完成实验。大多数学生更在乎实验结果、成绩，忽略对实验样品前处理、仪器操作熟练掌握，以及设计性、综合性的实验条件要求。因此，根据本科生的知识层次优化课程内容，让学生处于教学主体地位，有助于学生学习积极主动性的提高，也有利于学生在学习过程中进行深入思考。

（二） 教学模式单一，学生实际操作难

通常情况下，仪器分析实验课的教学方法是任课教师选定一些典型实验，介绍仪器的基本原理、结构，讲明实验要求、实验步骤，演示实验，学生按实验讲义内容进行实验，课后完成实验报告和相应的思考题。实验内容固化、实验操作时间短，而且实验样品较为简单，分析方法单一，学生对实验没有选择性，在实验操作过程中学生的主观能动性较差。这种“填鸭式”教学方法，一是跟不上科研发展和仪器换代的速度，与真实的科研工作相差较远，二是往往在仪器设备不充足的情况下，多名学生通用一台仪器，学生对设备的了解敷于表面，不具备独立操作能力[8]。因此，在实验教学中，以科研项目形式，增加自主设计综合性研究型实验项目，建立师生共评的评价模式，让学生处于主体地位，强化实验操作过程，重点培养学生发现并解决问题的能力，进而提高学生科研创新力。

三 仪器分析课程改革措施

（一） 优化教学模式，建立科教融合实验教学模式，打造研究型实验课程

为了能更好地解决仪器分析实验课程教学中存在的不足，提高学生对实验学习的主动性和能动性。优化教学模式——科教融合实验教学模式如图1所示。首先结合实验教学的实际情况以及学生专业特点，有针对性地选择实验教学内容，以科研项目形式发布实验任务，引发学生科研兴趣，提高学习主动性。增加自主设计的研究型实验项目，要求以学生为教学活动主体，为学生提供充足的时间去了解、学习、掌握相关仪器的使用流程并能够熟练操作，有利于学生在学习过程中进行深入思考，进而提高学生学习能动性。

图1 科教融合研究型实验教学模式

在发布任务后，分为调研论证、方案实施和总结汇报等三个阶段[9]。学生通过查阅科研文献，学习不同的分析仪器的适用条件，结合理论知识，小组内讨论确定实验方案。教师批改并将意见反馈给学生。实验实施阶段，学生从样品前处理到对样品进行检测全过程参与操作。教师根据学生实验所需条件进行仪器协调并给予指导。在总结汇报阶段，学生以学术交流的方式汇报。教师解释问题，拓展知识应用。

（二） 改革考核体系，注重过程性评价，建立师生共评模式

评价、考核是实验结束后判断学生掌握熟练程度的必要手段[10]，传统评价考核方式主要是依靠实验报告和考试成绩来判别，忽略了对学生实际动手、思考能力以及仪器实操等方面能力的考量[11]，从而导致学生在实验课上缺乏对仪器操作的主动性，对实验过程和结果的反思不足，只是简单而机械地重复实验，撰写实验报告。这不仅严重影响培养学生良好的实验素质和严谨的科学态度，也不利于培养应用型人才[12]。为培养成实践创新应用型人才，就要从规范学生实践技能，激发学生学习兴趣，发挥学生操作主动性入手。经反复研究，对传统评价、考核方式进行改革，构建仪器分析实验课程的过程性评价体系和师生共评模式如表1所示。以学生为主体，加强实验过程，全覆盖、多角度细化考核标准，各环节单独打分，使学生明确主要问题环节。总结汇报阶段，采用教师学生多维度共评模式，教师评价及各实验小组互评制度有机结合，充分调动学生学习主动性与能动性，通过这种多元化综合量化考核方式，注重实验过程和组内协作，既锻炼学生操作仪器的能力，提高对科学研究的兴趣，还加强学生团队意识。

表1 仪器分析实验成绩分配及评分标准

四 仪器分析实验教学改革方案实施

（一） 发布实验任务，学生准备工作

实验任务：中药牡丹皮中丹皮酚的含量测定。

实验要求：学生对成分定性定量分析实验方法应有准确的概念，例如不同分析仪器的适用范围、分析方法的实验原理、定性定量分析方法、样品的基本要求、影响因素、数据统计及处理、文献检索（中国知网、万方数据库、Web of Science等）、实验室工作条件、仪器操作规程、实验室安全知识等。

依托学院仪器平台，教师提供实验仪器清单，供学生选择。学生按6人/组自由组合。分组后，按授课教师发布的任务，查阅文献资料。对实验过程中可能存在的问题进行分析、讨论，确定本组的实验研究方案，撰写实验预习报告，做好实验分工。

（二） 调研论证，实验方案设计

为保证在有限学时内学生完成本次实验，教师对学生的初步实验方案进行批改，将修改意见反馈给学生，学生结合修改意见修订实验方案。为更好地引导学生了解仪器适用范围，尽可能尊重学生的设计方案。学生经查阅文献，组内讨论，选出3种丹皮酚鉴定、含量测定方法，分别以紫外光谱（UV）和高效液相（HPLC）色谱法测定丹皮酚含量，薄层色谱分析法（TLC）鉴定牡丹皮中丹皮酚成分。本次实验任务为中药牡丹皮中丹皮酚的含量测定。紫外分光光度法和高效液相色谱法适用定量分析，但薄层色谱法是一种简便的定性分析方法。师生讨论方案环节提出问题，含量测定应更强调定量分析，建议该组学生说明选用理由。实验教学中以学生为主，尊重学生按照本组方案进行，之后与其他小组的实验结果比较，可以使其能够对定性定量分析方法的理解更为深刻。

（三） 实验方案实施

实验方案实施阶段是提高和锻炼学生实验操作技术的重要过程。学生成为教学活动的主体，方案确定后，从实验材料的选择、样品前处理、实验操作、数据分析、实验总结等过程均由学生独立完成。教师在本阶段仅起协调指导作用。

进入实验室之前，要求学生清楚实验步骤，明确仪器操作流程，规范学生实验习惯，思考实验安全隐患。实验过程中强调认真操作，记录实验过程中的现象及原始数据，主要包括：UV法测定中称取样品质量、吸光度数值。HPLC测定中样品质量、加入的溶剂量、标准品的浓度、样品和标准品色谱峰的保留时间、峰高、峰面积数值。以及完成两种方法的线性工作曲线测定。TLC法中点样量、展开时间、荧光斑点现象、Rf值等。记录原始数据和现象以及实验中的必要数据，便于后续查找实验过程成功或失败的原因。

（四） 总结汇报阶段

实验结束后，要求学生制作PPT，并以科研交流形式进行汇报。在汇报总结PPT中写出研究结果。PPT汇报内容逻辑合理，能如实反映实验方案，步骤清晰。实验现象、数据分析结果正确，结论合理。组内讨论的问题，通过查阅文献，对实验中发现的问题等进行探究。总结经验教训，并提出改进方法。

五 仪器分析实验教学改革的效果评价

（一） 科教融合的研究型实验课有利于激发学生学习兴趣

通过本实验教学改革的实施，学生对分析化学中精准称量、仪器分析中紫外光谱、HPLC及薄层色谱等方法的测定原理及相关知识有了进一步的理解和掌握。通过科研项目的形式发布课程任务，以学生为主体，师生一同实施的项目工作开展教学活动，突出培养学生对学习的主动性，调动其积极性，锻炼其创造性，激发其学习兴趣，提高了学生分析、解决问题的能力，促进了学生创新思维方式、实践能力的培养，同时提高学生学习能动性。

（二） 科教融合的研究型实验课有利于学生扎实理论基础，提高综合实验能力

传统的仪器分析实验中，由教师提供实验讲义、准备实验材料，学生被动获取知识。在仪器分析实验教学改革中，以科研融合的方式建立研究型课程，以学生为主体对实验进行设计。学生通过文献检索，会发现测定丹皮酚含量的方法有很多种，除了使用UV法、HPLC法外，还可以进行荧光分析法[13]、气相色谱法测定[14]等等。不同的定量分析法有哪些优缺点？样品前处理对实验有何影响？对于以上等问题，教师引导学生将问题带入实验中，在实验完成后，组织同组和不同组学生展开讨论。学生对实验中的现象以及发现的问题有了正确认识，疑惑也得到解决。通过本实验的训练，致使学生对上述几种方法的原理及操作有进一步认识和掌握。学生们为设计出一个好的实验方案，需查阅大量的资料，接触并阅读大量国内化学领域核心刊物、著作等文献，使学生学习由被动接受转变为主动获取。实验从设计到完成，需综合运用多个知识点，有利于帮助学生主动串联知识点，从而系统掌握知识[15]，扎实理论基础，提高综合实验能力。

（三） 加强实验过程，建立师生共评模式，合理评价学生的学习成效

在仪器分析实验教学改革的过程中，实验结果并非唯一的评价标准。评价内容覆盖全过程，多角度，注重实验过程评价，能够及时发现学生在过程中的不足，积极引导，激励学生积极思考并改进，从实验设计、实验实施过程、数据处理、总结汇报进行综合评价。同时采用教师评价和学生互评相结合的方式，强调实验小组成员共同开展实验项目的实施参与程度，注重团队意识和问题意识评价[16]。这种评价考核模式将个人和小组综合成绩相结合，能有效激发学生学习能动性、提高学生学习投入度，提升学习效果。

六 展望

仪器分析实验教学改革，建立科教融合的研究型实验课程，强化科研与实验教学互动，大大提高了学生的学习主动性与能动性。学生通过查阅文献，设计论证实验方案，并以科研工作的方式进行总结汇报，熟悉基本的科研设计思路，掌握常用分析仪器的基本操作技能。在具体实施中，学生习惯采用简单、基础的传统实验方法，避难趋易，因此，在后续实施中选择更多、更加适合的开放性尝试，结合学院大仪平台，将更前沿的科研技术融入到实验教学中，兼顾实用性和创新性。在“双一流”建设的大背景下，构建研究型实验课程与创新应用型人才培养相融合，探索更加适用创新型、应用型人才培养需求的实验教学体系。