林业高等院校研究生“仪器分析”课程教学创新探索

金幼菊 吕兆林 徐 芳 邓文红

（北京林业大学分析测试中心,北京 100083）

林业高等院校研究生“仪器分析”课程教学创新探索

金幼菊 吕兆林 徐 芳 邓文红

（北京林业大学分析测试中心,北京 100083）

随着分析仪器的飞速发展和广泛应用,“仪器分析”课程已成为林业高等院校众多学科研究生的必选课程。该文介绍了“仪器分析”课程教学创新探索的具体做法,提出课程体系建设既要切合专业需求和本单位的实际,又要跟踪前沿技术;教学方法应深入浅出、图文并茂,把握基本原理、适用范围、实验技术和谱图解析等关键;实验内容应及时更新,增加验证型实验的比例;以考试成绩+平时成绩+应用综述的组合成绩全面评定研究生利用仪器分析方法解决实际问题的能力。

林业院校;研究生;仪器分析;教学创新

近年来,随着我国经济和科学技术的飞速发展,分析仪器呈“爆炸式”发展之势,由此引发了相关领域的巨大变革。一方面,大型精密仪器分析方法的研发速度加快,技术的成熟和数据的可靠性得到普遍认可;缺少大型精密仪器检测数据的论文已很难被SCI期刊接受;许多检测项目的国际标准也要求用新型大型精密仪器来完成。另一方面,经济实力的提升使全国科研院所和检测部门的仪器拥有量急剧增加;国家“211”工程和“985”项目对高等教育的支持力度大大增加,使重点高校有条件购进大型分析仪器设备来开展教学和科研工作。快速发展的形势急需强有力的人才支撑,培养一大批能用仪器分析手段解决科研问题的复合型人才已迫在眉睫。

为了适应我国经济建设日益增长对高级复合型林业人才的需求,借鉴日本等发达国家的经验[1],我国林业高等院校正在形成林学、生物学、林业工程学、环境科学、材料学、食品科学等多学科交叉并有机结合的现代林业学科群,林业教学科研的水平得到了进一步提高[2]。目前,借助各种现代化的仪器设备,传统的森林培育和保护领域的研究工作已经开展到微观的化学生态、分子生物学领域;环境科学、材料科学、食品科学等新兴学科的研究成果更加离不开各类分析仪器的支撑。

自1982年对研究生开设“仪器分析”课程以来,笔者不断对授课和实验的内容与方法进行改革,取得了一定成效。近年来,选课人数由开始的10多人、20世纪90年代的几十人激增到超过100人,一方面说明林业科研对“仪器分析”的需求之大;另一方面也给该课程的开设增加了很多困难。面对新形势,对整个课程体系从内容到形式进行创新改革已势在必行。

一、“仪器分析“课程的特点与难点

（一）多学科交叉,更新换代快,学难教也难

“仪器分析”是一门集化学、物理学、物理化学、数学、电子学、机械学、计算机科学与技术,甚至网络通讯技术等多学科最新科技成果于一体的现代实验技术课程。大型仪器应用的学科领域很宽,可用于解决森林、环境、地球和生命科学等各领域科研中的分析测试问题。例如,复杂物质的分离与提取,物质成分和结构分析以及微量、超微量物质分析等化学问题。该课程涉及知识面宽;仪器种类多,更新换代速度快;不同类别分析方法（如色谱、质谱、光谱）之间从原理、方法到结果的表现形式都完全不同。对于非理化专业的学生来说,要完全理解原理和记住操作规范有一定的难度,历来“仪器分析”课程被学生认为是一门特别有用、但又特别难学的课程。此课程对主讲教师的知识面要求更宽,很难有哪一位老师能精通所有的仪器。再者,导师对其研究生选修“仪器分析”的要求也各不相同,这也给主讲教师在组织教材内容上带来困难。

（二）教材滞后,不利于自学

目前已出版的仪器分析教材种类虽不少,但内容相对滞后,很难找到介绍最新仪器分析方法原理的教材;而且大部分教材都是针对综合型大学（或化工、医药类院校）的本科教学,很难找到适合农林院校研究生自学的教材。

（三）仪器少、学生多,安排实验课表难

“仪器分析”是实验课,学校安排该课为64学时,其中32学时为动手实验的学时。由于大型仪器一般价格昂贵,维修费用高,同类型的设备数量少,目前选修“分析仪器”课的人数已经超过100人,导致实验小组人数达到6～10人,显然不利于研究生动手能力的培养。

二、“仪器分析”课程改革与探索

（一）突出专业特色,优化课程体系

研究生的“仪器分析”课有别于本科教学,特别是在林业高等院校中,它与专业的结合更紧密。教材既要有一定的深度和前沿内容,又要结合不同学生的专业特点,深入浅出地介绍实际案例,既要有一定的系统性,又要突出重点,体现实用性。

鉴于一般农林院校的学生在本科阶段的分析化学中已经学习过电化学的内容,笔者将研究生课程内容定位在公共性强的光谱学（含原子吸收、原子发射、原子荧光等原子光谱和紫外、红外、分子荧光等分子光谱）、色谱学（气相、液相色谱）、质谱学（有机质谱）和波谱学（核磁共振波谱）上。为了避开每年5-10月的植物生长季,特将光谱学部分（简称“仪器分析I”）与色谱、质谱、波谱学部分（简称“仪器分析II”）拆开,分2个学期由两位主讲教师分别授课。这样,虽然对课程的系统性有些影响,但适应了林业院校研究生外业多的特点,也可使不同专业的研究生根据各自的科研需要灵活选课。

以“仪器分析II”为例,该部分由3类完全不同的仪器组成。其中,色谱仪比较普及,要求学生能独立上机,需要熟悉实验技术和仪器方法设置;而质谱、波谱属于大型仪器,一般单位有专人负责仪器的日常维护管理,重点要求学生学会识别谱图,并熟悉样品前处理方法。因此,在教材内容上,除了介绍仪器原理和特点以外,色谱法部分以掌握实验技术为主,质谱波谱法部分则以解析谱图为主。由于国内林业院校一般尚未开设“谱图解析”课,而近年来气质联用仪已被普遍使用,因此非常需要在研究生“仪器分析”课程中安排谱图解析的内容。将来有条件时,应独立开设有机四大谱的谱图解析课程,以利于提高研究生的谱图综合解析能力。

近年来,各校根据科研的需要引进了高档的大型精密仪器。例如,笔者所在学校购入了先进的三重四极质谱（GC-QQQ）和全二维质谱（GC×GCTOF）,增加了气相色谱（GC）和高效液相色谱（HPLC）仪器的数量,并为GC配备了吹扫捕集进样装置,HPLC增加了蒸发光散射检测器,还购置了超临界萃取装置。为了在不增加课时的情况下让学生尽快掌握前沿技术,笔者在课程中补充了吹扫捕集/热脱附、超临界萃取、多维色谱、液-质联用、串联质谱13C-NMR谱和二维NMR谱等内容,同时适当删减了一些已过时的内容（如色谱峰面积计算等）,使质谱波谱/色谱的课时比有所增加,实验学时数也增加到32（见表1）。改革后的课程内容接近国际前沿,受到研究生的欢迎,对拓宽他们的科研思路,提高学位论文质量有很大的帮助。

表1 “仪器分析II”改革前后的比较

（二）抓住关键内容,突破教学难点,改进教学方法

针对“仪器分析”多学科交叉、知识点散、发展快、实验性强的特点,引导学生抓住基本原理、适用范围、实验技术和谱图解析4个关键点,去学习、比较、实践,掌握各类仪器分析方法。重点在于搞清楚该仪器为何可以用于分析,适合于哪些领域的分析,定性定量分析的依据是什么,其实验方法和实验技术如何,对样品制备有何特殊要求,测试结果代表什么含义,所得结果是否可用。

目前社会上的浮躁心态对学生有普遍影响。有些学生基础较差,希望教师“原理少讲点,教会操作就行了”,如果教师顺应了学生的这一要求,恰恰是害了学生。因为,同一类型仪器的原理一般不会改变,而技术上的更新则是经常发生的。如果只会操作、不懂原理,就无法达到举一反三的目的,不利于学生适应毕业后的工作环境。

农林院校的学生与理工科院校学生的学习重点有所差别,一些年龄较大的往届生化学基础知识往往淡忘,听课比较吃力。因此,教师在课堂教学中更要做到讲解深入浅出、教案图文并茂,避免繁琐的数学推导。在讲解仪器结构原理的过程中,除采用自制教学课件以外,笔者还借助公司提供的动画片,形象地演示仪器的工作过程（如离子阱）,对于学生理解其复杂的原理很有帮助。

在教学过程中,主讲教师特别注意对研究生在学习方法和学习能力上的培养和引导。首先,注意在每一章结束时及时总结,比较异同点,让学生在比较中加深理解,抓住本质,逐渐做到举一反三。比如,色谱法是一种分离方法,分离度R表征其综合性能指标;液相色谱与气相色谱同属色谱法,其根本的差别在于流动相不同,由此推断二者在实验方法上的主要区别在于：液相色谱法主要通过调节流动相来改善R,而气相色谱法主要通过改变固定相（更换色谱柱）来改善R。其次,注意通过实例引导学生梳理所学知识,把看似松散的知识串接起来,便于理解和记忆,这就是读书“从厚到薄”的过程;然后,由学生自己把学过的知识和自己的实践经验填充进去,并在工作中不断充实,把书读得“由薄到厚”。第三,引导学生在学习过程中逐步构建科学的思维模式,把看似复杂无序的问题先拆解成若干简单有序的问题,分别研究其规律,然后再逐步逼近真实,在综合的过程中往往会有新的发现（色谱“塔板理论”的建立就是最好的实例）。培养学生把复杂问题简单化的能力,不仅解决了“仪器分析”难学的问题,而且还会使研究生在今后的工作中受益匪浅。

（三）重视实验环节,提高实验质量

仪器分析是一门实验科学,必须让学生有充分的动手机会,在实践中增加感性认识。这样,有利于学生领会基本原理、了解应用范围、掌握实验技术、学会数据处理,养成良好的实验习惯,为今后开展研究工作打下坚实的基础。

为了解决选课人数多、仪器少、时间紧的矛盾,我们采取了在开课期间全天候开放实验室的做法。由研究生根据自己的时间自主组合实验小组（每组控制人数）,并同时开设GC和LC实验,最大限度地缓解了矛盾。为了减轻实验指导教师的负担,还聘请了一位研究生助教协助工作。

实验方面主要的改革措施是：

①增加了实验学时数,让学生接触到了比较前沿的三重四极质谱。

②在色谱实验中增加了设计型实验的比例,着力培养学生独立设计和完成实验的能力。

③结合林业科研需求开发新实验。例如,用热脱附-GC/MS法测定近自然状态下的植物挥发物[3],该方法的应用面已拓展到森林保护、园林植物、森林培育、环境科学、食品科学等学科领域。我们在教改中将此方法作为新开出的实验,很受学生的欢迎;

④提高大型仪器演示实验的档次。原有的GC/MS只用到单级质谱,现在拓展到演示三重四极质谱（有待拓展到全二维GC×GC-TOF）;同时保留了5个典型化合物的当场进样分析和谱图解析。学生完成谱图解析习题后,教师根据作业中的问题带领学生当场解析,对巩固提高学生的谱图解析水平十分有益。

目前,仪器数量虽有所增加,但仍然与选课人数不成比例。笔者建议增加国产仪器,专门用于研究生的实验,以解决当前实验小组人数过多的问题。研究生在国产仪器上技术过关后再到进口仪器上精确测定数据,不仅有利于大幅度增加他们的独立动手机会,还将有效降低大型仪器的故障率。

（四）改进考试方法,全面评价学生的学习能力

本课程采用积木式的成绩评定方式（考试成绩占50%;平时成绩占40%;应用综述占10%）全面评价学生的学习能力,引导学生既重视实验操作技能和实验数据分析能力的提高,又重视对谱图的解析和结果评价能力的培养。其好处是既避免了仅凭死记硬背通过考试混学分的倾向,又给部分平时学得不错、遇到考试就紧张的学生以足够的自信。

本课程考试采用开卷方式,题量适度而灵活,重在检验学生的自学能力和理解能力。平时成绩则是作业和实验成绩之和,对于色谱法,以实验成绩（含课堂表现、实验报告、设计方案）为主;对于质谱波谱,则以平时作业为主,引导学生尽快掌握谱图解析的基本规律。

（五）通过撰写应用综述,培养学生的综合能力

针对林业院校选修该课的研究生专业面宽,讲仪器应用时很难举通用例子的特点,把应用专题交给学生来完成。要求学生在广泛查阅资料的基础上独立完成一份关于“所学仪器分析方法在本专业领域的国内外应用现状和前景”的综述。综述的题目从第一节课就发下去,要求学生平时结合科研方向和国内外发展动向积累素材,考试前交出综述报告。对本课为学位课的学生则要求以演示幻灯的形式进行课堂交流。通过撰写综述,既培养了研究生对传统研究方法的创新思维,又锻炼了文献综述能力和口头表达能力,还拓宽了其他专业学生的视野。

通过多年的探索、改革和实践,“仪器分析”课收到了很好的教学效果。学生普遍反映,虽然学时有限,但收获不少。有些学生毕业后还在相关的仪器公司从业,感到很自豪。

“仪器分析”作为现代林业科研的重要手段,已成为重点高等林业院校研究生选修的热门课程。为了适应形势的发展,学校研究生院非常重视“仪器分析”课程体系的创新,通过对教学理念、内容、方法和实验的改革,形成了比较完整、适合高等林业院校实际的课程体系。但是,随着选课人数的不断增加,新的矛盾还会出现。在今后的教学实践中,除了继续改善实验课的硬件环境以外,还将从课程软件建设和培养年轻骨干教师、加强教师团队建设等方面挖掘潜力,不断提高课程的水平,为我国高等林业教育培养出更多的高素质人才而不懈努力。

[1] 刘东兰,郑小贤.日本的高等林业教育改革与森林科学[J].中国林业教育,2010,28（6）：77-78.

[2] 张观礼.中国高等林业教育全面发展[N].中国绿色时报,2009-09-30（8）.

[3] 陈华君,洪蓉,金幼菊,等.近自然状态下活体植株挥发物的采集和热脱附-GC/MS分析[J].分析测试学报,2003,22（增刊）：226-228.

（责任编辑 张仕固）