浅谈卫生化学中高端仪器分析的教学建议

王和兴

（复旦大学公共卫生学院，上海 200032）

浅谈卫生化学中高端仪器分析的教学建议

王和兴

（复旦大学公共卫生学院，上海 200032）

为更好地适应公共卫生分析领域发展要求，有效介绍高端仪器分析成为卫生化学教学中需要思考的问题。从理论和实验教学出发，提出传统教学方法的注意点和当前备受关注的新教学方法，包括对分课堂、翻转课堂和开放实验室，以提高卫生化学中高端仪器分析教学效果。

公共卫生；卫生化学；仪器分析

公共卫生的根本目的是保障和促进人群健康。水、空气、土壤、化妆品、食品等中存在大量对人体有益或有害的化学物质，与人类健康息息相关。确定这些化学物质在水、空气、食品或人体中的存在和含量是研究其对人群健康影响的关键一步。为此，卫生化学学科在公共卫生基础教育中应运而生。它是分析化学与预防医学的交叉学科，以分析化学的基本理论和实验技能为基础，主要研究预防医学领域中与健康相关的化学物质[1]。卫生化学的发展取决于分析化学的进步和预防医学的需要，同时也为预防医学研究提供新技术手段和方法。因此，卫生化学在公共卫生基础教育体系中占有重要地位。

早期的卫生化学教学内容以化学分析为主，涉及大量中学化学知识，学生并不感到陌生，教学相对容易。近年来，随着仪器制造技术的进步和预防医学研究内容的转变，所分析的化学物质，尤其是有机物大量增多，样品基质也越趋复杂，且含量越来越低，分析内容已经由过去以化学分析为主过渡到仪器分析为主，尤其是高端仪器分析[2]。然而，目前关于仪器分析的教学，绝大部分高校仍停留在单纯基本理论介绍层面，学生之前对分析仪器，尤其是高端分析仪器接触较少，加之仪器分析知识点独立、理论较抽象，难以理解；同时实验教学时往往是机少人多，多以示教为主，学生动手机会不多。这些因素共同导致学生课上注意力不集中，学习热情不高，难以培养其独立思考和创新能力[3]。为更好地适应公共卫生分析领域发展要求，培养合格的公共卫生人才，有效介绍高端仪器分析的基本理论、构造和使用成为高校卫生化学教学中需要思考的问题。为此，本文浅谈高校卫生化学教学中高端仪器分析的理论和实验教学建议，以期提高教学效果。

1 理论教学

公共卫生领域涉及的分析内容主要是各种环境或食品介质和生物样本中的化学物质，可分为无机元素和有机物。无机元素分析涉及的高端仪器分析包括原子吸收分光光度法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法和电感耦合等离子体串联质谱技术等，而有机物涉及的高端仪器分析包括气相色谱法、液相色谱法、气相色谱串联质谱技术和液相色谱串联质谱技术等。下面以气相色谱分析为例，介绍3种常见的理论教学方法。

1.1 讲授法

讲授法是用教师“讲”、学生“听”来传递信息的传统教学方法，其特点是时效快、通用性强、传递信息量大，但该教学方法是单向的知识传输，强调教师的作用，忽视教学过程中学生的参与[4]。为保证教学效果，教师课前要求学生预习气相色谱的基本理论，如踏板理论、速率理论等，同时了解定性、定量分析的依据以及气相色谱分类等，让学生带着问题参与教学活动；教师课上需对如何理解踏板理论、速率理论以及如何从理论中推导出定性、定量分析的依据等难点进行集中讲授，同时通过图片或视频方式展示化学物质在气相色谱中的分离和检测过程，多举一些与日常生活较为接近的使用气相色谱分析的例子，并采用提问等方式增加师生互动，充分调动学生学习积极性；课后通过有针对性地布置作业，让学生进一步巩固学习内容，并对学生作业中出现的问题进行解答，以提高教学效果。

1.2 对分课堂

对分课堂是近年来由复旦大学心理系张学新教授提出的一种针对我国学生实际情况的教学方法。其核心理念是把一半课堂时间交由教师讲授，另一半交给学生进行交互式学习，使学生有充分理解所学知识的时间。张学新教授把教学过程分为时间上清晰的3个过程，分别为讲授（Presentation）、内化吸收（Assimilation）和讨论（Discussion），由此对分课堂也简称为PAD课堂[5]。在气相色谱教学中，可安排4学时，前两个学时用于课堂讲授，教师需对气相色谱内容框架、基本概念、基本理论、难点和应用实例进行集中讲解，同时给出气相色谱对分课堂的安排、要求和讨论方式，之后留出一周左右时间，让学生理解教师所讲授的内容，查阅资料，深入学习，内化吸收；后面两学时在教师安排下学生5～6人一组进行讨论，要求在组内讨论遇到的各种问题，汇总问题后，进行组间讨论，要求每组至少提出两个他们觉得理解很透彻的知识点或新思路向其他组提问，至少提出两个他们感觉理解不清楚的知识点向其他组求助。教师需保证讨论顺利而有效进行，避免讨论偏离主题或在某一问题上纠缠过久，并关注问题是否及时正确解决。对分课堂既保留了传统讲授法的精华，保证知识传递的系统性和准确性，又发挥了讨论式课堂的优势，增加师生、生生互动交流，加强了学生自主学习能力培养，提升了学习效果。此外，对分课堂是对教学流程的改革，投入少，是一种经济、实用的教学方法。

1.3 翻转课堂

翻转课堂最初构想源于2007年美国两位化学教师的尝试，2011年得益于可汗学院的推动，现已成为全球教育界备受瞩目的新型教学模式[6]。翻转课堂是以信息技术、互联网为平台，颠倒传统教学课前课后顺序的逆向教学，是课前教师提供以视频为主的学习资源，学生自主学习，课上师生面对面交流、完成作业和总结评价的一种教学方法。在气相色谱教学中，课前教师需将气相色谱的概念、基本理论、定性及定量依据、各组成部分及功能、分类、应用实例等知识点制作成微课视频，根据气相色谱学习内容的关键点和难点安排作业，给出进一步深入学习气相色谱的网络资源、书刊等，要求学生课前自主安排时间学习，并完成作业；同时教师通过网络收集学生自主学习过程中遇见的问题，并关注其作业完成情况，评价学生学习效果。课上，教师通过互动式、探讨式、小组合作式等以学生为主体的活动，帮助学生解决学习过程中遇到的各种问题。值得注意的是关键知识点可在作业中以问题方式提出。例如，气相色谱为什么能实现化学物质的分离？气相色谱的踏板理论和速率理论如何解释气相色谱的分离行为？可用一个比喻来描述气相色谱的分离过程吗？翻转课堂既能发挥学生主观能动性，激发其学习热情，增强自主管理、交流沟通和独立思考等多方面能力，又能增强教师在教学中的主动性，并且要求教师具备更多的技能，如网络技术的使用、微课视频的制作等，以实现教学相长。翻转课堂要求学生具有较强的自学能力和自律性，以自主完成主要学习任务。因此在翻转课堂实践初期，需要遵循循序渐进原则，对于学习态度消极、学习能力较差的学生给予更多帮助。

2 实验教学

鉴于高端仪器分析主要包括无机元素和有机物分析，建议在这两类物质的仪器分析中，至少分别进行一次实验教学，如原子吸收分光光度法与气相色谱法。若仪器条件满足，则可进一步开展质谱联用技术的实验教学，如电感耦合等离子体串联质谱技术和液相色谱串联质谱技术。下面以气相色谱分析为例，介绍两种常见的实验教学方法。

2.1 传统实验教学

传统实验教学是通过教师先讲解和演示，再指导学生按照实验规范完成实验，最后总结并给予评价的过程[7]。这种教学方法虽能让学生较快地掌握基本实验技能，但难以培养其实验设计、处理实验结果能力，不利于启发思维、激发学习积极性和创造性。为弥补这些缺陷，实验课前教师需根据仪器的配置特点，编写实验指导，制定实验评价标准，并发给学生要求其预习；教师需结合课堂所讲理论知识，介绍仪器构造，演示实验过程，如解释气相色谱进样口的构造如何实现密封，防止空气损伤色谱系统，利用真实色谱柱讲解色谱柱的构造、类型，以及如何选择色谱柱的长度、内径和固定液的厚度，同时结合踏板理论、速率理论启发式解释这些参数与分离效果的关系。实验过程中，教师需监督实验过程，做好实验辅导，及时解决学生遇到的各种问题，同时做好安全工作；在获得实验结果后，对照真实的气相色谱图，可采用提问方式解释色谱的基本概念，如保留时间、峰宽、踏板高度和分离度等，并要求学生尽快完成实验报告。值得注意的是由于高端分析仪器价格及维护费用昂贵，一般只会配置1～2台，数量少。因此，建议将学生3～5人一组分为多个小组，每组完成一个完整实验或分别完成一个周期较长实验的一部分，如空气中苯系物的采集、气相色谱的操作等，保证每位学生都有动手机会；也可以多个实验同时开展，不同小组同时完成不同实验，既保证学生都有动手机会，又缩短实验教学时间，提高仪器使用效率。

2.2 开放实验室平台

与传统实验教学方法相比，开放性实验室让学生有更多的自主性，有利于培养其学习兴趣，较好解决了传统实验教学存在的一些问题，是当前备受关注的一种实验教学方法[8]。开放实验室平台包括实验设备和管理制度两方面内容，前者指开放的仪器等硬件，后者指如何管理维护仪器和学生进入实验室的规章制度等软件。一般来说，由于学生不熟悉高端仪器，因此进入实验室前需要经过培训，才能获得上机资格。可以采取网上预约实验方式，在管理人员审核学生实验内容和具备上机能力之后，方可开始实验。由于高端仪器往往是专人专管，机多人少，单靠实验管理人员难以承担开放实验室对时间、精力的要求，因此，可以考虑采用“学生助岗，教师负责”方式进行实验室管理[9]。对于实验内容，可以针对每类仪器开发多个不同方面的实验项目，学生根据兴趣选择实验项目。对于气相色谱，可以开发如空气中苯系物、水或食品中农药残留等实验项目。教师可以结合自己的研究方向，面向有科研兴趣的学生，设计一些创新性实验，将科研和教学结合起来。开放实验室对学生、教师、实验室管理、硬件设施等方面的要求较高，只有当学生自觉性、实验内容编写、师资配置、各项操作规程和管理程序等达到一定水平时，开放实验室才能起到应有的作用。

3 结语

当前高端仪器分析已经成为公共卫生领域的主要分析方法之一。在公共卫生教育中，高端仪器学习是培养综合性卫生人才的重要内容。理论教学有利于学生对知识深入思考，而实验教学则有利于将理论知识与实践结合起来，是对理论教学的重要补充，两者相互促进，共同实现对学生创新能力、综合实践能力的培养。在实际教学中，鉴于不同的理论和实验教学方法具有不同的特点，应根据具体情况，如学生知识及学习背景，学校网络、仪器硬件设施和师资配置等情况，因地制宜，因材施教，采用不同教学方法，提高教学效果。

[1]郭爱民.卫生化学[M].北京：人民卫生出版社，2013.

[2]李赞忠，乔子荣.现代仪器分析及其发展趋势[J].内蒙古石油化工，2011（21）：1-4.

[3]宋力，李志裕.浅谈如何利用实验室大型仪器的共享平台开展本科实验教学[J].药学研究，2016（1）：55-56.

[4]张颖，李萍，张雪梅.论医学教育中的7种教学方法[J].卫生职业教育，2012，30（2）：48-50.

[5]张学新.对分课堂：大学课堂教学改革的新探索[J].复旦教育论坛，2014（5）：5-10.

[6]杜银香，董兴高.翻转课堂应用于医学微生物学实验教学的思考[J].卫生职业教育，2016，34（5）：102-103.

[7]李娜，王巧云.改革传统实验教学模式 培养高素质人才[J].卫生职业教育，2006，24（1）：8-9.

[8]苏晨霜.开放高校临床医学实验室的实践与思考[J].卫生职业教育，2014，32（18）：14-15.

[9]夏燎原，胡云楚，吴义强.开放大型仪器设备对提高本科实验教学质量之思考[J].中南林业科技大学学报，2012（5）：160-162.

G420

B

1671-1246（2017）01-0065-03

注：本文系上海市自然科学基金项目（16ZR1403400）