仪器分析实验科研参与式教学方式探讨

摘 "要 "在“双一流”建设大背景下，培养创新型人才已成为高校教育发展的最终目标。仪器分析实验教学的主要任务是培养学生的创新性思维和科研素质。总结仪器分析实验教学现状及不足之处，探索科研参与式教学方式，为化学相关专业的实验教学改革研究提供有价值的参考。

关键词 "仪器分析实验；实验教学；科研参与式教学方式；实验室；文献调研

中图分类号：G642.423 " "文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）14-0143-04

Discussion on Scientific Research Participatory Teaching

Method of Instrumental Analysis Experiment//JIANG Dan-dan

Abstract "Under the background of \"Double First-Class\" con-

struction， cultivating innovative talents has become the ulti-

mate goal of the development of higher education. The pri-

mary mission of teaching of instrumental analysis experiment

is to cultivate students’ innovative thinking and scientific research quality. This paper summarizes the current teaching

situation and shortcomings of instrumental analysis experi-ment， and explores the participatory teaching mode of scienti-

fic research. The teaching method provides a valuable reference

for the experimental teaching reform of chemistry specialty.

Key words "instrumental analysis experiment; experimental teaching; participatory teaching mode of scientific research; laboratory; literature researches

0 "引言

仪器分析是分析化学的重要组成部分，是一种基于各个学科的基本原理，采用光学、电学、精密仪器制造、计算机等先进手段探知物质化学特性的分析方法。目前，仪器分析在生命科学、环境科学、临床化学、法医鉴定等多个领域具有广泛应用，因此已成为化学相关专业重要的课程之一[1]。其中包括色谱分析法、光学分析法、质谱分析法、电化学分析法等10多种仪器分析技术。“实践是检验真理的唯一标准。”要想深刻掌握仪器分析方法，必须认真学好仪器分析实验这门课程。通过传统的仪器分析实验教学，可以加深学生对仪器分析基本原理的理解，掌握必要的理论知识和基本仪器构造，同时学习测量数据的处理方法。

近些年，多个国家的教改方向表明：21世纪，全世界都在呼唤培养创新人才。随着化学相关事业的蓬勃发展，社会对化学专业人才的需求已经从单纯的理论知识型人才转变为兼具创新型及实践型的综合型人才[2]。传统的教学方式往往会造成教师单向灌输、学生被动接受的局面，已不能满足当代大学生的学习需要。将科研创新融入实验教学过程中，对于培养创新型全能人才具有重要意义。因此，引入科研参与式教学方式，将科研思维贯穿仪器分析实验教学始终，是“双一流”建设背景下实现这门课程教学改革的有效途径[3]。通过引入科研参与式教学方式，实现由知识点灌输式向以培养知识运用、动手操作等综合能力为主的模式转变，以提高学生的科研创新及实践能力，进而推动仪器分析实验教学发展。

1 "传统仪器分析实验教学方式的不足之处

仪器分析作为一种现代分析检测技术，不断地为科学研究和药物研发等众多领域提供大量物质组成、结构、含量等方面的信息。随着对仪器分析方面经费和精力投入的逐年增加，大多数高校的本科实验教学已经开设仪器分析实验这门课程，但是受制于分析仪器设备种类及数量、教学人员、教学场地等多方面因素的不足，仪器分析实验的内容设置仍是对基础理论知识的补充和验证，对学生综合素质能力的培养重视度不够。传统的仪器分析课程教学主要存在以下不足[4]。

1.1 "课时较少，仪器数量有限，学生无法深入了解

设备

以内蒙古民族大学化学与材料学院为例，仪器分析实验课程总学时为32学时，具体开设包括光学、电学、色谱等相关内容的11个实验项目，每个实验项目的学时不足三学时。又由于各种大型精密仪器（比如气相色谱、原子发射光谱仪等仪器）价格比较昂贵、数量少，学生在实验过程中需要分组分批进行学习，基本只能达到对分析仪器的进样式使用。以上原因均导致只有少数学生有机会操作仪器，大部分学生在课堂上参与度较低，无法深入了解仪器设备的构造及工作原理。

1.2 "侧重讲授理论知识，实践环节欠缺

传统的仪器分析实验课程是基于“学生预习—教师讲授—教师演示—学生操作”的教学方式进行的，从一定程度上抑制了学生主观能动性的发挥。在仪器分析实验授课过程中，教师通常是按照课本讲授实验原理和实验方法等基本理论内容，学生处于被动接受知识的角色，缺乏思考。然后，教师将仪器使用方法演示一遍，学生机械性地重复教师演示的基本操作，导致课程结束后学生根本无法独立开展实验。从整个课程的教学过程来看，学生缺少自主探究和实践的过程，出现对分析仪器相关知识理解存在较大难度的状况。

1.3 "以验证性实验为主，缺少自主设计性实验

仪器分析实验课程设置中验证性实验的比重较大，比如大多数是“高效液相色谱法分析样品中甲苯”“苯甲酸的红外光谱测定及谱图解析”“循环伏安法测定铁氰化钾的电极过程”等实验内容，缺少能够培养学生创新能力和应用能力的自主设计性实验。固有的教学模式和重复不变的实验内容导致学生热情不高，对仪器分析实验重视度不够，被动应付，缺少创新思维的锻炼，分析问题和解决问题的能力减弱，无法达到培养创新型及实践型人才的目的。

2 "科研参与式教学方式改革

现行的仪器分析实验教学是基于理论课程内容制定的，无法培养学生综合运用所学知识分析和解决实际问题的能力，导致学生失去学习兴趣和自主探究性。引入科研参与式教学方式，是改变仪器分析实验教学效果的重要途径，这种教学方式可以从根本上改变教学模式，从教师主导型转变为学生主导型。仪器分析实验采用科研参与式教学方式，更加注重应用性和实践性，通过提高学生的参与度，能够充分调动学生的学习兴趣，培养学生的创新能力和科学思维模式。

2.1 "将科研文献调研融入课程

在仪器分析实验基础知识讲授过程中引入科研文献调研，加深学生对晦涩难懂的理论知识的理解和运用[5]。引导学生利用中国知网、维普等中文数据库，以及Springer、Wiley、ACS、Elsevier等外文数据库，对各种分析仪器的实际应用性进行调研。通过阅读科研文献，不仅能够拓宽学生的科研眼界，而且可以提高知识储备，使学生接触与分析化学相关的前沿发展方向，激发学习兴趣，培养创新意识。

以液相色谱学习为例，在学习完液相色谱相关内容后，引导学生对相关应用性文献进行查阅，在外文数据库中搜索到题为“Aptamer-functionalized

magnetic conjugated organic framework for

selective extraction of traces of hydrogenated

poly chlorinated biphenyls in human serum”的英文文献。该文献结合液相色谱—质谱联用技术，将磁性共价有机骨架复合材料用于人血清中的羟基多氯联苯的吸附与检测。多氯联苯是一类臭名昭著的持久性有机污染物，由于其具有高毒性和生物累积性，导致全球环境污染，并造成巨大危害。在人类和动物体内，多氯联苯可以通过细胞色素P450介导的氧化作用代谢为羟基化的多氯联苯。与其他传统方法相比，液相色谱—质谱联用技术具有更高的灵敏度，已成为一种测定羟基多氯联苯的强大分析技术。

通过阅读该文献，学生掌握了液相色谱法的基本原理和实验方法，同时加强了对液相色谱的峰面积和分析物浓度之间关系的理解。如图1所示，在0.1～60 ng/mL范围内，液相色谱法的峰面积与不同浓度的羟基多氯联苯标准溶液呈现出良好的线性关系（R2=0.997 3），为检测羟基多氯联苯的含量提供了一种良好的方法。另外，拓宽了学生的科研视野，使学生了解到液相色谱法可以应用于食品检测、生化分析、环境分析、农产品检测及临床分析等众多领域。

总之，通过相关科研文献调研可使学生达到：

1）掌握各种中外文数据库使用和科研文献检索等方法，提升文献阅读能力和英文水平，有助于科研思维的形成；

2）加深对各种分析仪器基本原理、设备构成、操作方法和实验数据处理等方面的理解；

3）通过了解各种分析仪器的实际案例，充分理解理论知识和实际应用之间的关系，掌握本专业最新的研究动态和发展方向。

2.2 "引入科研课题实践探究

在仪器分析实验教学过程中应适当减少验证性实验内容，增加自主设计性实验内容。仪器分析实验采用科研参与式教学方式，以科研课题论证的形式将理论知识、分析方法及解决的实际问题进行结合，激发学生的求知欲，培养学生的创新能力和科学思维模式[6]。通过独立设计并完成科研课题的实验模式，有助于学生更好地理解实验原理，培养科研能力，主要体现在以下两点。

1）将抽象的仪器分析理论知识和实际应用、实际操作结合在一起，使理论知识学习和实践操作有连贯性，增强学习效果。

2）增加学生参与整个实验过程的机会，便于熟悉实验室一些常用仪器，如磁力搅拌器、水浴锅、旋转蒸发仪、超声仪、离心机和固相萃取装置等，提高学生的实践动手能力。

教师发布科研课题任务，学生组建科研实践小组进行科研文献调研，根据理论知识及不同仪器的应用范围，讨论确定具体实验方案。教师对实验方案进行修正，并将意见反馈给学生。教师对学生进行实验室安全教育，讲授实验废液处理办法，提高学生的安全意识及环保意识。借助学院纳米创新实验室平台，学生可在教师的指导下进入实验室进行科研实验，记录实验过程中的现象及遇到的问题。实验结束后，学生撰写科研报告，包括实验数据的处理以及实验过程中需要改进的事项等内容。教师批阅科研报告，总结实验教学经验。最后，采用问卷调查等方式，调查学生在自主设计性实验过程中使用仪器的效果，汇总学生遇到的问题，并以此为依据，指导理论教学，及时调整教学内容和教学重点。仪器分析实验科研参与式教学方式如图2所示。

以可见分光光度法的学习为例，通过发布磁性麦羟硅钠石材料吸附废水中磷酸盐的课题，引导学生进行科研文献调研，设计具体实验方案，通过科研实验深刻理解紫外—可见分光光度计的工作原理及实际应用性。磷酸盐是生态系统中大多数生物所需的主要营养，它的过量会造成水质富营养化及后续的劣化。因此，去除废水中的磷酸盐以及磷酸盐的回收是目前废水治理研究的一个重点。利用化学方法去除磷酸盐的方法有很多，如化学沉淀、吸附等，其中制备吸附材料是去除该类污染物的一种有效方法。麦羟硅钠石由一块或多块带有负电荷的SiO4板组成，具有比表面积大、离子交换能力强、亲和位点丰富等优点，可用于合成层状纳米复合材料。据研究报道：麦羟硅钠石纳米片已被用作吸附剂去除重金属离子和有机染料。采用磁性麦羟硅钠石材料作为磷酸盐的吸附剂，能够加快样品前处理的整个过程。

基于以上考虑，学生首先会根据查阅科研文献获得的方法去制备磁性麦羟硅钠石吸附材料，然后会考虑到如何考查它的吸附性能。这就涉及思考如何测定未知物中磷酸盐的浓度，即建立吸光度与磷酸盐的浓度之间的关系，配置一系列浓度的磷酸盐溶液，使用紫外—可见分光光度计测其吸光度，绘制标准曲线，以及探究在不同实验条件下对吸光度值的影响，比如pH值、吸附时间、吸附剂用量等。在确定最佳的实验条件后，称取一定量的磁性麦羟硅钠石吸附材料进行磷酸盐吸附实验，逐步增大磷酸盐浓度达到饱和吸附，绘制磁性麦羟硅钠石吸附材料对磷酸盐的饱和吸附曲线，确定最大吸附值。对实际样品废水进行离心处理，取上清液进行磷酸盐吸附实验。在教师的指导下，学生可直接操作紫外—可见分光光度计，在此期间深刻掌握基本原理、仪器构成及操作方法等要点。实验结束后，学生对数据进行处理，并将实验过程中遇到的问题一并记录到科研报告中。

通过完成本项科研课题，学生将理论知识与科研实践充分结合在一起，不仅巩固了理论知识，也更好地掌握了紫外—可见分光光度计的构造和使用方法。通过由科研课题学习仪器分析知识这种教学模式，解决了大多数学生死记硬背理论知识、不会运用所学知识解决实际问题的情况，使学生由被动接受知识转化为主动获取知识的模式，并且提高了创新能力及动手能力。

3 "结束语

在创新型人才培养模式下，要求强化科研与实验教学间的互动。本文首先阐述传统仪器分析实验教学中存在的不足之处，然后探讨仪器分析实验引入科研参与式教学方式的必要性，将文献调研与实验教学紧密结合，引导学生找出与实验课程切合度高的部分，进而提高学生对分析仪器在实践中的应用能力的认识。在教师的引导下，学生根据科研课题进行文献调研，讨论并设计出可行的实验方案并进行实践验证。科研参与式教学方式使学生将所学理论知识应用于实践，从而获得科学结论，对学生创新能力和应用能力的培养具有重要意义。

参考文献

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