适合地方农业院校的仪器分析实验课程改革与实践

孔令瑶，董宪武，马朝红，薛晓丽，马凤霞，王凤云，尤莉艳

仪器分析课程是研究物质组成、含量、结构和形态等化学信息的表征及测量的一门学科，具有很强的实践性，每种分析方法都有相应的分析仪器和独立的原理方法及理论基础[1]。因此，掌握各种分析方法的基本原理、仪器的结构、性能和操作方法，对于培养学生的动手能力和创新意识及学生综合素质具有十分重要的意义。

仪器分析实验课程是吉林农业科技学院应用化学、中药学、食品科学与工程等专业的一门重要的专业必修课。通过本门课程的学习，使学生能够全面系统地掌握其基本理论、计算及基本实验操作技能，培养良好的实验习惯和严谨的科学态度。同时了解其前沿领域的发展趋势，了解分析新技术、新方法在化学化工、生物技术和食品科学等学科中的应用以及各学科的进展对分析化学的要求，使学生初步具备分析和解决实际问题的能力。

国内外绝大多数理工科院校及相关学科专业，都十分重视对学生仪器分析课程的理论和实践操作技能的培养。遵循仪器分析课程的教学和学生认知规律，结合吉林农业科技学院现有实验条件，探索和实践适合学生能力培养的仪器分析课程教学和实验方法是一项重要任务。

1 当前仪器分析实验教学现状及存在问题

仪器分析课程是一门理论性和实践性都很强的课程。理论教学大致可以分为四大类：光化学分析法、电化学分析法、色谱法和其他分析法。其中光化学分析法包括原子发射光谱法、原子吸收光谱法、X射线衍射法、火焰光度法、分光光度法(紫外、可见、红外)、荧光光谱法等；电化学分析法包括电导分析法、电位分析法、极谱法、伏安法等；色谱法包括气相色谱法和液相色谱法等；其他方法有热重法和差热分析法[2]。这些方法无论原理、定量、定性以及仪器结构都相对独立，涉及到的学科和知识较多且抽象。授课过程中，如果不接触仪器，只按照教材中提供的图片进行讲解，学生不容易完全掌握[3-4]。

仪器分析课程一般是先讲理论内容，然后进行实验。由于地方院校办学经费有限，仪器设备不能保证学生课程需求和教师科研，尤其是吉林农业科技学院大型分析仪器设备台套数相对较低，而且还要完成较多科研任务，这都降低了仪器设备的教学使用率。另外，仪器分析实验课中使用的多是精密仪器设备，学生需要较长时间熟练仪器，并且实际操作难度大、实验组数多，不能保证学生对仪器的充分利用。同时由于理论教学和实践教学中间出现较大的时间间隔，使学生在实际使用过程中发现的问题不能及时分析和解决，这构成了学生能力培养的阻碍[5]。另外由于仪器更新迭代速度快，不同厂家的仪器型号不同，而教材中提供的仪器图片或者是结构细节图和实际操作的仪器结构有差别，这样就导致学生实验课上接触到的是全新的内容。如何解决这一矛盾，在授课过程中充分发挥学生的主动性和创造性，培养学生的实践动手能力，是亟待解决的重要问题[6-8]。

2 仪器分析实验教学改革

2.1 教学内容按照以基础应用为主、突出重点的原则进行重新设计

对于应用化学及中药学、食品类专业的学生，学习仪器分析课程的主要目的是掌握各种分析仪器设备的基本原理和维护知识，学习仪器的操作过程，能够根据需要设计简单的实验方案解决实际问题。同时，还要协调处理好课程内容的基础性与先进性、经典与现代、本课程与相关课程内容之间的关系等问题。因此，在保证学生掌握常用分析方法的原理及各种分析仪器的构造和仪器工作原理的基础上，对教学内容进行了改革，既保证教学内容的先进性，又把仪器分析研究领域的最新研究成果和发展动向引入授课内容中。例如：实验室加入了检测化肥各成分含量和野山鸡中各个器官富集重金属的种类和含量的测定等实验项目，这些都是可以充分联系实际并且激发学生兴趣的项目。另外，改革后的实验课程和以往相比加强了前处理的操作环节，不同样品测定成分不同，制备样品的方法也不同，而且不同的制样方法最后呈现的结果也不尽相同。以往为了节约时间，经常让学生只做简单的前处理，而大部分处理任务都由实验老师完成，学生上课时能动手做的部分很少，学生积极性很难被调动。改革后每一个实验从配制溶液到最后的测定给出结论都需要学生自己动手操作，在这个过程中大大地锻炼了学生的动手能力。

2.2 合理采用多媒体教学手段，开发图形、图像、动画等多种直观形式的教学辅助手段

由于仪器分析课程内容较多，涉及到的分析方法及相应分析仪器的原理、结构及装置图较多；另外，教学内容多、课时量少的矛盾比较突出。若采用传统教学方法(粉笔+黑板)，相当费时，且效果不理想。因此，有必要运用多媒体手段，在有限的课时内增大课堂信息量，同时生动、形象地给学生展示各种分析仪器的结构及其动态地测量过程，使学生深刻理解仪器的作用原理，将枯燥的知识转化为具体的形象，培养学生的创新思维能力。由于学院具有多媒体仿真实验室，其中包含仪器分析实验教学模拟软件，在实验课前让学生通过模拟软件了解仪器的结构和使用步骤。例如，原子吸收分光光度法测定谷物中锰元素含量实验，在模拟软件中展示了整个实验的操作步骤：第一步样品前处理，在充分预习和教师讲解的前提下，学生模拟完成包括玻璃仪器的浸泡和选择合适的消化液前处理的过程。第二步配制标准溶液，学生根据实际测定的样品浓度选择合适的标准曲线的浓度范围，计算标准溶液的稀释倍数，然后进行模拟配制。第三步预热仪器，设定仪器参数，然后进行测定。经过这一系列流程，学生了解了实验步骤和各个部分的结构，增加了对仪器的感性认识。此外，教师还收集了网络中一些制作精良的仪器使用手册和讲解资料，当学生在课堂上遇到问题可以自己查阅解决，上课效率明显提高。

为了能让学生了解更多的先进仪器设备，授课教师组织学生去相关院校的实验室或工厂参观，让学生深入一线，了解产品的生产过程和检测过程，开阔学生眼界。通过理论联系实际能力的培养对塑造应用型本科专业人才起到了至关重要的作用。

2.3 深化课堂教学模式的改革，采取兴趣教学，提高教学效果

引入讨论式、启发式教学法等理念，克服传统教学方法的弊端，使课堂教学充分体现以学生为主体，教师为主导的理念，从而促使学生积极思考，激发学生的潜能，开拓学生思路，调动学生学习的积极性，活跃课堂气氛，增强学生的学习兴趣。实验项目的选择也强化了和其他课程的联系，如有机化学实验项目“茶叶中提取咖啡因”，学生只能从升华后咖啡因重量和颜色评价实验结果的好坏，纯度无法测得，可将产品在仪器分析实验课中用高效液相色谱仪检验其纯度，通过数据分析即可实现。再如现代分离分析实验课中“超临界萃取法提取松针中挥发油”，得到了浅棕色的挥发油，将其密封保存，在仪器分析实验课中用气相-质谱仪检测其中成分，通过气相色谱得到挥发油的色谱图，运用气相色谱理论知识判断设定的分离条件的合理性并相应改进，通过质谱分析让学生了解挥发油中几种主要成分和其在食品、药品、工业中的用途，这些和实际相结合的实验学生都很感兴趣。学生兴趣被明显调动，实验课考试的及格率也从原来的85%上升到95%以上。

2.4 以学生能力培养为核心，构建操作性强的实验、实践课程

本着提高学生动手能力、培养创新能力、加深理解分析方法原理并与实践相结合的设计思想进行实验和实践教学体系的改革。将实践教学分为基本实验和综合性实验两部分，基本实验主要训练学生了解仪器的基本结构并熟悉分析仪器的基本操作，涉及内容与课堂教学密切相关，充分体现本课程的实践性；“综合性实验”是通过化学分析方法与仪器分析技术相结合的综合训练，使学生掌握仪器分析方法的应用技术与技巧，要求学生在教师的指导下，通过查阅文献资料，自主设计实验方案。通过课堂教学与实践教学综合性训练，学生的视野开阔、综合能力明显增强。实践环节中，学生针对自己感兴趣的项目，首先进行资料的查找，确定可行性后，经指导教师批准，自行设计实验过程并进行操作。例如用高效液相色谱法测定饮料中的苯甲酸、山梨酸钾、糖精钠、咖啡因、靓蓝、柠檬黄等含量。对同一样品还可进行不同方法的比较分析，例如用高效液相色谱法和紫外分光光度法测定芦丁含量，对比两种仪器使用流程和不同数据，能够更直观地认识每种仪器的测量特点和不足之处。针对受到污水污染的耕地种植的作物会相应富集重金属元素的特性，结合测定金属的理论内容，学生还设计了用原子吸收分光光度法测定了多种市售谷物中Cd、Cr、Mn、Cu、Fe等金属元素含量的实验项目，通过这些实验，学生学习了原子吸收分光光度计的使用方法、测量对象，也让学生了解了不同作物富集金属的能力。除了重视学生综合素质的培养外，基础操作的规范性和科学研究的严谨精神也是重点培养内容。在实验过程中，让学生体会到细节决定成败的重要性，从玻璃仪器的浸泡、洗涤，到称量药品、配制溶液，每一步都要求准确规范。在保证实验学时的前提下，尽量让学生多进行平行试验，并且学会用软件处理数据，把得到的数据进行对比分析，如果遇到可疑的数据，不能立刻删除或者篡改，应该仔细分析产生问题的原因，总结对应解决办法和注意事项，培养学生以事实为依据，实事求是的学习态度。学校积极鼓励学生参加行业资格认证(化学检验员3级考试)，实验课改革后学生的通过率明显提高，从往年的70%左右上升到了85%以上。另外学校具有毕业生就业单位进行满意度调查回访的制度，企业对学生动手能力的满意度也明显提高。

2.5 建立实验室开放制度，便于学生积极主动参与研究项目

仪器分析实验室不仅对教师科研和实验课开放，还对学生的毕业论文、大学生科技创新、实验技能大赛等项目开放，使学生的仪器分析学习向深度和广度延伸。例如针对大学生创新项目，学生利用课余时间进行自主实验设计和操作，教师在项目初期只对实验项目的可行性进行审核，讲解仪器的使用，让学生尽快熟练掌握仪器的使用。因为实验项目是全新的，在这个过程中会出现很多的问题，学生可以通过网上查找、图书馆查阅相关资料或者向高年级同学请教，完成整个项目。另外，学生可以选择性的参与到教师的科研项目中，进行一些程序性的测试工作，如天然物的提取、分析、分离、红外光谱测定、气相质谱仪、X射线衍射仪等数据分析及表征工作并对得到的图谱进行解图分析，锻炼解图能力，为以后的继续学习或者工作打下良好的基础。除了大学生创新项目和教师的课题，每位同学都要独立完成毕业论文，在这个过程中也会使用相应的仪器。通过实验室开放极大地提高了学生自主创新和实践能力。

2.6 建立健全课程考核制度，细化考核内容

建立适合的考核制度也是仪器分析实验改革的重要组成部分，仪器分析实验学时有限，仪器有限，有些实验不能让每个学生都得到充分的锻炼，所以考核的形式不能只注重实验结果，要注重实验过程的考核。可采取的办法是：把学生尽可能分成多的小组，让他们共同完成实验任务，在实验过程中教师考查每个同学的预习情况、实验动手操作能力、实验操作的标准程度和团队协作的默契程度，同时也要加强对学生的指导，纠正学生的错误操作，及时对学生的问题做出反馈。因为都是相同的样品，所以最终结果可以进行平行比较，比如标准曲线中每个点相关性的好坏，配制、定容等操作的标准性与标准曲线的相关系数关系，样品前处理的彻底程度和仪器的操作流程也决定了最后的实验结果，每组的样品重复进样得到的结果要进行精密度分析，精密度越好，实验效果越好。通过这些操作有效激励了学生的细节意识和相互配合精神。不同的实验考核，标准也不同，需要在今后的课堂中反复进行摸索，制定一整套适合仪器分析实验的考核标准。

3 展 望

和国外高校的仪器分析实验相比，吉林农业科技学院的仪器分析实验课程还有很多问题需要改革，例如课程设置比较重视基础和理论的学习，而国外更注重解决实际问题，可以让学生自主选择时间完成实验，最后以墙报展示的形式汇报实验内容，让学生体验完整的科研过程。借鉴这些经验，学院可以增加学生独立操作实验和展示实验成果的机会。另外，学生和教师不仅需要“走出去”，还需要请专家学者“走进来”。学院可以聘请企事业单位的高级技术人才来学校进行讲座、授课或者是参与实习指导，结合学科前沿和社会热点问题不断更新实践项目。历届毕业生也是学校宝贵的财富和资源，让他们参与到课程的设计，参与到教师和学生的培训中，推动教师的科研项目发展和学生的就业，激发学生自主学习热情，为学生将来走向工作岗位打下良好的基础。