學(xué)生自主設(shè)計(jì)儀器分析實(shí)驗(yàn)的思考

種瑞峰，常志顯，馮彩霞，張 凌,李德亮

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004)

儀器分析是基于物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)建立起來(lái)的一種分析方法。通過(guò)儀器分析實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生對(duì)分析方法理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)、理解、掌握和應(yīng)用，關(guān)系到學(xué)生實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。儀器分析實(shí)驗(yàn)是高等教育化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)課程，具有學(xué)科交叉、知識(shí)點(diǎn)繁多和實(shí)用性較強(qiáng)等特點(diǎn)，是化學(xué)、生物、化工、材料、環(huán)境、醫(yī)藥、食品等科學(xué)研究和工業(yè)控制的一雙明亮的“眼睛”。與其他基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)不同，儀器分析實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生利用各種大型精密儀器，通過(guò)測(cè)量物質(zhì)的物理化學(xué)參數(shù)及變化規(guī)律，來(lái)獲取物質(zhì)的化學(xué)組成、含量和結(jié)構(gòu)信息[1]。然而，目前儀器分析實(shí)驗(yàn)仍存在諸多不足，如硬件設(shè)施不足、實(shí)驗(yàn)課時(shí)少、教學(xué)內(nèi)容陳舊、綜合性和創(chuàng)新性差、師資隊(duì)伍薄弱等問(wèn)題[2]，導(dǎo)致對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量偏低，不能滿足未來(lái)科技發(fā)展的能力需求。為此，本文以“學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”為突破口，對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)進(jìn)行探索，以期提升儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

1 學(xué)生自主設(shè)計(jì)儀器分析實(shí)驗(yàn)的必要性

隨著高等院校擴(kuò)招，高等教育資源的投入不足，特別是由此引發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足的狀況更為明顯。雖然近幾年實(shí)驗(yàn)資源有所改善，但學(xué)生實(shí)驗(yàn)技術(shù)綜合訓(xùn)練不足和動(dòng)手能力差等問(wèn)題也日益浮現(xiàn)出來(lái)，而且已經(jīng)影響到他們畢業(yè)后的就業(yè)和深造[3]。同時(shí)，隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)“講授-驗(yàn)證”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、固定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、“照方抓藥”的實(shí)驗(yàn)流程，大部分學(xué)生忽視對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)程的全面掌握，導(dǎo)致儀器操作水平較差，學(xué)生既沒(méi)有思考空間也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的機(jī)會(huì)。另外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也多依附于理論教學(xué)，內(nèi)容陳舊、脫離實(shí)際，學(xué)生難以產(chǎn)生興趣，影響了學(xué)生創(chuàng)新思維和綜合能力的培養(yǎng)。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法相比具有更靈活的特點(diǎn)，更能鍛煉學(xué)生查閱資料能力、獨(dú)立思考能力、實(shí)驗(yàn)操作能力、協(xié)調(diào)公關(guān)能力、發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題能力等，從而使學(xué)生產(chǎn)生更濃厚的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解和認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提升。

2 自主設(shè)計(jì)型教學(xué)模式的構(gòu)建

自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是根據(jù)講解知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，啟發(fā)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，從實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)到實(shí)施，最后分析處理結(jié)果都由學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[4]。它是以學(xué)生為主體，注重學(xué)生的創(chuàng)造性、靈活性和實(shí)踐性的培養(yǎng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、獨(dú)立思考能力和綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。因此，探索以學(xué)生為主體、以能力培養(yǎng)為中心的自主設(shè)計(jì)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，需要在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考核等方面進(jìn)行實(shí)踐探索。

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革

傳統(tǒng)的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容大多是圍繞理論課教材，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較陳舊，且大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，只注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論知識(shí)的銜接，內(nèi)容和儀器設(shè)備更新緩慢，與實(shí)際科學(xué)的進(jìn)步不同步，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課很難產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。為此，要打破傳統(tǒng)理論課和實(shí)驗(yàn)課教材的束縛，根據(jù)儀器分析實(shí)驗(yàn)的課程教學(xué)目標(biāo)和儀器發(fā)展現(xiàn)狀，有針對(duì)性地開(kāi)展學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)應(yīng)主要圍繞自主性、專業(yè)性、綜合性和挑戰(zhàn)性四個(gè)特點(diǎn)開(kāi)展。

自主性：既然是自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，那么實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容就應(yīng)充分體現(xiàn)出“自主設(shè)計(jì)”這一主線。要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的和實(shí)驗(yàn)室工作條件，自主設(shè)定實(shí)驗(yàn)題目和實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求在實(shí)驗(yàn)室條件下能夠正常完成。實(shí)驗(yàn)方案要求包括樣品的制備、預(yù)處理、檢測(cè)和表征、結(jié)果與討論、三廢處理等。

專業(yè)性：儀器分析實(shí)驗(yàn)是大部分理工科專業(yè)的必修課程。自主性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)展在內(nèi)容上要充分結(jié)合學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)，只有這樣才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以適應(yīng)未來(lái)職業(yè)崗位要求的需要。

綜合性：儀器分析實(shí)驗(yàn)一般在第三、四學(xué)期開(kāi)設(shè)，此時(shí)學(xué)生的初步化學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能已經(jīng)具備。因此，自主性實(shí)驗(yàn)一定要有一定的綜合性，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每一步都體現(xiàn)學(xué)生參與的重要性，這樣才能真正地調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，提高學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究的綜合素質(zhì)。

挑戰(zhàn)性：根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，以學(xué)生掌握的基本化學(xué)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用、教師科研、專業(yè)前沿和熱點(diǎn)，將設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容適當(dāng)高于所學(xué)知識(shí)和技能，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行探究，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，能夠培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題、探索創(chuàng)新和自主進(jìn)行研究型學(xué)習(xí)的能力。

2.2 教學(xué)方法的改革

傳統(tǒng)的教學(xué)方法，一般是由實(shí)驗(yàn)教師在課時(shí)的前15-20分鐘，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的原理、操作步驟、注意事項(xiàng)及計(jì)算公式等用多媒體或者板書(shū)對(duì)學(xué)生進(jìn)行講解，然后學(xué)生以實(shí)驗(yàn)老師講解為主線，以教材和預(yù)習(xí)報(bào)告為基礎(chǔ)，照方抓藥完成實(shí)驗(yàn)操作，這樣嚴(yán)重束縛了學(xué)生思維和創(chuàng)造性。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位和主觀能動(dòng)性，老師只進(jìn)行啟發(fā)和引導(dǎo)，督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)不僅給與了學(xué)生充分的自主思考空間，而且通過(guò)選擇題目、交流討論、分工完成實(shí)驗(yàn)步驟、課下探討和研究，營(yíng)造出寬松、自由、活潑的教學(xué)方法，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，獨(dú)立獲取信息、運(yùn)用知識(shí)、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，同時(shí)還能促進(jìn)學(xué)生理論與實(shí)踐結(jié)合、興趣與專業(yè)相結(jié)合、學(xué)習(xí)知識(shí)與科學(xué)研究相結(jié)合能力的培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師是整個(gè)過(guò)程的組織者、指導(dǎo)者、激勵(lì)者、協(xié)調(diào)者、評(píng)價(jià)者。由于題目是學(xué)生自己選的，因此在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生都會(huì)充滿了興趣和激情。當(dāng)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)挫折和失敗時(shí)，多不會(huì)輕易放棄，一定會(huì)通過(guò)各種途徑尋求辦法來(lái)解決，甚至不惜犧牲休息時(shí)間和假期。當(dāng)實(shí)驗(yàn)成功后，他們會(huì)覺(jué)得這是自己的成果，充滿自豪和成就感。

2.3 實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考核

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課考核一般是考勤、預(yù)習(xí)報(bào)告、操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、注意事項(xiàng)幾個(gè)部分，實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考核重點(diǎn)多放在實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)上。而自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要是重過(guò)程和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的一種實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，關(guān)鍵是發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的智慧，重點(diǎn)是思路、過(guò)程及其解決問(wèn)題的方案。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不是考核的目的。因此，不能按傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)菢幼寣W(xué)生按照指導(dǎo)老師給定的實(shí)驗(yàn)操作程序做一遍實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出一個(gè)分?jǐn)?shù)，這樣就失去了自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的意義。所以自主設(shè)計(jì)式教學(xué)模式下，實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核應(yīng)在以往內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加文獻(xiàn)調(diào)研與分析、方案設(shè)計(jì)、多元化討論等的環(huán)節(jié)，且增大其權(quán)重。也就是說(shuō)實(shí)驗(yàn)考核重點(diǎn)要從選題意義和難度、ppt匯報(bào)、方案設(shè)計(jì)的優(yōu)劣、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中解決問(wèn)題的態(tài)度和能力、儀器操作技能、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及意義等多個(gè)方面去考量。還要根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)題目選擇的難易程度，設(shè)定不同的分?jǐn)?shù)系數(shù)。

3 自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常見(jiàn)問(wèn)題及對(duì)策

實(shí)施學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的目的，是激發(fā)學(xué)生的探索精神，開(kāi)拓學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和職業(yè)素養(yǎng)，拓展其研究思路和科學(xué)思維能力，提高其解決問(wèn)題和創(chuàng)新能力，提升儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。因此，在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要讓學(xué)生享有充分的自主權(quán)[5]。但在實(shí)施過(guò)程中，也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。

興趣選題難度不易控制及對(duì)策。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是以培學(xué)生的科研素養(yǎng)、科研興趣為基本原則。如果能夠通過(guò)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓廣大學(xué)生樂(lè)于進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐和科學(xué)研究，則符合我們當(dāng)前的國(guó)家政策——全民創(chuàng)新的主題。科學(xué)的選題有助于學(xué)生以良好的心態(tài)去完成，實(shí)驗(yàn)最大范圍增加學(xué)生可能接觸的知識(shí)量。但是在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)初期，由于以往啟發(fā)式教育的滲透不足，研究型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行太少，沒(méi)有更深的引導(dǎo)學(xué)生去思考，所以不少學(xué)生找不到實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的切入點(diǎn)，天馬行空地去構(gòu)思，容易造成學(xué)生耗時(shí)費(fèi)工，甚至出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象。因此，應(yīng)加強(qiáng)老師分類(lèi)指導(dǎo)作用，題目的選擇要結(jié)合學(xué)生專業(yè)和興趣做到階梯性難度，從易到難。對(duì)敏銳好學(xué)愿意接受挑戰(zhàn)的學(xué)生，要鼓勵(lì)、支持，適當(dāng)增加任務(wù)量及難度；對(duì)興趣不在本學(xué)科或者其他原因的學(xué)生，適當(dāng)減少任務(wù)量，保證學(xué)習(xí)興趣及基本知識(shí)的掌握[6]。要指導(dǎo)學(xué)生把相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深度融合，多讓教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流。

實(shí)驗(yàn)技術(shù)及儀器存在的問(wèn)題及對(duì)策。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，學(xué)生對(duì)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)往往表現(xiàn)出較高的熱情，多選創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)初期，不能在教學(xué)安排的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，卻自愿利用休息時(shí)間來(lái)完成。但隨著后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，也有部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)技術(shù)欠佳，導(dǎo)致學(xué)生熱情度下降，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單處理，選擇簡(jiǎn)單的技術(shù)和操作敷衍完成實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室的許多儀器處于閑置狀態(tài)，不能充分發(fā)揮自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)有的重要作用。針對(duì)這種現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)學(xué)生加強(qiáng)指導(dǎo)，向?qū)W生講解實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并推薦參考書(shū)、《儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》軟件及相關(guān)操作視頻。對(duì)于一些在學(xué)生設(shè)計(jì)方案中經(jīng)常出現(xiàn)而實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有的儀器也要適時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充。同時(shí)對(duì)于一些大型儀器，學(xué)校通常多用于研究，不對(duì)本科生開(kāi)放，指導(dǎo)老師要與學(xué)校、學(xué)院及儀器負(fù)責(zé)人溝通，讓他們支持本科生的教學(xué)需求。同時(shí)把相關(guān)的教材、資料和視頻放到實(shí)驗(yàn)中心的網(wǎng)站上，讓學(xué)生熟悉儀器的原理和功能、操作流程、注意事項(xiàng)、數(shù)據(jù)分析，以便于學(xué)生隨時(shí)查閱。

操作時(shí)間安排存在的問(wèn)題及對(duì)策。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一般用時(shí)較長(zhǎng)，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程具有未知性和復(fù)雜性，安排的操作時(shí)間內(nèi)未必能得到預(yù)定結(jié)果，大多需要安排2-4次的操作時(shí)間。所以，首先適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)時(shí)數(shù)。第二，適當(dāng)減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。第三，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要與本學(xué)期的學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)或者其他志愿者活動(dòng)相結(jié)合，來(lái)彌補(bǔ)操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題。

藥品的累積及對(duì)策。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不同的是，組間選擇題目的差異性，長(zhǎng)此以往會(huì)使藥品越積越多甚至過(guò)期浪費(fèi)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題應(yīng)引導(dǎo)下屆學(xué)生選題時(shí)盡可能在原有實(shí)驗(yàn)題目的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)或者創(chuàng)新，增加實(shí)驗(yàn)的延續(xù)性。增加學(xué)生的責(zé)任感和小組間樣品共用，減少藥品的閑置浪費(fèi)。

教師的工作量及對(duì)策。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件、方法選擇、操作步驟及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果等多存在一定的未知性，這種探究性的教學(xué)方式往往打亂了學(xué)校的學(xué)時(shí)安排和實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間，需要指導(dǎo)教師和實(shí)驗(yàn)室管理人員投入更多的時(shí)間和精力，充分做好實(shí)驗(yàn)前的規(guī)劃和準(zhǔn)備工作，同時(shí)還得對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題有一定的預(yù)測(cè)性及合理解決方案，這樣勢(shì)必增加指導(dǎo)教師和實(shí)驗(yàn)室管理教師的工作量。為此，應(yīng)積極宣傳自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在學(xué)生教學(xué)中的重要意義和作用，引導(dǎo)學(xué)校、學(xué)院在學(xué)生培養(yǎng)方案修訂中，適當(dāng)增加自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)數(shù)。其次，教師要充分利用通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，設(shè)立指導(dǎo)教師、實(shí)驗(yàn)室管理者、儀器負(fù)責(zé)人、相關(guān)教務(wù)人員組成的微信圈，利用微信視頻和視頻會(huì)議等形式，盡可能減少不必要的重復(fù)性工作。另外，志愿者行動(dòng)是在我國(guó)深化改革以倡導(dǎo)和推進(jìn)愛(ài)心助人、奉獻(xiàn)社會(huì)為宗旨，繼承中華民族互幫互助的優(yōu)良傳統(tǒng)，推進(jìn)精神文明建設(shè)的新舉措。可以通過(guò)一定形式將教師課外工作量與志愿者活動(dòng)相結(jié)合，增強(qiáng)教師的榮譽(yù)感和奉獻(xiàn)精神，提高教師參與自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性。

4 結(jié)束語(yǔ)

自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的宗旨是鞏固基礎(chǔ)、激發(fā)興趣、訓(xùn)練思維、自主設(shè)計(jì)、研究創(chuàng)新、提升素質(zhì)。將自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)引入到儀器分析實(shí)驗(yàn)課程中，是順應(yīng)新時(shí)代人才培養(yǎng)的發(fā)展要求，是對(duì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索和完善，是夯實(shí)其專業(yè)基礎(chǔ)、增強(qiáng)其專業(yè)素質(zhì)、培養(yǎng)其學(xué)習(xí)興趣和提高其創(chuàng)新思維及獨(dú)立解決問(wèn)題等方面的綜合能力[7]的重要措施。在今后的實(shí)踐中，將進(jìn)一步完善改革措施，勇于探索，及時(shí)解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題，為提高教學(xué)質(zhì)量盡一份教師的微薄之力，為社會(huì)培養(yǎng)出更多的優(yōu)秀人才。