仪器分析课程教学实践与改革

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　　[摘 要]仪器分析课程主要讲授各类现代大型科学仪器的组成、结构、原理、方法和应用，理论性和实践性强，教学内容既有广度又有深度。在教学过程中，教师应充分吸收国内外先进的教学和科研成果，以各类仪器基本原理的教学为主线，通过理论与实验相结合，不同教学方式互相配合，生动形象、深入浅出的阐述各类仪器的基本原理、组成与结构、定性和定量分析过程，培养学生运用基本原理来分析问题和解决问题的能力。
　　[关键词]现代仪器分析;原理;实验;教学方式;教学效果
　　[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）02-0074-03
　　仪器分析（Instrumental analysis）是当今分析化学学科的核心，它在分子生物学、医学、地质学、食品科学、环境科学、材料科学以及其他许多领域发挥着关键作用[1-3]。尽管并不需要使用仪器的所有人员都经过完美的训练和拥有高超的分析技能，但使用者也不能简单地将分析仪器当作黑匣子（black boxes）或无用数据的输入输出（garbage in， garbage out），这最终将导致大量实验结果和数据的误用、滥用[3]。仪器分析课程在高等学校有关专业中对培养学生分析、解决问题能力和创新精神、掌握现代的研究手段与方法有重要作用[4]。鉴于此，这门课程已日益受到重视[1]。本文作者在环境科学本科生现代仪器分析以及研究生相关课程教学和科研工作的基础上，探索仪器分析课程的教学方法和教学改革，以学生为中心，提升学生运用基本原理和方法解决实际问题的能力，培养学生的创新能力。
　　一、以仪器基本原理的教学为主线
　　仪器分析是以物质的物理性质为基础建立和发展起来的一类分析方法，主要运用科学仪器获得物质的化学组成和结构信息[1-2]。因此，它是一门理论性和实践性都很强的课程[5]。讲好“理论”或“原理”，可以激发学生的理论兴趣， 拓宽学生的理论视野， 活化学生的理论思维， 提升学生的理论境界[6-7]，从而使他们掌握教学内容的核心，指导后续内容的学习。
　　依据所测定物质物理性质的不同，仪器分析的具体方法可分为光学分析法、电化学分析法、热分析法、色谱法和质谱法等。尽管在外观、组成和性能上千差万别，但现代分析仪器总体上都由激发源、样品室、检测器、信号处理器（放大器）和输出设备（记录仪、工作站或计算机）几个部分构成。因此，在教学过程中我们紧紧抓住所测定物质的物理性质这个“牛鼻子”，以各类仪器的基本原理为主线，将其贯穿于各项内容的教学，每一章的教学均按照原理→构造→应用的内容进行教学设计。首先，“原理”是教学的重点和难点内容，常常涉及量子力学等研究微观粒子运动规律的物理学内容，内容较为抽象，学生学习难度较大。因此，我们尝试采用动画和视频等先进的多媒体技术进行讲授，以帮助学生理解和掌握。其次，我们在讲授仪器结构和构造时，将其与基本原理紧密联系进行分析，让学生不仅“知其然”而且要“知其所以然”。最后，让学生运用实例讲解谱图解析和定性定量分析。光学分析法起源于人们对太阳光谱或自然光的观测，是最古老也是目前应用最为广泛的鉴定自然界物质的方法之一。以原子光谱法为例，19世纪初，Wollaston （1802）和Fraunhofer （1817）就分别发现太阳光谱中有暗线。此后，由Bunsen & Kirchhoff （1860）设计了最早的原子吸收试验装置。进入20世纪后，Woodson R.（1902） 利用原子吸收现象研究天体和星际间的化学组成。1955年，澳大利亚CSIRO化学家 Alan Walsh 在Spectrochimica Acta上发表“The Application of Atomic Absorption Spectra to Chemical Analysis”的著名论文，原子吸收光谱法（AAS），这一基于自由原子（蒸汽）对电磁波的吸收作用进行分析的方法开始得到迅速应用和发展。在学生对原子光谱法起源和发展沿革过程有了认识后，教师讲授原子的能级跃迁与光谱的产生，并以钠原子为例，分析其特征谱线的产生和黄色火焰的形成，引入共振线、电离线等概念，借助Boltzmann公式探讨影响谱线强度的因素。此后，教师对组成原子光谱仪的各个部分进行讲授。对于原子发射光谱仪（AES）而言，需要利用能量（电能、热能或ICP）激发样品，产生发射光谱，并设置摄谱仪进行采集信号，可同时对70多种元素进行定性分析;对于原子吸收光谱仪（AAS）来说，则是运用锐线光源，对原子化后的样品浓度或含量进行测定。最后，教师指导学生对原子光谱法的定性定量应用进行学习，容易理解AAS只能进行定量分析，而且一次分析只能测定一种元素;而AES则主要是进行定性分析，且可同时测定多种元素。這样的教学设计水到渠成、顺理成章，有益于学生的理解和掌握。
　　再以质谱法为例稍作介绍。质谱（Mass Spectrometry， MS）分析法是将物质分子电离并按离子的质荷比进行分离和检测的方法。既然如此，那么质谱仪一定包括两个核心的组成部分，一个是将中性分子进行电离从而形成带电离子的装置（称为离子源），另一个是将质荷比不同的离子进行分离的装置（称为质量分析器）。同时，离子化及其分离过程须在高真空条件下才能完成，空气分子的存在将大大影响这一过程，因此离子源（10-3～10-5 Pa）和质量分析器（10-6 Pa）需要置于高真空系统中。根据所分析物质或样品性质和组成的差异，可以选择相应的离子源和质量分析器。如果分析对象是石油或油品，其组成复杂但热稳定性较高，可以选择电子轰击源（EI），它提供的能量较大，因此产生的分子碎片较多，可以提供丰富的结构信息。然而，如果分析对象是热稳定较差的蛋白质或多肽类有机大分子化合物，则应当选择基质辅助激光解析电离（MALDI）或电喷雾电离（ESI）等能量较低的电离源。
　　总之，各类仪器原理应当作为整个教学过程的核心和主线，这有利于培养学生分析问题和解决问题的能力，避免“眉毛胡子一把抓”或者由于学习内容多而迷茫不得法，即“学而不思则罔”。 　　二、充分吸收国内外先进的教学科研成果
　　在备课和教学过程中，充分吸收和运用国内和国外优秀教材的教学成果，并融入到教学过程中。教学内容深入浅出，有利于非化学类专业或物理、化学基础相对薄弱学生的学习。
　　依据2016年新修订的教学大纲和最新国家级规划教材（朱明华主编，仪器分析，第4版），参阅国内其他优秀教材和国外本科生（非化学类专业）经典教材Undergraduate Instrumental Analysis（7th Edition， 2014），认真准备教学日历、教案、讲稿和教学课件，准确说明每部分教学内容的教学目的、基本知识点、重难点和教学方法。考试评分标准合理，考试结果分析到位，考试资料保存完整。教师积极与学生交流，善于听取学生的意见，及时解答学生提出的问题。教学内容充实，能反映学科前沿，基础性强，突出反映学科基本思想、基本方法和基本应用的内容，理论联系实际，引入适当的应用实例，专业课与应用实际紧密结合。作业和考试中有较多综合性、应用性和创新性的内容。教师在讲授中能从现象、实际问题出发引出理论知识，介绍现代仪器的发展历程、应用实例，以此来调动学生的学习兴趣和培养学生探究知识、应用知识的自觉意识;在课堂内外能给学生留下较大的思考空间，启发学生积极思考，有意识地训练学生分析和解决问题的能力;积极将自己的科研心得和科研成果介绍给学生，激发学生的研究兴趣。课堂氛围活跃，学生积极思考和回答问题。
　　在教学过程中，注意引入和介绍现代分析仪器在一些国际科学前缘领域的应用进展，以提升学生对科学的兴趣和学习的积极性、主动性。首先，历年来的诺贝尔奖成果中，常常出现分析仪器的身影。这些奖项或者是直接对仪器研发的贡献，或者在其成果中仪器分析发挥了关键作用。如1989年物理奖“离子阱技术的发明”，1991年“傅里叶变换核磁共振法和二维核磁共振技术的发明”，2002年的“电喷雾（ESI）电离方法进行生物大分子分析”“基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI）方法进行生物大分子分析”“利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。其次，仪器分析在国际科学前缘领域发挥着重要作用。例如，在“好奇号”火星车上，装有先进的原子光谱和红外光谱组成的探测仪（覆盖波长范围240～850nm），可以实现对火星表面7m以上岩石和土壤样品元素组成的快速分析鉴定;与此同时，“好奇号”上还装有气相色谱-质谱仪（GC-MS），通过对火星富铁矿物中生物标志物（脂肪酸）的分析，表明火星上曾经有广泛的微生物的活动。
　　三、理論与实验和研讨相结合
　　仪器分析课程的理论性和实践性都很强，教学内容既有广度又有深度。因此，理论与实验相结合、重视实验教学，对于仪器分析课程的教学不可或缺[8-10]。为此，在本科生课程中安排了“气相色谱仪灵敏度、分离度的测定”“紫外吸收光谱分析的应用”“气相色谱/质谱联用观摩实验”和“原子吸收光谱定量分析实验”等四个教学实验，分别在“色谱法”“紫外光谱法”“质谱法”和“原子吸收光谱法”等章节后进行，以配合理论教学。教学实验分组进行，教学和实验老师认真仔细地指导，保证每一位学生动手操作和实验，培养学生的实验能力。学生学习的积极性较高，教学效果良好。此外，还专门开设了数据分析与处理方法课程，对学生进行系统的实验技能和实验方法的培养。
　　随着素质教育、科技创新的广泛开展和深入进行，研讨式教学在开阔学生知识眼界、发挥学生学习主动性、激发学生探索创意等方面显示出明显的优势，逐步成为广大教师追求的主要教学模式[11]。为了培养学生自主学习的能力，专门安排了研讨课进行课堂讨论，每位学生自选题目，开展文献调研，进行5～10min的发言，内容涉及新技术、新方法、新应用等。这些新技术如“全二维气相色谱-飞行时间质谱”“傅里叶变换离子回旋共振质谱”等新型质谱技术可以实现对复杂有机混合物的分析并应用于油源对比和油气运移示踪，“离子探针技术”可以对岩石矿物元素进行精确定性定量分析，“二元同位素测定技术”作为一种新地质温度计有望得到迅速发展和应用，“红外呼气检测仪”可以快速、准确地对酒驾后血液中乙醇浓度进行检测。通过尝试开展研讨式教学方式，学生自主学习，互相提问、讨论和启发，探究现代科学仪器的原理和应用，课堂气氛活跃，提升了学生学习的积极性和教学的效果。
　　四、不同教学方式互相配合
　　兴趣是最好的老师，是推动学生提高学习效果最强的动力。对于教师教学与学生学习的关系，古人一贯强调教必有趣，以趣促学。因此，引人入胜的趣味教学在学习中必不可少，其也能明显提升学生的学习效果[12]。仪器分析课程一方面理论性强，一些物理和化学原理抽象;另一方面实践性强，但又不可能在有限的学时内对所有讲授的仪器进行实验和操作。因此在该课程中动画、视频、板书、习题和练习、多媒体等手段互相配合，并结合生产生活实际进行教学，就显得十分重要和必要。
　　教学活动依据教学大纲，采用理论与实验、课堂讲授与学生讨论的方式进行。课堂教学运用多媒体、板书等不同方式开展，多媒体图文并茂。对于一些难以理解的物理化学原理采用动画教学，如色谱的分离原理和过程、红外光谱中多原子分子的振动方式等;对于谱图解析和有机物结构推断则运用板书进行推演，以便于学生分析和理解。课堂上经常通过提出问题或与日常生活相关的问题来引入所需要学习的专业内容，引导学生思考和分析问题。总之，在教学过程中，教师要努力建设思路开阔、气氛活跃、深入浅出的课堂，探索以学生为中心的教学方式，从而大大提高学生学习的兴趣和动力。同时教师也要严格执行考勤制度与维护课堂纪律，使教学效果良好。
　　教师要采取不同方式答疑，课间、课后（每次半小时左右）及时解答学生在教学过程中产生的问题，并安排专门时间答疑。在每个章节之后，均安排一定数量的习题或作业，由学生完成，并进行讨论。安排期中课内测验和平时作业，以考查学生对所学内容的理解和掌握程度，巩固教学内容，并训练学生初步对物质结构和组成含量进行分析的能力。 　　五、结语
　　仪器分析是理工科学生重要的专业基础课程之一，在基础课程和专业课程学习中起到承上启下的关键作用，不论对于学生继续从事科学研究还是从事相关专业的应用性和实践性工作均具有重要价值。它一方面以大学物理和大学化学课程内容为基础，另一方面又对后续许多专业课程的学习来说不可或缺。在教学过程中，教师要充分吸收国内外先进的教学科研成果，运用动画、视频和多媒体等手段，以各类仪器的原理为主线，实验和研讨相结合，并贯穿于整个教学内容，注重培养学生运用基本原理来分析问题和解决问题的能力，提升学生的创新能力，从而达到更佳的教学效果。
　　[ 参 考 文 献 ]
　　[1] 朱明华，胡坪.仪器分析（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2008.
　　[2] 张寒琦.仪器分析（第2版）[M]. 北京：高等教育出版社，2013.
　　[3] Robinson J.， Frame E. M. S.， Frame Ⅱ G. M.， Undergraduate Instrumental Analysis （7th Edition） [M].CRC Press， 2014.
　　[4] 陈皓，李明利，肖乾芬，刘海玲，张华，袁园.大型仪器分析技术在环境类专业本科实验教学中的实践与探索[J]. 实验教学研究，2013（10）： 148-151.
　　[5] 王瑞勇，季米娜，张璐，柴亚辉，沈仁增.仪器分析理论课程教学实践与探索[J]. 光谱实验室，2011（1）：259-261.
　　[6] 孫正聿.站在大学的讲台上[J]. 中国大学教学，2003（9）： 13.
　　[7] 孙正聿.理论课要会“讲理”[J]. 中国高等教育，2004（2）： 33-34.
　　[8] 白雁，王星，李永强.研究生仪器分析课程讲授的改革与实践[J].实验室研究与探索，2011（10）：111-113.
　　[9] 张六一，饶通德，冉谷，黄怡民.应用型本科环境科学专业仪器分析课程教学改革[J].环境与发展，2017（9）：254-256.
　　[10] 周剑峰，韩民.新工科专业实践教学体系构建[J].教育教学论坛，2017（44）：109-110.
　　[11] 苗东利，雷佑安.研讨式教学在高校教学中的应用[J].大学教育，2013（1）：131-132.
　　[12] 刘红涛，周景明，关方霞.生物化学教学模式的初步探析[J].大学教育，2017（12）：53-55.
　　[责任编辑：刘凤华]
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