仪器分析课程教学的思考与探索

符继红

（新疆大学化工学院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

化学分析与仪器分析均为分析化学的重要组成部分[1]。其中，仪器分析是一门集化学、物理学、光学、电子学、数学和计算机科学等多学科为一体的交叉学科[2]。近年来，随着仪器分析在科研和工厂生产等领域的应用发展迅速，仪器已成为科研、科技和生产不可或缺的重要工具[3]。我国各高校都普遍开设了《仪器分析》课程，因此，作为本科生的仪器分析理论与实验课程体系的教学，也越来越显示其重要性。我校开设的仪器分析与实验课程总学时数达到80学时，涵盖了13种仪器分析方法。仪器分析课程的教学知识点涉及面广、内容综合性强且各仪器原理间的相关性较差。在课堂教学中需要重点讲授各种仪器分析方法的基本原理，仪器的基本结构、测试原理和定性定量的分析方法，尤其是各种仪器的特点及其应用范围，以使学生可以更好地掌握相关知识重点，旨在培养并提高学生的实践能力、创新能力和强化学生的综合素质及应用能力。为了更好地达到教学目的，通过多年的教学实践，我们对教学方式进行了积极探索。

1 重视夯实理论基础

《仪器分析》课程的特点是知识面涉及非常广泛，具有一定的广度和深度，学生觉得学习难度较大，如果在学习的过程中没有很好地对知识点进行归纳和总结，夯实理论基础，在一定程度上会降低学生的学习兴趣。因此，在教学的过程中要将各类仪器分析方法的基本原理、基本概念，仪器的各主要组成部分及其应用范围特点作为教学的重点内容，要求学生牢固掌握并熟练运用。比如我校讲授的《仪器分析》课程涉及气相色谱、高效液相色谱、电位分析法、伏安分析法、库伦分析法、原子发射光谱、原子吸收光谱、紫外吸收光谱、红外吸收光谱、核磁共振波谱和质谱等仪器。学生一开始学习的过程中，觉得仪器类型繁多，仪器之间没有相关性，学习难度较大。但按照仪器原理的不同，以上仪器可分别归属于光谱分析法、电化学分析法、色谱分析法及质谱法等。对每类仪器的适用范围、原理、定性和定量的特点及优缺点进行介绍，使学生把仪器分析的光、电、色等各类分析方法的全貌有透彻的理解。教师在授课中要突出仪器间共性与特性的比较，进行对比、归纳和总结。比如讲解色谱仪时，介绍色谱法最早是从茨维特分离植物色素的实验中发展来的。要让学生了解色谱法的本质是一种对复杂混合物进行分离的技术。在茨维特的实验中主要是应用到了一个装有碳酸钙的玻璃管（色谱柱），复杂的植物色素混合物在石油醚（流动相）的淋洗下得到了分离。因此，在色谱分析中要注重流动相和色谱柱在分离中的作用，这是色谱法的共性。但根据流动相是气体还是液体，被分为气相色谱和液相色谱，其仪器构造不同，选择的色谱柱不同，分析的样品性质不同。要具体给学生讲解不一样的原因及在使用过程中的注意事项，学生就会在对比了解的基础上加深记忆和理解。引导学生对仪器共性及特性的对比理解，掌握各类仪器方法的原理、仪器构造和应用范围，夯实每类仪器的理论基础。

2 采用灵活的教学方法

仪器分析课堂教学的困难之一是课程涉及仪器类型多样、工作原理相对抽象、教学内容量大，知识点多且复杂，造成学生知识掌握情况较差。其次，是课堂上讲解仪器时学生没有见过仪器实物，理论讲解抽象，学生经常理解不透也印象不深。针对这些突出问题，采用灵活的教学方法，是提高教学质量的重要手段[1]。目前为止，国内绝大多数大学仪器分析课程的教学都采用了多媒体授课。多媒体的授课方式可以生动，形象，具体的展现仪器实物及内部结构。为进一步增强多媒体授课的教学效果，还可以采用多种颜色艳丽、图片丰富的幻灯片或采用动画资料使抽象、难懂的仪器原理简单化，知识更加直观，使学生可以更好地掌握相关的教学内容。第二，传统的板书教学可以给学生充分的思考理解时间，使学生的学习思路随着教师的授课内容逐步递进。对于课程中的理论推导及计算采用多媒体结合传统的板书教学，可以有助于学生的理解和记忆。第三，利用网络资源，让学生可以先在相关网站查阅资料，进行课程预习，观看相关教学视频，使抽象的知识内容变得更直观、生动和形象。第四，采用线上线下混合式教学模式，借助网络平台，把教师传统的课堂教学与线上学生自主学习有机结合在一起，使学生高效掌握分析仪器的使用方法及理论知识。学生可以在网络平台发布提问、写笔记、做作业等，教师可以在线发布消息、布置和批改作业及进行阶段测试。网络平台操作简便，不受时间和空间的限制，容易得到推广。同时可以采用微信、钉钉、QQ和电子邮件等方式为学生提供了一个很好的交流平台。第五，科学组织教学内容，设问解疑，组织学生分组讨论相关问题，激发学生的求知欲望，加强科学学习的指导。教师对讨论的方向进行适当把握，并对学生提出的问题进行解答。这种方法也是培养学生自主学习的重要方式。最后，科学技术日新月异的发展使分析仪器发展迅速。但由于仪器分析教材修订的滞后性，最新发展的仪器技术无法及时反映在教材中。通过开展内容丰富、形式多样的学术讲座，及时介绍国内外仪器分析技术的新发展和新应用及解决的重大科学问题，可以使学生了解学科前沿和开阔视野。学术讲座可以邀请本学科的专家或仪器公司的技术人员以线上线下结合的方式进行，引导学生了解新的科研动态，把课堂所学的理论知识和最新的科研成果有机地结合起来，激发学生的求知欲，提高学生的学习及科研兴趣。采用灵活的教学方法，充分调动学生的学习积极性，更好地提高教学质量。

3 重视提高实践能力

仪器分析是一门专业性和技术性都较强的课程，需要较好的理解和动手操作能力。因此，仪器分析教学内容一般包括课堂理论授课及相关仪器实验课程。但在实验课程中也产生了许多问题[4]。首先，学生对实践能力的培训，即实验课的重视程度不够。部分学生认为只要理论考试能通过就行，实验课时只要看看仪器是怎样运行的就行，缺乏思考和动手的主动性。其次，由于实验课中涉及的仪器一般比较昂贵，特别是一些大型仪器，学校购买的设备数量较小，而学生人数较多，在一些情况下只能由老师进行演示实验，学生独立操作的实践机会少，因此降低了学生的学习兴趣[5-6]。同时，实验前学生对实验原理没有很好的理解掌握，导致理论与实践脱节，理论不能很好地指导实践。最后，由于学生人数多，老师少，实验室少，有些实验课是大班授课，造成老师在前面讲，后排的学生听不清也看不清，降低了学生的参与度。这些问题已严重制约了学生实践能力的提高。为了解决以上问题，首先，在课堂教学及实验课中要注重引导学生认识到学习分析仪器是为了“用”，激发学生的学习积极性。设计能引起学生兴趣的实验内容，给学生提出问题，让学生提出采用什么仪器可以解决这个问题。多讲一些学生关注和感兴趣的如三聚氰胺的检测、兴奋剂的检测、重金属污染环境的监测等应用案例，让学生真正了解仪器分析在科研及生产实践中的应用，才可以有效地调动学生学习的积极性，意识到仪器分析课程的重要性。其次，学院可以购买相关仿真软件，开展仿真实验[7]。通过在实验课前先开展仿真实验，学生可以提前掌握实验内容、仪器的操作流程及注意事项，使理论可以很好地指导实践。并且在线下实验课中可以极大提高实验课的效率，学生在相同的时间内可以对仪器进行多次操作，极大提升学生的动手操作能力。第三，针对上课人数多的问题，实验课时需对每个班的学生进行分组，减少学生上课的人数，使每个学生都可以积极参与到实验课程中来。在遇到问题时能及时与老师沟通，加深对课程知识点的理解和掌握。最后，授课教师要进行相关的研究工作，并同各专业的老师进行沟通和学习，了解学院老师的科研动态。规划研究小课题，让学生走进课题组，主动发现分析仪器能解决哪些科研问题及得到怎样的科研数据。

4 开设综合设计实验，培养综合能力

实验是仪器分析教学的重要内容，是培养学生分析问题，解决问题能力的重要途径[8]。综合设计实验涉及建立合适的样品提取方法对目标物进行提取，仪器分析方法的建立，实验数据及结果的分析等多方面内容的调研及思考。开设综合设计实验过程中，应注重学生发现问题，针对问题查阅资料，进行归纳总结及怎样采用仪器解决问题的引导[9]。同时，针对要解决的问题，培养学生查阅文献的能力，提高其对不同仪器分析方法的原理与应用方法的深刻理解是非常有必要的[10]。可以结合地方经济发展特色问题或目前社会关注的食品安全和环境保护等热点问题给学生布置任务。如新疆独特的自然条件和气候环境使得新疆种植的芳香植物品质优良，风味浓郁，在国际市场上享有盛名，芳香植物产业已发展成为新疆的特色优势产业。芳香植物的精油成分是决定芳香植物质量和特性的重要指标。因此，对芳香植物的精油进行分析具有重要意义。兴趣是调动学生积极思维、探求知识的内在动力。针对新疆地方特色的芳香植物精油分析可以对学生先进行背景介绍，激发学生的学习兴趣，再引出采用什么方法可以提取植物精油，采用哪个仪器可以进行分析，对实验数据进行处理后可以得到什么结论等问题。另外，通过给学生布置食品中农药残留检测的设计实验，让学生认识到每份样品检测数据的准确性，都关乎重大的食品安全问题和企业的发展，使学生怀着解决实际问题的责任心投入实验，培养学生强烈的责任心和使命感。综合设计实验充分发挥了学生学习的主动性和创造性，提高学生的学习能力、知识掌握的水平及社会责任感。在实验过程中让学生独立运用所学知识和实验技术，自行设计实验方案，独立查阅文献资料，包括样品的提取方法、仪器分析的测试方法、实验数据的分析方法等，提高学生学习实践的积极性，然后写出类似科技论文的综合性实验报告，从而使学生的知识和能力得到巩固与提高。综合设计实验可以分成几个任务，各任务之间既互相独立又互为基础，全面实现学生查阅文献、归纳总结、实验动手及仪器操作能力的提高与知识结构的改进，培养学生科学思维及发现问题、分析问题和解决问题的能力。

结合目前化学领域的发展现状和趋势，我们深刻认识到，作为自然科学研究领域中人们认识物质世界的重要手段之一，仪器分析的发展被寄予越来越大的期望，并提出越来越高的要求。仪器分析课程的多学科交叉性、复杂性和前沿性等特点，使得教师需要对《仪器分析》课程的教学不断进行思考与探索，及时根据教学目的，通过实践不断改进教学方法和教学手段。通过夯实理论基础、采用灵活的教学方法、提高实践能力和开设综合设计实验等多种方式，充分调动学生学习的积极性和兴趣，培养学生积极思考、主动学习的习惯和自学能力，全面提升仪器分析课程的教学效果和教学质量。