改革仪器分析实验教学 培养学生创新能力

蔡向忠， 王秀红， 李银生

(上海交通大学 农业与生物学院， 上海 210101)

0 引 言

仪器分析是分析化学学科第二次重大变革过程中发展起来的新分析方法，其内容繁多，各种高灵敏度、高选择性、自动化、智能化、信息化和微型化的分析仪器及相关的新技术、新方法不断涌现[1-2]。仪器分析课程是解决生命、化学及相关学科许多科研问题的重要手段，是生命科学相关学科的重要课程，能使学生受到系统的实验技能训练，掌握仪器的基本知识、方法和技巧。同时也培养学生理论联系实际和动手能力,尤其是与科学技术发展相适应的综合创新能力的培养至关重要。

近年来，国家的“211”、“985”建设一批重点大学，上海交通大学农业与生物学院也得到雄厚的资金支持，相继购置了一批大型精密仪器，建立了学院仪器平台，旨在推动实验教学，培养学生的创新能力，以促进学院的教学、科研水平有跨跃式、长足的发展。仪器平台开设了仪器分析实验这门课程。课程目标定位于：通过仪器实验教学，使学生熟练掌握各种大型仪器操作的基本技能；同时突出其在化学、生物、环境领域的应用，拓宽学生的知识面，激发学生对仪器分析课程的兴趣，提高学生运用综合知识能力和创新能力。作者经过多年从事仪器分析实验教学,从改革课程教学内容、方法和手段、实验形式等方面着手，探讨了有关仪器实验教学改革途径。

1 仪器分析实验教学体系的特点与现状分析

仪器分析实验开设得比较晚，实验依赖价格昂贵的大型仪器。仪器分析方法已发展至数十种，各种方法之间没有明显联系，知识点较散。因此, 仪器分析属难度较大的一门课程。仪器分析课程的理论性、实用性很强, 发展速度很快, 各种仪器不断地更新换代, 内容纷繁复杂, 涉及相关学科较多。① 仪器分析实验教学最突出的特点是存在着“三多三少”的矛盾即班级实验次数多、每组实验学生多、验证性实验多，而配套教学仪器设备少、独立操作机会少、设计性和创新性实验少。实验教师往往在有限学时中采用灌输式教学，缺乏师生之间的互动，影响学生的学习主动性的培养，也不利于学生切实掌握实验技能和方法。② 学生的课前预习很不充分.由于仪器分析实验涉及大型精密仪器，而同学们只能从课本上获得一些理论上的理解，缺乏直观直觉的认知，所以对仪器的结构、操作方法等只能似是而非、茫然一片。③ 侧重仪器的操作技能，忽视实验前的样品预处理。对于采用不同的样品和不同的实验目的以及不同的仪器分析方法，都有其各自相应的预处理方法，所获得的结果也各不相同。但因实验时间偏紧，教师往往忽略学生样品预处理方式的技能培养，而选择一些简单的处理过的试样直接分析，影响了教学质量[3-6]。

2 仪器分析实验教学改革措施

仪器分析教学改革以学生为中心和学习主体，方便学生学、交互性强、适当降低理论难度，实施课程的综合化，突出与实际、实践的联系和实用性, 以基本操作技能和综合创新能力培养相结合，本着以学生为主体，着重能力培养。

2.1 精选实验内容，合理安排实验教学内容

因为不同院校所使用的分析仪器设备类型、规格型号、生产厂家等不尽相同，高等院校的仪器分析实验没有统一的教材，给教师指导和学生预习带来不便，直接影响实验效果。而且仪器分析方法的更新速度很快，基于这种现象有必要根据各自的要求自行编排实验讲义，才能做到实验中所列出的设备与实际情况吻合。并随着新设备、新方法的引进，在教材中不断更新。因此，应抓住各种分析方法的共性、个性和相互关系，适当调整教学内容的顺序，简化学习内容。教师通过图文、知识窗资料, 借鉴国内外相关资料, 如引入岛津或PE仪器公司的仪器教学方法, 尽量达到直观形象、通俗易懂、趣味性和启发性[7-9]。

2.2 灵活运用各种教学方法和手段，提高教学效果

(1) 认真做好课前准备工作，加强实验课的预习。单独安排20 min，主要讲解实验安排、实验内容、实验数据的采集和处理及实验室的规章制度。同时播放现代分析仪器教学录像片，使学生对分析仪器有一定的了解。另外，在上实验课前，要交一份实验预习报告。通过预习报告可以让学生知道每次做实验的方法、标准溶液的配置、仪器工作条件的选择和仪器测定。同时学生也提出一些实验方面的问题，老师在上实验课时给以解答[7]。

(2) 实验教学和多媒体教学的结合。在讲授仪器分析的每一种方法时, 多媒体课件上都会显示出该仪器的全貌和结构图，使学生在做实验时能充分的认识仪器性能。由于仪器分析教学内容涉及许多数据、图谱和仪器结构，制作投影胶片在上课时运用，可大大缩减讲课时间，提高讲课效率，学生能充分利用直观感觉和思维去分析比较，通过分析数据，从中找出规律，通过图谱的峰形，了解吸收曲线的特征以及特征吸收峰的峰位、峰形、峰强度等[7,10-11]。

(3) 在实验课程中穿插对比教学。对比教学可以增加学生对一些相似概念、相似方法的认识，加深对实验原理的理解。如在光谱分析实验中，比较原子吸收光谱仪与电感耦合等离子体发射光谱仪的结构、特点的异同，比较空心阴极灯和高强度空心阴极灯的不同、火焰原子化和石磨炉原子化的不同、仪器工作条件选择和测量对象的不同，比较不同预处理方法的优缺点等。经过比对，使学生对于不同的仪器结构特征差别以及原因有了进一步认识，同时也加深了对仪器工作原理的理解[1,12]。

(4) 增添实验中的条件实验。培养学生实验中的观察能力和思维习惯。每种仪器都有不同的操作参数。更改这些参数对测定方法的灵敏度甚至方法的准确度都会产生一定的影响。所以增添不同参数下的实验，有利于帮助学生巩固对这一参数的认知。如在原子吸收光谱实验中灯电流、燃烧器高度、燃助比、狭缝大小、进样量等。通过更改这些参数可直接观察测定结果情况的变化，加深了学生对基础知识的记忆和原理的理解。并要求学生仔细观察、勤于思考、认真记录，真正做到培养学生的实验技能以及分析问题、解决问题的能力，提高学生以点带面、举一反三、触类旁通等综合实验素质[5]。

2.3 改革实验教学形式，加强实验教学管理

(1) 强调综合性和设计性，突出创新性。突出科学的思维方法与研究方法、培养创新精神与能力。以基础训练实验、综合实验和设计实验三个层次实施实验教学。改变了传统的大面积陈旧的验证型实验，增加综合型、设计型实验比例。引导学生根据实验室现有的仪器设备提出了设计型实验内容，如化妆品中铅的测定，中草药提取液有效成分的测定，生化样品中砷和汞的测定和蔬菜中铁、铜的测定等等。学生可按自己的兴趣选择实验课题查阅有关文献，设计出完整的实验方案，其中包括采集样品、样品处理、仪器设备、实验报告。这一过程使学生的创新能力和科研能力有所提高，开阔了学生视野[7,9,13-14]。

(2) 开放实验室和实验教学过程。一方面可以弥补实验课时的不足，另一方面也有利于设计性与创新性实验的开展。实验室的开放可与大学生科研创新实验结合起来，提高学生对科研的热情，充分利用实验室现有资源，巩固仪器分析实验教学内容。学生以实验小组为单位进行实验设计与操作。首先利用业余时间查找文献资料，然后提出实验设计方案，进行实验设计答辩，答辩会上，每个小组派一名同学介绍设计方案的背景、实验目的、方法和预期结果，由教师和同学进行提问，同学们踊跃发言，并对自身方案进行修改和完善，确保实验的可行性；答辩会结束后，利用一个星期的时间进行实验准备，然后付诸实施；同学们认真操作、善于思考，努力解决实验中遇到的每一个难题；在此期间完成了多种优秀的实验设计方案，而且取得了和预期相一致的实验结果；最后写出实验小结，对实验结果进行讨论、写出自己对自主设计实验课的感想，并针对本课程这种教学方式提出意见和建议。在此过程中，学生查资料、想办法，其创新思维和个性潜能得到了尽情发挥[7-9]。

(3) 抓好实验操作的规范性。基本操作的正确与否，是否规范化，是完成实验教学的前提条件。在每一次实验过程中，对一些仪器操作和实验步骤进行讲解和示范，指出各种操作过程中的注意事项。实验操作的规范性包括实验操作和仪器操作规范、处理实验数据和撰写实验报告规范。首先强调实验操作规范，严格要求按着分析化学实验操作规范配置溶液，玻璃仪器的使用等等；其次仪器操作规范，严格按着仪器说明书和实验教材操作。在做火焰原子吸收光谱分析时，要求开启电源后，先开启空气压缩机开关和循环水开关，开启乙炔瓶，打开仪器的空气开关，再打开乙炔开关；关闭仪器时，先关闭乙炔开关，再关闭空气开关等，中途停电时，要及时关闭乙炔开关和电源开关，防止回火发生。同时还要求做完实验后要用蒸馏水清洗燃烧器头，再关闭乙炔开关，以减小记忆效应等[1]。

(4) 着重实验教学与动手能力的培养。尽量安排与专业性质有关的实际样品的测定。要求测定前，学生要处理所做的样品，每组学生配置相应的标准系列。对标准曲线相关系数达不到的要求，测定数据不准确，必须要求学生重新配制，直至合格为止。在实验教学中讲述有关标准溶液的配置和操作技能。例如，在石磨炉原子吸收法测定生化样品中的铅和镉时，要求学生掌握实验配制溶液用二次亚沸蒸馏水，加基体改进剂，要做空白，使用优级纯硝酸，标准系列和样品溶液的酸度一致，测定结果才准确。这样可以看出每组学生的实际动手能力和操作水平，也增加了实验兴趣。通过讲解和实际操作，激发了学生做实验的积极性，经常有学生带着实际问题问老师[15-17]。

3 改革仪器实验教学的考核评价方法

制订新的实验操作考核体系，改变以往实验考核成绩按平时成绩记分的办法，以多种形式对教学总体效果进行综合考核评价，改革与完善学生实验考核方法和考评标准。现以实验多个环节制订考核标准，根据实验报告、实验操作技能、自行独立设计实验能力等多方面情况综合考核，重点考核动手能力、综合分析问题的能力和创新能力。即实验平时成绩综合25%，对全部实验过程、结果等进行考核，也对实验操作过程的规范性和课堂提问进行了考核；实验基本技能考核40%，综合性设计实验25%，实验课程论文和实验报告10%[1,2,17-19]。

4 结 语

精选仪器分析实验内容是上好实验课的先决条件，采用科学合理的方法和手段组织安排仪器分析实验教学是顺利完成实验课的关键环节，改革实验教学形式，增设设计型实验和开放实验室可以为学生提供个性发展、独立思考、科学创新以及提高综合实验技能的平台。仪器分析实验改革的尝试，不仅能够培养学生的动手能力，更重要地是能培养学生的创新能力和科学素养。只有在教学实践中不断总结经验、积极创新、调动学生学习的主动性和积极性、提高实验教学质量，才能达到教学改革的目的。实践证明，仪器实验教学的自主性强，创造空间大，有助于培养学生的创新意识。以培养和提高学生的创造性、激发学生的潜能、发展和完善学生的个性为核心，以主动参与、协同合作、自主发展为特征，以查阅文献、实验探索、讨论答辩等实践活动为途径，以理论知识和综合实验技能为基础，通过科学管理机制，最终达到培养学生创新意识、创新精神和创新能力的目的[4]。

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