以學(xué)生為中心的儀器分析課程教學(xué)探索與研究
——以色譜導(dǎo)論為例

趙潔妤，石碧清，全玉蓮，裴培，鄭艷芬

河北環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境工程系，河北 秦皇島 066102

環(huán)境質(zhì)量惡化使人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量關(guān)注度日益增加，儀器分析對(duì)于環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，高效、高靈敏度的現(xiàn)代化檢測(cè)方法是環(huán)境監(jiān)測(cè)的必由之路。但目前高校儀器分析課程教學(xué)普遍存在以下三個(gè)方面的問(wèn)題：一是教材內(nèi)容滯后；二是學(xué)時(shí)有限，所學(xué)內(nèi)容有限；三是教學(xué)內(nèi)容抽象[1-4]。長(zhǎng)期以來(lái)這三個(gè)問(wèn)題不同程度上困擾著各大高校儀器分析課程的教學(xué)。另外由于實(shí)驗(yàn)條件限制，目前主要的教學(xué)活動(dòng)基本上還是以傳授知識(shí)為主體，沿襲中學(xué)應(yīng)試教育的知識(shí)傳輸與接受模式，以學(xué)分和考試成績(jī)作為學(xué)生學(xué)習(xí)的主要?jiǎng)恿Γ虼撕茈y改變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)、死記硬背的現(xiàn)狀，這些都使得學(xué)生對(duì)儀器分析課程學(xué)習(xí)興趣不足，更看不到此課程在理論與應(yīng)用上的重要性[5-8]。

本論文以科學(xué)發(fā)展史和科研成果豐富課堂教學(xué)內(nèi)容[9-11]，對(duì)儀器分析色譜章節(jié)進(jìn)行趣味化設(shè)計(jì)，借助翻轉(zhuǎn)課堂[12]手段進(jìn)一步提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及自主學(xué)習(xí)能力，設(shè)計(jì)多維評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)有效反饋教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)程度，呈現(xiàn)儀器分析課程的教學(xué)探索與研究成果。

1 教學(xué)探索研究

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

以色譜導(dǎo)論為例，簡(jiǎn)單介紹以學(xué)生為中心的儀器分析教學(xué)探索與研究成果?？傮w設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1，從三個(gè)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別是趣味提問(wèn)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)和有效評(píng)價(jià)，通過(guò)三個(gè)部分的師生互動(dòng)、交流總結(jié)及測(cè)試，及時(shí)高效地反饋教學(xué)效果，最后結(jié)合綜合考核量化教學(xué)成果。

圖1 趣味性融合教學(xué)課堂設(shè)計(jì)構(gòu)架

1.2 趣味情景設(shè)計(jì)

對(duì)于色譜理論章節(jié)，結(jié)合課程教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，通過(guò)結(jié)合歷史背景提問(wèn)的方式激活課堂，通過(guò)一些常識(shí)反差和趣味講解，提起學(xué)生興趣，循序漸進(jìn)、層層遞進(jìn)與課程內(nèi)容銜接。問(wèn)題設(shè)計(jì)如下(圖2)：

圖2 問(wèn)題設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中相關(guān)的PPT展示

(1) 中國(guó)古代的太上老君與牛頓有何共同愛(ài)好？

(2) 同一科研想法，為何在東方和西方文明背景下導(dǎo)致截然不同的科研方向？

(3) 世界大戰(zhàn)如何催生色譜家族？

(4) 色譜界的東邪西毒是誰(shuí)？

第一個(gè)問(wèn)題將看似毫不相關(guān)的兩個(gè)人聯(lián)系在一起，很好地提升了學(xué)生的興趣，講解二者共同愛(ài)好為“煉丹術(shù)”，那為何東方的煉丹術(shù)發(fā)展成為毒死皇帝的巫術(shù)，而西方的煉丹術(shù)發(fā)展為現(xiàn)代分離技術(shù)，進(jìn)而發(fā)展為色譜法。課堂在闡述二者共同愛(ài)好的基礎(chǔ)上引出色譜法的誕生。第二個(gè)問(wèn)題進(jìn)一步追問(wèn)產(chǎn)生這兩者截然不同結(jié)果的原因，使學(xué)生深入思考東西方文明對(duì)人類思維和歷史走向產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。第三個(gè)問(wèn)題將色譜分類與其發(fā)展的歷史背景聯(lián)系起來(lái)，在世界大戰(zhàn)背景下各國(guó)的軍事競(jìng)賽催生色譜發(fā)展，讓學(xué)生在一個(gè)宏觀歷史脈絡(luò)下了解色譜法的前世今生。大背景明晰之后，將視野聚焦在色譜，將色譜比喻成武林，將分類比喻成武林中各大門派，將廣泛使用的氣相與液相色譜比喻為色譜“武林界”的東邪西毒。這樣使學(xué)生一下就清楚分類細(xì)節(jié)和常規(guī)使用儀器的名稱。

以問(wèn)題導(dǎo)向的個(gè)體學(xué)習(xí)、小組討論、課堂展示等多種形式，對(duì)課堂上講授的知識(shí)進(jìn)行深化和拓展，通過(guò)問(wèn)題設(shè)計(jì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，將色譜法的定義、分類、機(jī)理和使用范圍進(jìn)行講解，有利于學(xué)生迅速掌握核心知識(shí)點(diǎn)。

1.3 翻轉(zhuǎn)課堂

傳統(tǒng)的儀器分析教學(xué)過(guò)程，色譜知識(shí)點(diǎn)很難內(nèi)化，學(xué)生自主能力弱，學(xué)生對(duì)儀器分析課程課堂效果普遍反映沉悶無(wú)趣。我們通過(guò)理論課程講解之后，布置6個(gè)擴(kuò)展主題的學(xué)習(xí)任務(wù)，通過(guò)分組討論、小組匯報(bào)和教師點(diǎn)評(píng)等環(huán)節(jié)開展課堂翻轉(zhuǎn)，極大提升了學(xué)生的參與度、融入感和主體性。具體做法如下：學(xué)習(xí)任務(wù)中的6個(gè)選題分別是：1) 色譜理論發(fā)展史；2) 與色譜有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者；3) 與質(zhì)譜有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者；4) 我國(guó)科學(xué)家在色譜發(fā)展中的貢獻(xiàn)；5) 百年色譜發(fā)展史給我們的啟發(fā)[13]；6) 舉例在環(huán)境檢測(cè)與生物醫(yī)藥中哪些物質(zhì)的檢測(cè)利用了色譜方法(所使用的儀器屬于哪類？機(jī)理是什么？與之前學(xué)習(xí)的光譜法有何區(qū)別？)。

六個(gè)選題設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)，由淺入深激發(fā)學(xué)生探究問(wèn)題的學(xué)習(xí)興趣，課堂氣氛迅速激活，理論知識(shí)不枯燥，與課程思政、歷史發(fā)展和趣味比喻有機(jī)融合。知識(shí)理論背后涌動(dòng)的是歷史發(fā)展下的科學(xué)工匠精神，讓學(xué)生愛(ài)上愛(ài)學(xué)，同時(shí)構(gòu)建色譜知識(shí)體系。前四個(gè)選題意在利用線上課堂拓展學(xué)生專業(yè)知識(shí)，后二個(gè)問(wèn)題是在前四個(gè)問(wèn)題基礎(chǔ)上有所提升，需要進(jìn)一步對(duì)色譜發(fā)展總體認(rèn)識(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)，在自主學(xué)習(xí)過(guò)程中結(jié)合課上理論知識(shí)進(jìn)行拓展再學(xué)習(xí)。通過(guò)百年色譜發(fā)展史的簡(jiǎn)短回顧，不僅再一次深刻認(rèn)識(shí)色譜分類與機(jī)理，而且通過(guò)百年歷史中科學(xué)精神的傳承，將思政教育升華到自身啟迪，落實(shí)到學(xué)生平時(shí)的行動(dòng)中。最后一個(gè)選題是在色譜導(dǎo)論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的綜合分析與應(yīng)用，進(jìn)一步深化核心知識(shí)點(diǎn)。

在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)這6個(gè)選題，以課下小組討論的形式對(duì)擴(kuò)展內(nèi)容進(jìn)行交流和分享，要求每人寫一篇觀后感文章發(fā)送到學(xué)習(xí)通上，以學(xué)生互評(píng)的方式給予評(píng)價(jià)，最后學(xué)生將討論內(nèi)容以講故事的形式，用PPT或視頻等方式展示在課堂中，要求一人負(fù)責(zé)制作，一人負(fù)責(zé)演講，一人負(fù)責(zé)回答問(wèn)題。充分調(diào)動(dòng)每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。如圖3展示，很多同學(xué)在介紹我國(guó)科學(xué)家貢獻(xiàn)的同時(shí)，都提到了徐光憲院士，他是“稀土界袁隆平”，研發(fā)稀土回流串級(jí)萃取，打破國(guó)際壟斷。他終結(jié)中國(guó)出口稀土“賤賣命運(yùn)”，推動(dòng)稀土走向合理競(jìng)爭(zhēng)。這些科學(xué)家的介紹燃起同學(xué)們的愛(ài)國(guó)熱情。通過(guò)學(xué)生自己親自講解我國(guó)老一輩科學(xué)家的工匠精神，使思政教育更自然有親和力，同時(shí)也更接地氣。最后由教師進(jìn)行總結(jié)歸納。通過(guò)線上線下的多元化學(xué)習(xí)模式，學(xué)生不僅對(duì)核心知識(shí)點(diǎn)理解更深入，而且在小組討論和演講過(guò)程中，充分發(fā)揮了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究的熱情。

圖3 翻轉(zhuǎn)課堂課堂照片展示

1.4 多維有效評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)

(1) 有效及時(shí)反饋。

我們采用學(xué)習(xí)通的測(cè)試環(huán)節(jié)，題型多為客觀題，通過(guò)課前、課中和課后測(cè)試，有效快速了解學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的掌握情況，并及時(shí)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，更有針對(duì)性地講解難點(diǎn)重點(diǎn)，并對(duì)學(xué)生掌握的知識(shí)盲區(qū)進(jìn)行隨時(shí)補(bǔ)充和強(qiáng)化。

(2) 學(xué)生成為有效評(píng)測(cè)的主體。

儀器分析是一門交叉學(xué)科，知識(shí)點(diǎn)繁多，識(shí)記理解難。學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)了后面忘了前面的現(xiàn)象，而且知識(shí)點(diǎn)之間不能建立聯(lián)系。我們采用學(xué)生作為有效測(cè)評(píng)主體的方式，即讓學(xué)生出測(cè)試題提交到學(xué)習(xí)通，然后利用學(xué)習(xí)通的隨機(jī)批閱，讓學(xué)生交換測(cè)試題作答，互對(duì)答案，并給出測(cè)試成績(jī)作為平時(shí)作業(yè)成績(jī)的依據(jù)，占比50%；教師根據(jù)學(xué)生出題質(zhì)量、知識(shí)點(diǎn)覆蓋度、題目設(shè)計(jì)邏輯性和嚴(yán)密性以及答案是否完善合理等進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)價(jià)，占比50%。這種測(cè)評(píng)方式很多學(xué)生反映出題比做題難度大，做題只需要針對(duì)題目進(jìn)行作答，而出題就需要通盤考慮，不僅要考慮知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，還要巧妙設(shè)計(jì)題目和答案，這樣會(huì)讓學(xué)生在出題過(guò)程中對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行更深入的思考。

(3) 開展“活學(xué)活用”測(cè)評(píng)。

在環(huán)境領(lǐng)域中很多測(cè)定指標(biāo)的國(guó)標(biāo)分析方法是基于光譜分析方法，但隨著我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)的發(fā)展，基于光譜分析的常規(guī)分析方法已經(jīng)無(wú)法滿足日益增加的監(jiān)測(cè)需求，急需針對(duì)全組分有機(jī)污染物的本體及其前體物和代謝物的全方位監(jiān)測(cè)，能夠詮釋污染物來(lái)源、成因及致毒機(jī)理。這就意味著對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的精度要求越來(lái)越高，必然會(huì)向色譜及色譜質(zhì)譜聯(lián)用方法傾斜。基于此，我們采用“活學(xué)活用”評(píng)測(cè)方式，針對(duì)現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)的國(guó)標(biāo)分析方法，讓學(xué)生通過(guò)查文獻(xiàn)的方式檢索色譜替代法，并闡述色譜法與原有方法的區(qū)別及各自優(yōu)缺點(diǎn)。學(xué)生在查閱文獻(xiàn)自主閱讀的過(guò)程中，不僅對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法有一個(gè)整體了解，更重要的是通過(guò)與原有方法對(duì)比，梳理所學(xué)光譜法與色譜法，更深入理解色譜分離機(jī)理以及不同的分析方法在解決具體問(wèn)題時(shí)具有的優(yōu)勢(shì)和局限性，深切體會(huì)儀器分析不斷發(fā)展創(chuàng)新的新技術(shù)、新方法和新思路，初步感悟前沿文獻(xiàn)中的創(chuàng)新性思維，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

最后通過(guò)上述三個(gè)方面學(xué)生的表現(xiàn)和課前、課中及課后測(cè)試，掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力，調(diào)整考核內(nèi)容并進(jìn)行綜合考核量化教學(xué)效果。

(4) 教學(xué)效果反饋。

以2019-2020學(xué)年和2020-2021學(xué)年第二學(xué)期的儀器分析課程進(jìn)行對(duì)比，教授對(duì)象為河北環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)系18級(jí)和19級(jí)本科生，學(xué)時(shí)均為56學(xué)時(shí)，2020-2021學(xué)年第二學(xué)期進(jìn)行以學(xué)生作為有效評(píng)測(cè)主體的教學(xué)方法。由圖4可知，經(jīng)過(guò)這樣的題型設(shè)計(jì)，2020-2021學(xué)年第二學(xué)期使用新的教學(xué)方法進(jìn)行儀器分析色譜導(dǎo)論課程測(cè)試，其成績(jī)明顯高于2019-2020學(xué)年第二學(xué)期的儀器分析課程，優(yōu)秀率由63%上升到72%，不及格率由7.9降至為0%。

圖4 2020年和2021年儀器分析中色譜導(dǎo)論測(cè)試成績(jī)對(duì)比圖

以2019-2020學(xué)年18級(jí)授課班級(jí)為對(duì)照組，2020-2021學(xué)年19級(jí)授課班級(jí)為實(shí)驗(yàn)組，兩組的學(xué)生人數(shù)均為30人。無(wú)機(jī)及分析化學(xué)作為儀器分析的前期基礎(chǔ)課程。表1是對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的教學(xué)效果評(píng)價(jià)對(duì)比[14-16]。通過(guò)對(duì)比說(shuō)明兩個(gè)組在無(wú)機(jī)及分析化學(xué)考試成績(jī)無(wú)顯著差異，故可說(shuō)明兩個(gè)班的學(xué)生在儀器分析課程的前期課程是處于同一水平的。兩組考試題型一樣，并且表2中兩組的難度系數(shù)和區(qū)分系數(shù)基本一致，這些說(shuō)明試卷難易程度適中，區(qū)分度一致，而實(shí)驗(yàn)組的儀器分析課程經(jīng)過(guò)趣味設(shè)計(jì)、翻轉(zhuǎn)課堂和綜合評(píng)價(jià)等多種教學(xué)方法的應(yīng)用，與對(duì)照組的考試成績(jī)有顯著差異，優(yōu)秀率有顯著提高，優(yōu)秀人數(shù)由2人提高到11人。這些結(jié)果表明經(jīng)過(guò)為期一年的以學(xué)生為中心的儀器分析教學(xué)方法取得了一定的成效。

表1 2020年和2021年儀器分析教學(xué)效果評(píng)價(jià)

表2 2020年和2021年儀器分析期末考試成績(jī)對(duì)比圖

2 結(jié)語(yǔ)

儀器分析是環(huán)境監(jiān)測(cè)的眼睛，是后續(xù)環(huán)境分析與評(píng)價(jià)的基石，在環(huán)境類專業(yè)中占有非常重要的地位。但由于儀器分析課程自身知識(shí)體系的復(fù)雜性、理論抽象性、涉及學(xué)科的交叉性，都使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以內(nèi)化，不能靈活應(yīng)用?；诖耍瑢?duì)儀器分析色譜章節(jié)進(jìn)行趣味化設(shè)計(jì)和擴(kuò)展，以趣味提問(wèn)講解、翻轉(zhuǎn)課堂，以及利用多元、及時(shí)、有效的多種評(píng)價(jià)手段，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高他們提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生愛(ài)上愛(ài)學(xué)，使儀器分析課程變得有趣有味。本文介紹的以學(xué)生為中心的色譜理論教學(xué)改革已經(jīng)開展1年多，雖然通過(guò)教學(xué)效果和學(xué)習(xí)成績(jī)來(lái)看取得了一定成效，但教學(xué)改革過(guò)程是漫長(zhǎng)而修遠(yuǎn)的，我們?nèi)詫⑴ο蚯?，將教學(xué)改革成效擴(kuò)展到每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)一步提升儀器分析課程的課堂教學(xué)效果。