儀器分析實驗教改初探

彭學(xué)偉

【摘 要】針對高等院校儀器分析實驗的教學(xué)現(xiàn)狀，提出實驗教學(xué)的改革思路。通過仿真模擬實驗、實物模擬實驗、驗證實驗和設(shè)計實驗等四種不同層次實驗構(gòu)建的實驗教學(xué)體系的實施，有力地保障了儀器分析實驗教學(xué)，達到了培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力的效果。

【關(guān)鍵詞】儀器分析 實驗 教學(xué)

儀器分析課程是化學(xué)專業(yè)指定的專業(yè)必修課，而儀器分析實驗則是儀器分析課程不可或缺的一環(huán)， 其核心任務(wù)是通過對儀器設(shè)備的具體操作， 鞏固學(xué)生對理論知識的掌握，并達到鍛煉學(xué)生動手能力、培養(yǎng)學(xué)生實驗素養(yǎng)的目的。鑒于儀器分析在現(xiàn)代分析中占有舉足輕重的地位，當(dāng)前國內(nèi)高校對儀器分析理論課的教學(xué)普遍重視有加；相比而言，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)則顯得重視不足。據(jù)筆者調(diào)查，學(xué)生在結(jié)束本科學(xué)業(yè)之后踏上工作崗位或繼續(xù)深造時，很多同學(xué)不能正確使用一些基本的大型儀器如氣相色譜、液相色譜等。造成這一現(xiàn)象的原因與高校擴招、實驗經(jīng)費緊張等客觀因素有關(guān)。鑒于此，身處教學(xué)一線的教學(xué)人員需要根據(jù)實際情況確定合理的實踐教學(xué)體系。本文簡單地談一下我們在儀器分析實驗教學(xué)中的一些措施與體會。

針對儀器分析實驗僧多粥少及儀器分析難學(xué)這一現(xiàn)實，我們在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)上設(shè)定四個層次，分別為仿真模擬實驗、實物模擬實驗、驗證實驗和設(shè)計實驗。這四種類型的實驗相互補充，共同構(gòu)建儀器分析實驗教學(xué)體系。

1 仿真模擬實驗

受場地、實驗裝置以及課時和師資的限制，目前國內(nèi)高校開設(shè)的儀器分析實驗課基本采用分組實驗的形式，多數(shù)實驗為演示性實驗，難以實現(xiàn)學(xué)生個人獨立完成實驗的目的，從而造成學(xué)生所學(xué)理論知識與實踐環(huán)節(jié)相脫節(jié)。引入仿真實驗教學(xué)，則在很大程度上解決了這一問題。首先，仿真實驗彌補了高等院校實驗經(jīng)費不足的缺憾。大型實驗儀器耗資大， 維護費用高， 在實驗經(jīng)費不足的情況下， 學(xué)校所能開出的實驗項目和數(shù)量受到限制。仿真實驗只需要仿真軟件和一臺計算機就能進行實驗，彌補了因?qū)嶒瀮x器及經(jīng)費不足造成的缺憾。一些需要價格昂貴的儀器而無法開展的實驗， 通過仿真就能夠容易實現(xiàn)。

其次，仿真實驗擴展了學(xué)生的實踐空間和實驗內(nèi)容。只要有仿真軟件和一臺計算機就能進行仿真實驗， 現(xiàn)在的大學(xué)生基本人人持有電腦，因此打破了時間和空間的限制。仿真實驗作為實驗前的預(yù)習(xí)， 學(xué)生可以在不同的時間、地點和領(lǐng)域自主進行實驗。實踐證明，學(xué)生上機實踐實驗前所做的仿真實驗，具有良好的預(yù)習(xí)效果。本校給化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生安排了仿真實驗，而化學(xué)教育專業(yè)沒有安排仿真實驗，針對這一情況，我們比較了兩專業(yè)同學(xué)的氣相色譜實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)化工專業(yè)的學(xué)生對實驗流程的掌握程度要比化學(xué)專業(yè)的學(xué)生熟練得多，實驗耗時明顯減少。

再次，仿真實驗同實際實驗相比增大了實驗內(nèi)容， 學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好， 選擇一些傳統(tǒng)實驗較少涉及的實驗內(nèi)容。例如進行氣相色譜仿真實驗練習(xí)時，學(xué)生可以選擇四個不同的實驗（表1）進行練習(xí)：實驗Ⅰ采用的檢測器為熱導(dǎo)池檢測器（TCD），其使用簡單，學(xué)生很快便可以完成實驗；實驗Ⅱ采用氫火焰檢測器（FID），由于需要用到多路氣體，而且不同氣體打開的次序有嚴(yán)格的規(guī)定，學(xué)生做此實驗出現(xiàn)的問題較多，例如沒有開氫氣和空氣點火或者沒有點火就進樣品等。熱導(dǎo)池檢測器和氫火焰檢測器是氣相通用檢測器，相比而言，作為專屬檢測器的電子捕獲檢測器（ECD）和火焰光度檢測器（FPD）在教學(xué)氣相色譜中一般不配備，學(xué)生難以接觸到。實驗Ⅲ和Ⅳ中采用的檢測器分別為電子捕獲檢測器和火焰光度檢測器，學(xué)生可以通過仿真實驗學(xué)習(xí)與這兩種檢測器相關(guān)的實驗。實踐結(jié)果表明，通過不同實驗、不同儀器設(shè)備的實踐練習(xí)，學(xué)生很好地鞏固了理論課所講授的內(nèi)容。

2 實物模擬實驗

盡管仿真實驗具有以上提到的諸多優(yōu)點，但是仿真實驗畢竟是虛擬的，無法給學(xué)生真實感覺，因而也就無法替代實際上機操作。教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)即便是已經(jīng)做了仿真實驗的學(xué)生，在利用實際儀器進行實驗時，仍舊畏手畏腳。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是學(xué)生不了解這些昂貴的精密儀器的構(gòu)造與原理，怕操作不當(dāng)損壞儀器，因而產(chǎn)生畏懼心理。鑒于此，我們在進行正規(guī)上機實驗之前，利用報廢的大型儀器作為學(xué)生學(xué)習(xí)儀器分析實驗的第二課堂，通過展示儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使學(xué)生對精密儀器有一個直觀、初步的概念及認識，達到鞏固基本理論知識、熟悉儀器結(jié)構(gòu)及微觀過程的目的。此外，學(xué)生可以通過廢置儀器進行模擬實驗操作，待掌握必要的基本操作之后，再在正常的大型儀器上進行試驗。這樣，不僅可以令學(xué)生充分掌握試驗技能，而且能夠減小試驗成本。

3 驗證實驗

通過仿真實驗和實物實驗?zāi)M之后，學(xué)生較好地掌握了所用儀器的操作流程以及一些基本操作，對于大型儀器已不再感到神秘，畏懼心理基本消除。因此，實際上機驗證實驗操作實驗中，學(xué)生對于教師所講授的儀器構(gòu)造和原理能夠很快接受。此外，實驗過程中基本操作的正確與否， 是否規(guī)范化， 是完成實驗教學(xué)的前提條件。我們發(fā)現(xiàn)， 通過仿真實驗和實物實驗?zāi)M，學(xué)生對于老師對儀器操作和實驗步驟的講解、示范以及所指出的各種操作過程中的注意事項和常規(guī)實驗操作規(guī)范也能夠較好的領(lǐng)會，在教師的指導(dǎo)下，他們可以盡快地正確使用儀器。調(diào)查表明，通過實際上機操作，學(xué)生對所學(xué)理論知識有了更深的理解。

4 設(shè)計試驗

儀器分析實驗是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要課程， 通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠綜合運用所學(xué)的知識和技能解決實際問題。學(xué)生通過大量的模擬實驗和一定數(shù)量的驗證實驗， 加深了該學(xué)科理論知識的理解和掌握， 獲得一定的綜合測試技能和實驗?zāi)芰?。但是驗證性實驗， 學(xué)生實踐的對象、方法以及步驟等關(guān)鍵要素都是預(yù)先指定的， 缺乏主動性。學(xué)生在實驗時， 只需按步操作就行， 在實驗過程中基本無須思考， 更不需要創(chuàng)造性的探索， 這樣使得學(xué)生不能對儀器分析過程的復(fù)雜性有一個全面的認識， 缺乏將知識內(nèi)化為能力的環(huán)節(jié)。而設(shè)計研究性實驗， 是結(jié)合教學(xué)而進行的一種探索性實驗，其對于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)， 全面規(guī)范的實驗技能具有重要的意義。學(xué)生根據(jù)興趣選擇實驗課題， 查閱有關(guān)文獻， 設(shè)計出完整的實驗方案，在教師的指導(dǎo)下獨立完成實驗。學(xué)生通過設(shè)計性實驗之后，初步掌握了科研的一般步驟，同時培養(yǎng)和提高了分析綜合能力、實驗動手能力、數(shù)據(jù)處理能力及查閱文獻資料的能力。

實踐教學(xué)表明，仿真模擬實驗、實物模擬實驗、驗證實驗和設(shè)計實驗共同構(gòu)建的儀器分析實驗教學(xué)體系是一個較完善的實驗體系。通過以上四個層次實驗環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對于儀器分析實驗的掌握，尤其是儀器的基本操作掌握得比較到位。此外，四種層次的實驗環(huán)環(huán)相扣、循序漸進、相互補充，不僅有力地保障了儀器分析實驗教學(xué)的效果，更為重要的是加強了實驗教學(xué)的針對性、互動性和實效性，將“接受知識”和“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”有機地結(jié)合起來，改“單向式”為“雙向式”，引導(dǎo)學(xué)生由“學(xué)會”過渡到“會學(xué)”和“會用”，更好地調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，注重培養(yǎng)學(xué)生綜合能力及創(chuàng)新素質(zhì)的提高。

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