仪器分析实验“三点一线”式教学模式探索

2023-06-13肖玉涵王佳艺张悦韩蕊李晶芳殷宏庆曹颖舒乐新宋丽丽李遇伯

特产研究 2023年3期

肖玉涵，王佳艺，张悦，韩蕊，李晶芳，殷宏庆，曹颖，舒乐新，宋丽丽，李遇伯，

（天津中医药大学中药学院，天津 301617）

仪器分析是化学学科的一个重要分支，随着科技的进步，使用大型仪器进行分析测试已广泛应用于各个领域，相较于传统的化学分析法，仪器分析有着灵敏度高、快速和智能化的特点。因此，在高等教育中，《仪器分析实验》是一门不可或缺的化学基础实验课[1-4]。

《仪器分析实验》是面向天津中医药大学中药学院中药学类、药学、药物分析和药物制剂等7 个专业开设的一门化学基础实验课程，课程共36 个学时、12 个实验。本课程旨在使学生掌握常见分析仪器的使用方法，具备仪器分析的思维思考问题，养成良好的科学素养，并为今后的学习做好准备[2,3]。从2020—2021 的秋季学期开始，首次尝试对天津中医药大学中药学院中药学类和医学实验技术专业共3 个班级采用了“三点一线”式的实验教学模式，其中“三点”是指对实验内容进行改进和整合，将实验分为基础技能部分、专业技能部分和研究型操作技能部分，强调了学生在实验课程中的主观能动性；“一线”是指在教学过程中把“学生制作标准化视频”这一任务融入到整个课程教学中，使得标准化视频成为学生学习过程中更有效率的工具。经过实践经验证明，该模式有一定的理论依据，有行之有效的教学步骤和方法，在学生中反响效果良好，可以推广应用。

1 《仪器分析实验》教学现状分析

传统的《仪器分析实验》教学采用课前学生自主预习书本实验内容、课中教师亲授仪器使用方法及课后上交实验报告的方式。这种传统实验教学模式无法解决教学中遇到的诸多问题。

1.1 未考虑学生的学习能力

《仪器分析实验》的授课对象大多数都为本科二、三年级学生，虽然之前他们对常规化学实验有了一些了解，但是他们对仪器操作尤其是大型仪器的使用和操作知之甚少，同一班级学生之间的学习能力也有差异[4]。如果教师只自顾自地讲课，忽略学生的实际情况，不注重学生的自主思考、自我学习和自我提升的能力引导，学生就会一直依赖于老师的授课内容，没有把仪器分析知识内化为自己的知识，学习质量也不能得到提升。

1.2 未考虑学生的学习习惯

传统《仪器分析实验》要求学生课前对书本进行预习，但有时课本内容枯燥难解，而课程面对的学生群体多为00 后，习惯观看短视频以及接受碎片化的知识，教师应紧跟时代的潮流，把握住学生的学习习惯，创新基于短视频的教学模式，必定能大大提高学生的学习效率[5,6]。

1.3 实验内容陈旧

传统《仪器分析实验》内容单一，基础型、专业型和验证型实验数量多且相互重复，综合型和设计型实验较少，实验之间缺少连贯性和整体性，总体的综合性不强[7,8]。学生在实验课中很容易对已经设计好的实验步骤产生依赖，整个过程都是在机械地完成，其中没有自己的思考和创新，最终对《仪器分析实验》这门课程不能形成学科整体观。

1.4 学生对仪器的实际操作时间少

《仪器分析实验》中涉及的仪器常是一些大型的设备，价格较昂贵，因此数量较少[9,10]，在大班式教学的班级，学生多而仪器少，不是每个学生都有机会参与到实验的每一个环节，并且在实际实验课中，教师也会占用一部分时间对实验内容进行讲解及操作，这些都导致了学生对仪器的实际操作时间减少[11]。

1.5 课中的口头讲解效率低

在实验课堂中，对于精密仪器尤其是大型仪器，一个教师面对数十名学生，仅靠口头讲解，不能让学生形成深刻的感性认知[12]，口头讲解也占用了实验课很大一部分的时间，人为减少了学生实际操作的宝贵时间，最终造成了学生对实验内容一知半解、仪器不会操作的局面。

2 “三点一线”式教学模式的改革与实践

为解决《仪器分析实验》教学中遇到的上述问题，以培养学生严谨的科学作风和良好的实验素养为目标，笔者所在课题组创新尝试了以学生为中心的“三点一线”式教学模式，具体教学思路，见图1。

图1 “三点一线”式教学模式Fig.1 The"three points and one line"type teaching mode

2.1 教学内容

2.1.1 “三点” “三点”是指实验内容整合优化，根据技能模块将原本缺少连贯性和整体性的实验整合为基础技能部分、专业技能部分和研究型操作技能部分3个有机联系的模块，并且不同实验项目应用同一中药制剂（加味香连丸）进行改进和整合，最终达到实施单元目标分层式教学的目的。

专业技能部分：这一部分的实验内容是学习使用分光光度计和紫外可见分光光度计，让学生使用两种仪器测量加味香连丸中总生物碱的含量，便于仪器之间横向对比学习，提高教学效率。

基础技能部分：在这一部分中需要学生对加味香连丸进行生物碱的提取和使用薄层色谱鉴定，将柱色谱法和薄层色谱法两个知识点进行整合，一并学习。

研究型操作技能部分：气相色谱法和高效液相色谱法是《仪器分析实验》的难点，针对这两个大型仪器增加2 项综合设计性实验，在此过程中，教师以引导为主，整个实验过程都是学生自己完成。学生可综合利用所学知识去自主思考问题，提高创新能力，将所学到的仪器分析理论知识与实践达到真正融合。

“三点”教学内容创新思路和设计，见表1。

表1 “三点”教学内容创新思路和设计Table 1 "Three points"teaching content

2.1.2 “一线”“一线”是指把“学生自制标准化视频”这一任务融入到整个课程教学中，并充分利用标准化视频进行课程教学。

实验仪器尤其大型仪器的使用和操作往往都是复杂的，有的还具有一定的危险性，以往大多数教师将演示的复杂实验录制成影像资料，没有学生的参与，学生印象不深刻。让学生自己录制，充分调动了学生的主动性和能动性。面对这种情况，在教学模式和教学过程中把“学生自制标准化视频”这一任务融入到课前、课中和课上3 个维度的课程教学中，具体创新思路，见图2。

图2 “学生自制标准化视频”具体创新思路Fig.2 The detailed innovative ideas of"student self-made standardized video"

2.2 实施方法

2.2.1 “三点” 随着课程的进行，按照知识模块，先让学生学习基础技能部分和专业技能部分，使得他们对于实验仪器和实验方法有了基本了解，对于《仪器分析实验》也有了足够的认知，然后再让学生进行综合性设计实验，即教师以“加味香连丸中某一成分含量测定”来设题，引导学生使用液相色谱法和气相色谱法解题。期间学生自发组队、设计实验方案、查阅文献资料以及进入实验室自主完成实验并获得数据。对于学生自主设计的实验方案，实验结果并不重要，实验设计的合理性才是教师所关注的。由于实验从头到尾由学生自主设计操作，学生会在这个过程中积极思考、提升思维并探索创新。

2.2.2 “一线” 每一节仪器分析实验课都需要借助“学生自制标准化视频”来辅助学习，具体操作方法如下：

课前：使用标准化实验视频进行实操预习，使用书本进行实验内容预习。

课中：课堂采取引导启发式和小组讨论式的方法。教师除了详细讲解实验内容和操作步骤外，还要给学生播放视频，并在这个过程中，课堂根据实际情况进行分组，以2 人一小组，6 人一大组，组织学生进行讨论，启发学生思考实验步骤合理性、注意事项和可以优化的操作方法等，最后进行小组总结发言，老师当堂解惑。

课后：实验课结束后，学生2 人1 组自愿报名参与视频制作，自主回忆上课内容，查阅相关资料，设计录制方案；教师带领讨论，确定录制方案，统一视频格式；学生录制、剪辑视频；教师检阅、指导，师生反复沟通，制作完成。对于学生制作的标准化视频，教师会将其发放给下一届的学生用以课前预习。

2.3 效果评估

“三点一线”式教学模式已经在天津中医药大学中药学院3 个班级施行。通过整合改进的实验模块进行教学，学生学习思路更为清晰，上课发言时主动性明显提升。两项针对大型仪器学习的综合性设计实验也圆满完成，并且每个小组都各有所长。在整个过程中，学生由浅入深分析问题的能力、知识迁移与运用的能力都明显提高，学生的整体学业水平也得到提升。

学生对利用业余时间制作标准化视频的积极性非常高。总共有近60%的学生申请加入制作标准化视频。目前课题组已经指导本科生对本课程12 个实验的全部内容进行了录制和制作，共录制了17 个视频。很多学生表示在制作视频的过程中受益良多，尤其是对于实验操作更加熟练了，开始关注到了许多细节处的实验注意事项，培养了良好的科学素养，同时让看视频的学生提前预习了实验，学生都希望以后还有机会可以参与相关的实验和任务。标准化视频解决了《仪器分析实验》由于仪器讲解和示范占用大量教学时间而使学生实践学时减少的问题，而且提高了仪器的利用率。同时给学生提供了更多接触仪器的机会，既巩固了课上的知识，又加深了学生对理论知识的理解。学生自制标准化视频部分截图，见图3。