“現(xiàn)代儀器分析”教學(xué)創(chuàng)新體系在本科教學(xué)中的實踐

司曉晶，馮華峰，韓梅，宮霞

上海商學(xué)院（上海 200235）

“現(xiàn)代儀器分析”是培育新工科背景復(fù)合人才的重點課程，重點講述光譜、色譜、電化學(xué)分析法等多類儀器分析，并包括儀器結(jié)構(gòu)、基本原理、分析方法技能及統(tǒng)計等基礎(chǔ)知識，具有經(jīng)典的多學(xué)科知識交叉及跨學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域融合的特點，而且由于各類先進儀器設(shè)備科學(xué)技術(shù)發(fā)展，使該教材具有鮮明的先進性和發(fā)展，但內(nèi)容仍亟待改進。而在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，該教材中的課堂教學(xué)大多采用簡單的上課講解教學(xué)形式[1]。但由于專業(yè)課內(nèi)容龐雜，且各儀器設(shè)備間聯(lián)絡(luò)不夠密切，所以教師常常需在限定的學(xué)時內(nèi)講授較多教學(xué)內(nèi)容，因而造成學(xué)習(xí)者被動接受知識，學(xué)習(xí)負擔(dān)較重。加之傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)理論知識抽象，而儀器構(gòu)造繁雜，所以學(xué)習(xí)者常常對儀器構(gòu)造及基本原理缺少感性認識，且了解不透徹，理論知識也不易內(nèi)化，因而造成其興趣和能動性不強，而課堂教學(xué)也差強人意。在考核評價工作領(lǐng)域方面，由于傳統(tǒng)的教學(xué)模式一般以課堂教學(xué)作業(yè)檢查和試卷當(dāng)作重點考核手段，專注于結(jié)果性評價而忽略了過程性評價，因而無法全面客觀地反映學(xué)習(xí)者在整體學(xué)業(yè)活動中的狀況[2]。

1 創(chuàng)新教學(xué)體系研究的意義

近年來，教育部要求全國高校深入開展新工科建設(shè)，這是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的工程教育改革方向。這就要求高校要培養(yǎng)符合新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的，工程實踐能力和創(chuàng)新能力強，且具有國際競爭力的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才。但目前的“現(xiàn)代儀器分析”課程中存在一些問題，傳統(tǒng)的教學(xué)方法限制了學(xué)習(xí)者的主體能力，無法充分調(diào)動他們的自主學(xué)習(xí)積極作用與創(chuàng)新能力，難以達到新型工科人才綜合素養(yǎng)和學(xué)術(shù)水平的發(fā)展需要。所以，在新工科背景下，“現(xiàn)代儀器分析”的教學(xué)方法模式對培育多樣化、創(chuàng)新性并具備多專業(yè)學(xué)科交叉知識的應(yīng)用型工程人才有著重要意義。因此，在“現(xiàn)代儀器分析”的教學(xué)中創(chuàng)新教學(xué)體系的實踐，探討在有限的課時內(nèi)對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)評價等進行優(yōu)化，重點培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

2 創(chuàng)新教學(xué)體系的實踐

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，建好SPOC

“現(xiàn)代儀器分析”學(xué)時為30學(xué)時，其中理論15學(xué)時、實踐15學(xué)時。教學(xué)內(nèi)容基本按照2個學(xué)時或4個學(xué)時為一個主題。根據(jù)我國食品安全分析行業(yè)中儀器的應(yīng)用普及情況，結(jié)合本學(xué)科學(xué)生課程體系的設(shè)計，把整個儀器分析課程分為電化學(xué)分析、光學(xué)分析和色譜分析3個模塊，數(shù)據(jù)處理和結(jié)果計算評價貫穿于每個模塊。由于現(xiàn)在食品安全檢測，樣品來源復(fù)雜，類別繁多，有毒有害物質(zhì)含量較低且危害巨大，而每個測試項目又包括多種需檢測組分，所以傳統(tǒng)的物理檢驗和生化檢驗在檢驗類別和準確性上都沒法很好地適應(yīng)如今食品安全衛(wèi)生的要求。同時，越來越多的新技術(shù)涌現(xiàn)發(fā)展起來，如生物芯片檢測技術(shù)、高效毛細管電泳、電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)、同位素質(zhì)譜技術(shù)等，在食品安全檢測方面也有廣泛應(yīng)用，使得儀器分析的快速、靈敏、準確等優(yōu)點更加突出，而各種高新技術(shù)的結(jié)合與儀器聯(lián)用也使儀器分析的應(yīng)用范圍更為廣泛。先進科學(xué)、自動化、智能化的儀器分析方法的建立和應(yīng)用必將在食品安全檢測中發(fā)揮著不可替代的作用。所以，在教學(xué)內(nèi)容上對陳舊落后、難以反映學(xué)科領(lǐng)域最新研究成果和熱點問題的內(nèi)容做出調(diào)整，都講授哪些內(nèi)容，對同一個內(nèi)容應(yīng)該講到多深，都結(jié)合行業(yè)、專業(yè)特點增補哪些相關(guān)教學(xué)內(nèi)容和知識點，都按照儀器類別精心組織，在不同的SPOC中實現(xiàn)這些訴求，以達到教學(xué)目的和任務(wù)。如：在電化學(xué)分析中，增加電化學(xué)生物傳感技術(shù)，結(jié)合納米材料的制備技術(shù)提高電化學(xué)生物傳感的靈敏度和應(yīng)用范圍；在光學(xué)分析中，增加碳量子點熒光納米探針技術(shù)，結(jié)合制備不同組成的碳量子點，提高熒光產(chǎn)率并摸索對該量子點有顯著猝滅作用的待測物質(zhì)，建立方法加以應(yīng)用；在色譜分析中，重點介紹色譜-質(zhì)譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)以處理生產(chǎn)實際中復(fù)雜樣品的同時定性定量多組分分析。

2.2 豐富實驗手段，用好虛擬仿真

“現(xiàn)代儀器分析”實踐課程使用的儀器由于價格昂貴，很多高校的精密儀器大多用于教師的科研和學(xué)生的畢業(yè)論文，這些儀器在教學(xué)中無法同時滿足所有學(xué)生的使用，故采用虛擬仿真技術(shù)彌補該教學(xué)缺陷，但學(xué)生沒有親自動手操作，學(xué)習(xí)效果不夠理想。因此在課程中，通過校園SPOC、慕課平臺、虛擬仿真實驗等線上資源平臺對線下課堂資源加以補充，并將教學(xué)中的課件、試題、教學(xué)錄像等資源直接發(fā)布于學(xué)校線上平臺[3]。同時設(shè)置小軟件，將線上資源推送到學(xué)生移動端，學(xué)生既可通過網(wǎng)絡(luò)課堂觀看教學(xué)視頻，也可以從教學(xué)資源中心下載課堂講義，也可在微信等網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)帖向教師求助學(xué)習(xí)過程中遇到困難，形成線下線上聯(lián)動的教學(xué)模式，學(xué)生通過線上虛擬仿真實驗提前做好預(yù)習(xí)，熟悉實驗的過程和儀器的基本操作，在實驗室鼓勵學(xué)生親自動手操作，課后通過線上虛擬仿真實驗增加儀器操作的熟練度，由此實現(xiàn)學(xué)生和教師課前、課上、課后的良性互動。實驗課程中，針對某一種儀器不僅開發(fā)一種實驗項目，有些實驗項目是線上虛擬仿真，有些在實驗室親自實踐。對于學(xué)校沒有的儀器設(shè)備，可通過虛擬仿真實驗或到合作企業(yè)，由企業(yè)帶教教師教學(xué)，真正做到將現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合。這些知識點通過線下和線上的融合，以及校內(nèi)和校外的合作，更能彰顯知識的先進性、綜合性和跨學(xué)科的互補性，既大幅提高學(xué)校實驗儀器的使用率，也開闊學(xué)生的視野，使學(xué)生更進一步加深對學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)知識點的理解和認知，更有利于學(xué)生解決實際問題技能的形成。

2.3 改進教學(xué)方式，抓好翻轉(zhuǎn)課堂

對于學(xué)生科研意識和創(chuàng)新能力的培育，顯然不是靠填鴨式的灌輸，而應(yīng)該基于課堂教學(xué)，以學(xué)生為主體，開展互動式、開放式、探究性、研究性的多樣教學(xué)模式，以培養(yǎng)他們由簡單問題向復(fù)雜科學(xué)問題遞進的抽象思維意識。課程通過課堂講授、討論、實驗、線上SPOC自學(xué)等，通過問題導(dǎo)向式教學(xué)、項目導(dǎo)向式教學(xué)、結(jié)果導(dǎo)向式教學(xué)、文獻探究式教學(xué)等，不斷探索改進教學(xué)方法，提升課程的高階性和挑戰(zhàn)度[4]。如在熒光分光光度法教學(xué)中，通常教師只會介紹直接測定法，即具有苯環(huán)剛性平面結(jié)構(gòu)的物質(zhì)可發(fā)射熒光，可用熒光分光光度法進行測定，但是，不能發(fā)射熒光的物質(zhì)如果要使用這種分析方法那該怎么測定呢？通過拋出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，發(fā)散思維，向?qū)W生介紹間接測定法，介紹科研新方向——具有高熒光產(chǎn)率的碳量子點和熒光猝滅劑的研究進展，此時學(xué)生的興趣就被調(diào)動起來，鼓勵參與教師課題的學(xué)生在班級進行科研分享，讓學(xué)生做主角，通過課堂的翻轉(zhuǎn)，讓學(xué)生意識到原來自己也是有可能完成科研項目的，繼而引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻，設(shè)計制備方案，查閱文獻查找哪些食品污染物可對該碳量子點有猝滅作用的并通過實驗項目探索實踐，通過翻轉(zhuǎn)課堂進行知識分享和探討，有助于提升學(xué)生的參與度與行動力。讓每個學(xué)生都有機會作為課堂的主角，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，通過對成果的分享與報告，強化他們對學(xué)習(xí)成果的反饋，以確?！胺D(zhuǎn)”后的教學(xué)不流于形式、不走樣，真正收到實效[4]?，F(xiàn)有儀器分析教材中無法提供與科研內(nèi)容的融合，所有這些教學(xué)方式的融合，都有助于學(xué)生在通過掌握某一知識領(lǐng)域的研究進展而學(xué)到新知識的同時，進一步提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，對推動學(xué)生知識目標和能力目標的達成，以及對其科研工作興趣的培養(yǎng)和科學(xué)能力的養(yǎng)成都大有助益。

2.4 開展創(chuàng)新活動，科研成果導(dǎo)向

創(chuàng)新精神是國家經(jīng)濟建設(shè)和行業(yè)發(fā)展的重要動力源泉，所以在教學(xué)中突出培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的能力尤為重要[5]。為切實培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，在開展教學(xué)中，推出開放式、互動式教學(xué)方法，開展創(chuàng)新性、高階性的科研活動，包括吸納學(xué)生做科研小助手，組織學(xué)生組成科研創(chuàng)新小組，或者舉辦實驗技能大賽，申報大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練課題和挑戰(zhàn)杯，自主設(shè)計畢業(yè)課題等有挑戰(zhàn)度的活動。在每一種儀器的基本原理和分析方法學(xué)習(xí)后，組織學(xué)生4人或6人1組成立1個科研團隊，共同查閱文獻，并討論分析這些儀器和方法在食品安全檢測方面的實際應(yīng)用情況，在討論之后，小組自主設(shè)計實驗對提出的假設(shè)進行驗證，最終形成實驗報告。教師對實驗結(jié)果做出評估和過程指導(dǎo)，剖析失敗原因，總結(jié)成功經(jīng)驗。設(shè)計性和綜合性實驗是實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的最有效方式，如：指導(dǎo)的學(xué)生建立褪黑素的電化學(xué)生物傳感方法，成功申報國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目；學(xué)生建立紅景天飲片中紅景天苷的電化學(xué)和高效液相色譜兩種分析方法，并進行有效的方法比較；學(xué)生建立的功能碳量子點并成功應(yīng)用于食品和醫(yī)藥分子檢測，不僅申請專利還發(fā)表論文4篇。通過這些活動的開展，學(xué)生從獨立探索到小組寫作，再到展示和評價，是一個自下而上的學(xué)習(xí)過程，將課堂所學(xué)內(nèi)化為自身綜合實力，有利于學(xué)生的職業(yè)發(fā)展和國家食品安全檢測專門人才的培養(yǎng)，這也是高階性的體現(xiàn)。因此，在“現(xiàn)代儀器分析”課程中培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和加強創(chuàng)新能力，實現(xiàn)“兩性一度”的教學(xué)目標，并為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作積累的科研能力[6]。

2.5 課程思政融入，全程立德樹人

在教學(xué)過程中踐行立德樹人，融合思政教育，以典型食品安全社會事件為引領(lǐng)，培養(yǎng)具備愛國主義情懷、工匠精神、環(huán)境安全意識、社會主義核心價值觀和開拓創(chuàng)新能力的高層次人才[7]。在我國食品工業(yè)快速發(fā)展的同時，食品安全事件時有發(fā)生，引入三聚氰胺、香蘭素等食品安全事件，引導(dǎo)學(xué)生知道三聚氰胺是一種三嗪類含氮雜環(huán)有機化合物，被廣泛用作化工原料，不能用于食品加工或食品添加物；香蘭素雖是國家允許使用的食品添加劑，但嬰幼兒一段奶粉中是絕對不能被檢出的。這些事件讓學(xué)生了解到食品安全監(jiān)督管理在日常生產(chǎn)中的重要意義，有了先進精密的儀器分析手段可以讓非法分子望而生畏，不敢隨意添加有毒有害物質(zhì)。作為一個食品專業(yè)人員，應(yīng)該要有誠信、有道德，早早樹立良好的職業(yè)素養(yǎng)和公民責(zé)任意識，為國家的食品安全事業(yè)貢獻自己的力量。正是有了不斷創(chuàng)新的先進儀器分析手段，食品才會越來越安全，生活才會越來越美好。在實驗課程中，往往一些有機試劑會具有一定毒性，如液相色譜的流動相乙腈、甲醇等試劑，在實驗教學(xué)中不僅培養(yǎng)學(xué)生的科研精神，還可將遵紀守法、愛護環(huán)境、熱愛勞動等思政元素融入課程，起到育人的作用。通過對這些典型案例的深入探討，既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又使其了解科學(xué)前沿，從而激發(fā)學(xué)生的開拓創(chuàng)新精神和堅持不懈的科學(xué)素養(yǎng)，讓課程思政也變成培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、奠定創(chuàng)新能力底蘊、錘煉創(chuàng)新能力品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，以利于創(chuàng)新型人才的成長，同時也在學(xué)生思想中植入學(xué)術(shù)道德的種子。

2.6 改進評價方式，重視學(xué)生互評

為了更好地監(jiān)督課堂效果，改進“現(xiàn)代儀器分析”考核方式，從傳統(tǒng)的單一結(jié)果評價方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑S的過程評價方式。線上豐富的資源和信息化構(gòu)建，貼近現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，教師考核也不再局限于傳統(tǒng)的做題，根據(jù)線上練習(xí)的完成度，系統(tǒng)給予學(xué)生即時評估。通過現(xiàn)代儀器分析技術(shù)發(fā)展的跟蹤追蹤和口頭報告，以及實驗設(shè)計和結(jié)果匯報等，逐步引入學(xué)生之間實時評價，學(xué)生的實時評價和互評是對已學(xué)習(xí)知識的深度思考，同時也對成功匯報展示結(jié)果的具體表現(xiàn)做出評估。在這一環(huán)節(jié)，學(xué)生是評價的主體，教師對出現(xiàn)的問題和教學(xué)過程給予指導(dǎo)和幫助。而學(xué)生成為教學(xué)評價的主體后，能夠自主和主動地從教學(xué)評價中習(xí)得知識、方法和情感，進而使他們的認識能力方面、知識和技能方面、態(tài)度和情感方面都得到提高和成長[8]。通過提高平時的考核頻率，以提高學(xué)生課堂上互動的參與性，并采用統(tǒng)一平臺評價、教師評分及學(xué)生互評，以形成一個多維度的考核評估系統(tǒng)，重視學(xué)生互評，以全面客觀地反映學(xué)生在整個課堂過程中的狀態(tài)。通過這種改革可以鼓勵學(xué)習(xí)積極參與課堂，進而發(fā)揮優(yōu)化課堂的效果，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和信心，減少期末的考試壓力，對于綜合考核評價也起到積極作用。

3 結(jié)語

在新工科背景下，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革面臨著新機遇、新挑戰(zhàn)，以及服務(wù)“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家政策措施引領(lǐng)，我國工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系等必須在高等教育中探索和深化。通過創(chuàng)新的工科教育理念及現(xiàn)代信息技術(shù)促進“現(xiàn)代儀器分析”的教學(xué)改革，總體實現(xiàn)提高教學(xué)效果和培養(yǎng)質(zhì)量的目的，推動食品行業(yè)現(xiàn)代儀器分析人才培養(yǎng)從初階的知識收獲向高階的能力發(fā)展和素質(zhì)養(yǎng)成轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生具有多元化、創(chuàng)新型并具備多學(xué)科交叉知識的應(yīng)用型工程人才。