结合科研改进非化学专业学生原子吸收实验教学方法

冯雪松, 吴卫兵

(1. 武汉大学 测试中心, 湖北 武汉 430072； 2. 武汉大学 实验室与设备管理处, 湖北 武汉 430072)



结合科研改进非化学专业学生原子吸收实验教学方法

冯雪松1, 吴卫兵2

(1. 武汉大学 测试中心, 湖北 武汉 430072； 2. 武汉大学 实验室与设备管理处, 湖北 武汉 430072)

比较了在仪器分析教学中,化学专业学生和非化学专业学生教学的不同点,以原子吸收教学为例,提出和科研课题相结合的教学培训方法,以用为主,培训学生自主独立上机,围绕这个目的,通过沟通、查阅资料、设计实验、样品前处理、上机操作、数据处理等方面的内容,培养学生的创新性和独立性。开放实验室、灵活安排教学时间,提高学生的科研能力。

结合科研； 原子吸收； 实验教学

仪器分析是解决生命、化学及相关学科科研问题的重要手段,仪器分析课程能系统地培训学生的实验技能,并掌握仪器的基本知识、使用方法,了解不同仪器与自己所从事的专业方向的相关性,可以有针对性并准确地为其研究方向提供基础数据支持[1-2]。该课的开设,可以培养创新及复合型人才,做到一专多能[3-4]。仪器分析中的一个分支“原子吸收光谱法”(atomic absorption spectroscopy,AAS),是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法,是一种测量特定气态原子对光辐射吸收的方法。此法是上世纪50年代中期出现并在以后逐渐发展起来的一种新型的仪器分析方法,它在地质、冶金、机械、化工、农业、食品、轻工、生物医药、环境保护、材料科学等各个领域有广泛的应用。该法主要适用于样品中微量、痕量甚至超痕量组分分析。目前,大部分高校仪器分析课程都开设有原子吸收光谱分析课程,并配套实验教学[5]。

近年,武汉大学在理工科各领域取得了引人注目的快速发展,完成了一大批与世界前沿接轨的科研成果,获得包括“863”“973”、国家自然科学基金重大项目等千余项国家级项目的资助。这些项目涉及的领域极其广泛,越来越多的课题组需要使用原子吸收光谱分析这样的手段对自己的研究课题进行表征,使用到原子吸收光谱仪的院系涉及化学学院、生命科学学院、物理学院、水利水电学院、土建学院、动力与机械学院、资环学院、药学院、医学院等,这些院系大部分没有开设仪器分析课程,学生对原子吸收光谱仪基本没有接触过,但他们又有很多课题需要使用原子吸收光谱仪。针对以上需求,武汉大学测试中心原子吸收室每年都针对全校相关院系开放实验室,并对用户进行实验技能教学和培训,使之能独立上机操作并达到良好的效果。

1 非化学专业与化学专业实验教学的区别

在化学专业本科生的仪器分析教学中,主要着眼于理论教学[6],重点让学生掌握的是仪器的基本原理、应用方向及仪器的基本操作方法,实验课往往课时少、内容枯燥。通常采取的是教师讲解演示、设计好实验方案、配制好实验用溶液、学生提问并上机操作的方式。在原子吸收的教学中,在通过几次理论课的学习后,会安排3～4次实验实践课,主要熟悉仪器的原理、结构、应用范围,并选择几个典型基础实验,教会学生如何选择实验条件、如何操作仪器、如何进行数据处理得到需要的结果。由于大型仪器比较贵重,高校不可能购置很多台来供学生实验使用,每一个学生的上机时间非常有限,并且现行的实验内容和生活及科研实际结合的不够紧密,使得大部分学生兴趣不足,机械完成实验过程,实验效果不理想[7-8]。

武汉大学践行“人才培养为本,本科教育是根”的办学理念,试点本硕博贯通式培养,因此很多本科生提前进入科研团队,跟随导师进行科学研究,这就形成了许多非化学专业的本科生需要学习并使用大型仪器的局面,而这部分学生分析化学等方面的知识储备相对薄弱[9],对他们的实验教学不能仅仅局限在了解仪器的基本原理及应用领域,他们需要的是能够凭借仪器分析来解决科研中的实际问题,即“专”而不是“泛”。这就要求培养学生的实验技能,以用为主,能自主独立上机,也就是以实验室教学为主、课堂传授为辅,并能有效结合科研课题进行仪器分析实验。

2 结合科研课题,培养学生兴趣

兴趣是最好的老师,只有学生对实验产生了兴趣,才会积极主动参与到实验教学活动中。带着自己科研任务来学习原子吸收的相关知识,学生会有很高的参与感和责任感,因为实验和自己的研究要解决的问题息息相关,并且要为自己的课题提供基础数据,学生学起来不会敷衍了事。指导教师通过和学生讨论他们的科研课题,了解其实验内容及要得到的结果,可以有针对性地制订其专属的教学方案。本次实验教学选取的是生命科学学院跟随导师进行水稻遗传学研究的10名本科生。

2.1 实验前期充分准备

由于生命科学学院没有专门的仪器分析课程,学生对原子吸收毫无了解,指导教师根据课题组实际情况,首先制订出科学合理的实验教学方案,并根据方案给学生一周的时间查阅文献、撰写文献小结,使学生初步了解原子吸收取样、制样、分析方法的建立、实验条件的选择、实验步骤、数据处理、趋势分析等方方面面的问题,这一过程可以很好地提高学生学习新知识的能力和分析问题的能力。由于学生来自生命科学学院,掌握分析化学知识的程度较弱,需要专门拿出一节课的时间培训学生化学实验的基本技能,包括实验室安全、玻璃仪器的识别和使用规则、小型仪器的操作方法、各种试剂使用的注意事项等,使其能够掌握化学实验的基本技能。学生掌握了化学实验的一般技能后,再拿出一节课的时间讲解仪器的基本原理、仪器结构、软件的使用、分析方法的建立以及如何处理数据,以PPT演示为主、操作仪器为辅,学生课后可以根据课件进一步学习,使学生可以基本掌握仪器的操作方法，夯实了学生进入真正实验的基本功。

2.2 学生自主设计实验方案

在经过一系列前期准备后进入真正的实验阶段。学生的科研课题与水稻相关,需要测定糙米中铅、镉、锌、铁的含量,并且要跟踪测定2季水稻,同时比较不同地区种植的水稻中金属元素含量的差别及与土壤环境的相关性。学生在查阅文献阶段互通有无,遇到问题积极讨论,和指导教师及时沟通,充分发挥了他们的主观能动性,学会了思考、讨论、评估及有效交流。为了改变传统的由教师提供实验方案、学生机械照做,难以达到提高学生实际动手能力的不足,本次实验教学采取学生自主设计实验方案的方式,因此,学生需要详尽考虑实验所需要的试剂、关键条件、影响实验准确性的因素、实验步骤等。经过上述过程,可以很好地培养学生独立思考、分析解决问题的能力,为以后的科研工作打下良好的基础。

2.3 采取分组的形式培养团队合作精神

通过前期查阅资料,学生已经了解到要上机测定稻米中微量元素的含量,必须对样品进行前处理。前处理的方法包括常规电热板消解法和微波消解法。常规电热板消解法成熟简易,但微波消解技术是近年发展起来的样品的前处理方法,几乎可以消解任何样品,具有快速、样品不易损失的特点,是一种高效便捷的样品处理方法[10]。因此把10名学生分为4组,每组2～3名学生,2组采用常规消解法,另2组采用微波消解法,以便于比较2种前处理方法的优劣,从而确定最优方案。组员之间有分工有合作,组与组之间对于各自遇到的问题和难点及时沟通、相互学习、商讨解决,提高了团队合作的精神,大大提高了实验效率。

在整个过程中,学生始终是主体,由他们主导实验的整个过程,教师随时了解出现的问题,及时给予纠正,提出合理化建议,保证实验的顺利进行。样品处理完成后,在教师的引导下,由学生自主编辑分析程序、优化各个元素的测定条件,如火焰原子吸收法的燃气和助燃气流量、燃烧头高度和进样量(由于本中心的原子吸收光谱仪为德国耶拿公司生产的高灵敏度连续光源原子吸收光谱仪,无需选择光谱带宽和灯电流的大小)以及石墨炉原子吸收法的灰化温度、原子化温度、基体改进剂的使用等。鼓励学生探讨原子吸收光谱消除干扰的方法,使学生对原子吸收光谱分析法中的化学干扰、物理干扰、电离干扰、光谱干扰、基体干扰有充分的认识,并能提出解决方案,提高了理论水平并解决了科研中的实际问题。

2.4 引入比对教学,验证方法的准确性

为了验证实验方法的准确性,采取了以下几种比对实验方法:与稻米标准品对照、回收率实验、平行样品的测定、同一预处理方法小组间实验结果的比对、不同预处理方法实验结果的比对、和等离子体发射光谱的比对(铁、锌的测定),结果证明2种预处理方法实验结果无显著差异,实验取得了良好的效果,获得的数据准确可靠。但微波消解对于大量样品的前处理有快速、准确、试剂消耗量小的明显优势,在有条件的实验室可以推广使用。在扣除空白后,对大量数据用统计学方法进行处理,总结出数据的趋势,对比2季样品的检测结果,得到的趋势基本相同。另外,科学采样对后续实验的影响也不容忽视。以上结论,在学生的实验报告中均有体现。

3 开放实验室,增加创新性、设计性实验

培养具有创新精神和独立能力的学生,是高等学校教育的首要任务。我校测试中心为了能培养出具有开拓创新精神、能独立思考、能充分利用分析仪器为科学研究提供强有力支撑的复合型人才,在全校范围内开展仪器分析高层次人才的教学培训,实行开放性实验室管理[11]。对于原子吸收实验室来说,培训的学生涉及很多院系和研究方向,比如资源与环境学院主要研究方向有固体废物处理、土壤修复,土木与建筑工程学院研究方向有工程项目对土壤环境的影响,基础医学部的病理研究等。总之,涉及的领域众多,需要根据不同的研究方向制订有针对性的教学培训方案,切实改进和加强该课程的实验教学。

4 充分利用信息化平台,提高教学效率

虽然研究方向不尽相同,但是在原子吸收光谱分析法的学习中有共通性,因此,通过互联网使各个院系的学生建立联系(比如建立微信群)[12],学生彼此可以讨论遇到的问题,分享自己的实验心得,共同进步。原子吸收室实行开放管理,学生预约自主上机,教师为了能够充分利用实验设备,对不同的学生交叉安排时间,使实验室和仪器得到了科学高效利用,对于能熟练设计实验、上机操作、取得满意结果的学生，经考核合格发放上机证。取得上机证极大地促进了学生的积极性,并在以后就业时增加了拥有技能的筹码。

5 教学培训效果评价

在本次非化学专业学生原子吸收光谱法教学中,通过几个方面来考察实验培训效果:实验前文献的查阅及实验设计的合理性；实验过程中的主动性、创新性、科学性和实验结果的准确性；实验后数据处理的正确性及合理性。结果是所有学生均能积极主动参与实验并相互讨论,认真把控每一个实验步骤。由于进行了比对教学,使参与的学生在实验中都极为认真严谨,锻炼了他们从设计实验方案、实施实验到数据处理的能力,培养了学生的创新意识和实验严谨的能力,为科研提供了科学的数据和良好的技术支撑。

References)

[1] 蔡向忠,王秀红,李银生.改革仪器分析实验教学 培养学生创新能力[J].实验室研究与探索,2014,33(11):168-171.

[2] 刘应凡,赵建波,孙雨安,等.本科仪器分析案例教学实践与探索[J].化工时刊,2015,30(3):46-47.

[3] 刘静,尚永辉,刘建波,等.提高仪器分析实验教学质量,培养创新型人才[J].实验科学与技术,2010,8(3):79-82.

[4] 王勇,宋万年.改进综合性、设计性实验考核办法 提高学生实验能力[J].实验技术与管理,2006,23(4):105-107.

[5] 陶杨.原子吸收光谱实验教学改革[J].广东化工,2015(12):223.

[6] 王健英,唐莹,李俊松.“原子吸收”实验教学的探讨与研究[J].实验科学与技术,2012,10(5):120-122.

[7] 黄忠臣,韩芳,王丽华.原子吸收实验教学的改革[J].实验室研究与探索,2010,29(8):125-126,156.

[8] 陈洁,谭军,曾延波,等.浅谈原子吸收实验项目教学改革与实践[J].山东化工,2012,41(8):98-99.

[9] 石星波,高文丽,王燕,等.浅谈食品类专业《仪器分析》课程教学改革[J].广州化工,2016,44(9):169-170,220.

[10] 冯雪松,赵宇.火焰原子吸收法测定4,4′-二羟基二苯甲酮中痕量元素的几种前处理方法比较研究[J].分析科学学报,2016,32(1):107-111.

[11] 赵海英,赫亮.建立科学管理制度,提高设备利用效益[J].实验技术与管理,2009,26(6):155-156.

[12] 杜志强,李宁,封子先,等.培养创新型人才的综合化学实验教学模式探索与实践[J]. 大学化学,2006(9):16-17.

Combining scientific research to improve experimental teaching method of atomic absorption for students in non-chemical majors

Feng Xuesong1, Wu Weibing2

(1. Analysis and Testing Center, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. Laboratory and Equipment Management Department, Wuhan University, Wuhan 430072,China)

Comparing the differences in Instruments Analysis Teaching between chemical major courses and non-chemical major courses on the teaching cases of Atomic Absorption Spectroscopy, this article presents the teaching method combined with the scientific research topic. Based on practice, this method aims to train the students’ individual working ability and establishes students’ creativity and independency via communication, research, experimental design, sample pretreatment, computer operation, data processing, etc. This method also aims to set free access to laboratory, make flexible arrangements of teaching timetable and improve students’ ability of scientific research.

combining scientific research; atomic absorption; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.055

实验课程改革

2016-07-15 修改日期：2016-07-25

冯雪松(1968—)，女(壮族),广西南宁,硕士,实验师,主要从事仪器分析及实验室管理工作.

E-mail：xsfeng@whu.edu.cn

G642.423

B

1002-4956(2016)11-0213-03