新工科背景下儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

王儒珍　毛玉鳳　聶麗君　劉志森　殷旭東　鐘華文

摘 要：儀器分析課程內(nèi)容豐富，信息量大，涉及多種大型儀器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用技術(shù)等，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已很難適應(yīng)學(xué)生的實(shí)際需要。本文結(jié)合儀器分析課程的強(qiáng)實(shí)踐性特點(diǎn)，根據(jù)其實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些問題，探索以學(xué)生為中心，以教學(xué)效果為導(dǎo)向，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性等方面進(jìn)行改革，以期通過培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)出符合社會(huì)要求的新型工科人才。

關(guān)鍵詞：新工科；儀器分析實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.200

1 引言

目前，世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進(jìn)行，新經(jīng)濟(jì)發(fā)展迫切需要新型工科人才支撐，要求培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與跨界整合能力的工程科技人才，相應(yīng)的高等工程教育改革受到前所未有的重視與普遍關(guān)注[1-2]。2016年，“新工科”概念的提出為工程教育理論與實(shí)踐探索提供了新視角，即將國(guó)際工程教育改革進(jìn)行中國(guó)本土化[3]。工程教育要求加速工科專業(yè)的改造升級(jí)；探索建立工科發(fā)展新范式；緊跟技術(shù)發(fā)展，及時(shí)更新工程人才知識(shí)體系；以學(xué)生為中心，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)引領(lǐng)未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新型人才。

儀器分析是利用特殊的儀器設(shè)備獲取物質(zhì)的組分、含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)等信息的一類方法。該方法實(shí)踐性強(qiáng)、廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、環(huán)保、生物、食品等領(lǐng)域[4]。隨著科技發(fā)展，現(xiàn)代儀器分析的方法和技術(shù)不斷創(chuàng)新，目前主要趨向提高儀器的靈敏度、準(zhǔn)確度、工作效率及對(duì)特殊物質(zhì)或樣品的分析適應(yīng)能力等方面發(fā)展。近年來，儀器分析課程在高?；瘜W(xué)相關(guān)課程中的地位日趨重要。實(shí)驗(yàn)課程是儀器分析課程教學(xué)的重要組成部分，其實(shí)踐性很強(qiáng)，許多高校為提升自己培養(yǎng)的人才在新世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的競(jìng)爭(zhēng)力，已將儀器分析課程列為化學(xué)相關(guān)專業(yè)如應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)等專業(yè)學(xué)生必修的課程[5-6]。因此，在新工科的大背景下，儀器分析實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)勢(shì)必要做出相應(yīng)的改變和更新，以適應(yīng)工程教育的新要求，提高新型工科人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的普遍問題

目前，我國(guó)高校儀器分析實(shí)驗(yàn)課程大多以演示實(shí)驗(yàn)（教師演示，學(xué)生觀摩）形式教學(xué)，學(xué)生不能直接接觸儀器設(shè)備，導(dǎo)致上課效果差。而且，隨著儀器分析設(shè)備不斷升級(jí)與更新，儀器操作規(guī)程越來越簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度越來越高，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)很難真正掌握儀器各模塊的結(jié)構(gòu)和原理[7]。筆者作為儀器分析實(shí)驗(yàn)教師，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的很多問題限制了教學(xué)質(zhì)量的提升，如實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不合理，不同專業(yè)的學(xué)生所學(xué)并無差異；授課學(xué)時(shí)少，計(jì)劃內(nèi)容多，學(xué)生學(xué)習(xí)效果差；儀器設(shè)備得不到合理充分利用（有的儀器不夠用，有的卻閑置不用）等。在新工科背景下，應(yīng)用新型人才將成為高校人才培養(yǎng)的核心。環(huán)境專業(yè)儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容離不開相關(guān)企業(yè)或事業(yè)單位分析檢驗(yàn)崗位的實(shí)際需要。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，我們對(duì)原有的教學(xué)方法進(jìn)行了反思和改革，以學(xué)生為中心、以教學(xué)效果為導(dǎo)向，通過增加學(xué)生的自主動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)符合社會(huì)要求的新型工科人才。

3 儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

3.1 以學(xué)生為中心調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

儀器分析課程內(nèi)容豐富，涉及學(xué)科領(lǐng)域繁多，可應(yīng)用于分析物質(zhì)的化學(xué)成分和組分含量，也可應(yīng)用于物質(zhì)的瞬時(shí)追蹤、環(huán)境在線監(jiān)測(cè)、工藝過程控制等方面。不同的企業(yè)所需人員的專業(yè)技能要求不同，同樣，不同專業(yè)學(xué)習(xí)的儀器分析也應(yīng)該是具備專業(yè)特色[8]。在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，我們根據(jù)學(xué)生專業(yè)的不同，選擇其專業(yè)需要接觸到的儀器設(shè)備進(jìn)行授課，盡量滿足不同專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)生在儀器分析方面的知識(shí)需求。如，根據(jù)給排水工程與科學(xué)專業(yè)《水分析化學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)需求，該專業(yè)學(xué)生的儀器分析部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)以水質(zhì)分析儀、離子色譜儀、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、原子熒光光度計(jì)、原子吸收分光光度計(jì)等儀器為主；針對(duì)環(huán)境工程專業(yè)的學(xué)生，分析儀器主要用于環(huán)境污染檢測(cè)和控制分析方面，故而以環(huán)境污染分析常用的TOC分析儀、氣相分子吸收光譜儀、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜儀、三維熒光光度計(jì)等為主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。對(duì)于大部分學(xué)生來說，儀器分析只是一種獲取所需信息的分析手段，并不一定會(huì)從事相關(guān)工作，但該課程實(shí)驗(yàn)技術(shù)性很強(qiáng)，學(xué)生沒有經(jīng)過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，不可能有效地利用它來獲得信息。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)中大多并不重視實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在缺乏動(dòng)手能力，學(xué)習(xí)效果差。此外，大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里儀器設(shè)備種類繁多，許多學(xué)生饒有興趣，樣樣都想學(xué)，但要在有限的課堂時(shí)間里掌握所有儀器設(shè)備的使用技能，是幾乎不可能做到的。因此，在課程安排上，我們采用理論結(jié)合實(shí)踐的辦法，有所選擇、有所側(cè)重地調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)儀器學(xué)習(xí)的難易程度調(diào)整上課順序和時(shí)長(zhǎng)，讓學(xué)生集中精力，重點(diǎn)學(xué)習(xí)掌握“一定”的技能。

3.2 以分析儀器為中心構(gòu)建知識(shí)體系

儀器分析實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐性非常強(qiáng)，所涉及知識(shí)點(diǎn)多而散，系統(tǒng)的知識(shí)體系有利于提高教學(xué)質(zhì)量[9]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們以儀器的基本原理、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍等內(nèi)容為主線構(gòu)建了分析儀器相關(guān)知識(shí)體系。讓學(xué)生系統(tǒng)的學(xué)習(xí)各種儀器的分析方法基本原理，了解各種儀器的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，學(xué)會(huì)各種儀器的操作和應(yīng)用方法。通過儀器分析原理的講授，引入儀器主要部件的學(xué)習(xí)；然后利用主要部件“拆分”儀器，讓學(xué)生了解儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)；接著連接各部件“組裝”儀器，使學(xué)生更深刻的理解儀器工作原理及流程；再根據(jù)流程使學(xué)生學(xué)習(xí)儀器的具體應(yīng)用；最后歸納總結(jié)不同儀器的共性（共同部件或結(jié)構(gòu)或分析原理）與個(gè)性（特殊功能、獨(dú)特設(shè)計(jì)或改進(jìn)之處）特點(diǎn)，并適當(dāng)利用現(xiàn)實(shí)生活中于儀器分析密切相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例，讓學(xué)生把學(xué)到的理論知識(shí)應(yīng)用到生活，從而與課堂教學(xué)所學(xué)的理論知識(shí)相得益彰。

3.3 以教學(xué)效果為導(dǎo)向改革教學(xué)模式

儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是讓學(xué)生從對(duì)儀器基本知識(shí)的了解-認(rèn)識(shí)-理解，進(jìn)入實(shí)際操作階段。但是大型儀器的講解本就比較抽象枯燥，理解難度較大，很多學(xué)生完全是被動(dòng)式的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)興趣并不高，加之很多老師在上課時(shí)擔(dān)心學(xué)生對(duì)儀器操作不當(dāng)而帶來損失或增加工作量，不讓學(xué)生動(dòng)手，而靠單一的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生無法對(duì)課程加深印象，更不能使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)完成后有多少收獲，致使學(xué)生對(duì)課程缺少熱情，甚至出現(xiàn)厭學(xué)情緒。

濃厚的學(xué)習(xí)興趣可提高學(xué)生的積極性。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，我們常常采用與生活相貼切的儀器應(yīng)用事例增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不多的情況，利用翻轉(zhuǎn)課堂，提前將構(gòu)建的儀器知識(shí)體系作為輔助教材分享給學(xué)生，讓學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前對(duì)需要學(xué)習(xí)的儀器基本情況進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限，為給學(xué)生提供跟多的動(dòng)手機(jī)會(huì)，一般安排4-5人一組同時(shí)學(xué)習(xí)，在練習(xí)過程中，要求所有同學(xué)練習(xí)到能夠獨(dú)立完成操作方為合格，然后在此基礎(chǔ)上自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完成一組樣品分析。這樣提升學(xué)生積極性的同時(shí)，有效避免了多人實(shí)驗(yàn)中，有學(xué)生只看不動(dòng)手，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)付了事的情況，使學(xué)生完成相關(guān)操作后能夠融會(huì)貫通，活學(xué)活用。

良好的維護(hù)和保養(yǎng)是儀器正常運(yùn)行和降低損耗的保障。為使儀器分析實(shí)驗(yàn)課程在今后的教學(xué)和科研中體現(xiàn)其使用價(jià)值，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中將儀器設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)工作作為授課重要內(nèi)容之一，讓學(xué)生學(xué)習(xí)儀器維護(hù)保養(yǎng)的知識(shí)，培養(yǎng)良好的儀器使用習(xí)慣，增加其解決問題的能力。

3.4 科研實(shí)踐促進(jìn)教學(xué)

新工科背景下的新型人才應(yīng)是具有較強(qiáng)動(dòng)手能力和自主創(chuàng)新意的應(yīng)用型人才。為更好的調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升教學(xué)質(zhì)量，我們積極開展儀器相關(guān)的科學(xué)研究，并將自己的科研成果適時(shí)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中。同時(shí)，我們還通過指導(dǎo)學(xué)生參加培育計(jì)劃或是直接讓學(xué)生參加老師的科研實(shí)踐等形式，讓學(xué)生參加科研項(xiàng)目，利用分析儀器從事科學(xué)研究工作，從而增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)和從事科研工作的信心。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中遇到的問題的改革和探索，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，使大多數(shù)學(xué)生由被動(dòng)式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)式學(xué)習(xí)，獲得了較好的教學(xué)效果。新型工科應(yīng)用人才應(yīng)是綜合能力較強(qiáng)的人才，也是能夠順應(yīng)時(shí)代潮流的人才，只有在教學(xué)過程中不斷創(chuàng)新，探索更好教學(xué)模式，不斷改善教學(xué)質(zhì)量，才能培養(yǎng)出符合社會(huì)實(shí)際需要的新人才。

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作者簡(jiǎn)介：王儒珍（1987-），女，貴州石阡人，碩士研究生，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事儀器分析。

*為通訊作者