实验教学与仪器
主办单位:长沙理工大学
国际刊号:1004-2326
国内刊号:43-1094/G4
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仪器分析实验教学改革的探讨与探索

 摘要:针对仪器分析实验教学过程中普遍存在的人多机少、教学内容陈旧、课时少、学生积极性不高、上课效果差等弊端,提出了一些仪器分析实验教学改革思路和设想,并进行实践探索。如增加仪器种类及数量,修改实验内容,选用贴近生活的事物作为分析样品,参考国标规定的分析方法及一些最新的研究论文对分析方法进行改进,开设设计实验和综合实验及开放实验,以提高学生自主完成实验的能力,使学生的分析问题解决问题的能力得到有效地提高,更能适应社会的需求。此外对课程设置的时间及教学方式方面的改革也进行了初步的探讨。

  关键词:仪器分析实验;教学改革;教学探索
  中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)43-0033-03
  当今社会物质文明高度发展,然而各种环境问题、食品安全问题、产品质量问题层出不穷,如苏丹红、三聚氰胺、毒校服事件等,对人们的生活质量和身体健康造成了极大的危害。对环境污染、产品质量、食品药品质量进行严格的监督管理日益受到社会的关注。实现高效的环境监测、食品药品质量监测都离不开各种仪器分析方法。仪器分析成为化学与材料、生命、环境、医学、药学等学科交叉的热门专业[1]。掌握数种大型仪器分析设备的实验技术对以后的工作有很大的帮助。当前对各种仪器分析方法的研究和应用人才的培养主要是在高校中进行的。仪器分析理论及实验课程也是化学、生物、药学等专业的基础课[2]。通过仪器分析实验不仅能够巩固和提高学生的基础理论知识,掌握先进的分析测试方法和大型精密仪器的使用,而且能提高学生分析、解决问题的能力[3,4],培养学生的实践能力和学以致用的精神。目前仪器分析实验教学过程中普遍存在如人多机少、教学内容陈旧、课时少、学生积极性不高、上课效果差等弊端[5]。为了改善这种状况,激发学生的学习兴趣,结合本校实际,提出了仪器分析实验教学中的几点改革思路和设想,以培养更多实用探究型人才,使其适应社会的需求。
  一、增加仪器种类及数量
  对于普通高校首先了解各种生物、医药、环境等企业及质检、防疫、药监、环境监测部门等单位最常用的分析仪器,在学校实验教学经费充足的情况下,购置各行业都需要的、应用广泛的仪器。对于中小型仪器如pH计、气相色谱仪等,可增加数量,做到实验课中1~2人一台仪器。对于中型仪器如高效液相色谱仪也可适当增加数量,做到实验课中2~3人一台仪器。而对于大型分析仪器如GC-MS、LC-MS、NMR,由于仪器运行和维护费用较高,不适合大批量的学生实验,但也可以安排演示实验,学生分批参观。这样就可以避免学生对仪器仅是走马观花,仅认识仪器的外观轮廓。使学生充分接触和操作仪器,增加对仪器操作的兴趣和信心。
  二、修改实验内容
  传统的仪器分析实验所设立的实验项目少,学时少,且验证性实验所占比例过大,实验内容和实际应用实验的例子比较陈旧,与现代应用脱节,与现实社会问题联系较少,不能体现现代分析技术的发展,不符合该课程特点[6]。经调查,地方本科院校,像化学、化工、生物科学、食品、环境等本科专业均开设仪器分析必修课程。一般为开课一学期,一般只对色谱分析、电分析、光谱分析三大块内容进行初步介绍,对一些新型分析仪器和分析技能触及很少。如HPLC只做简介,气-质、液-质等联用技术更未涉及。且仪器分析实验学时数少,主要集中在验证性实验和规范化操作。实验时简单讲解实验原理、仪器构造和操作注意事项,整个实验过程学生完全缺乏主动性,使学生能力得不到培养和提高[7]。作为地方性本科院校,我校的仪器分析实验课程也存在上述的问题。对此,我们从以下几个方面对仪器分析实验的内容进行了修改,重新编写了仪器分析实验讲义。
  1.改变分析样品。结合学生的生活实际和社会热点问题,将传统实验中以人工配制的标准样品作为分析样品,替换为果汁、牙膏、药物、食用油、室内空气等一些与学生生活密切相关的样品。如用库伦分析法测定果汁中的维生素C含量。直接电位法测定牙膏中的氟离子含量,火焰原子吸收法测定头发中的微量元素,原子吸收分光光度法测定中药黄芪中铜的含量;室内空气中苯、甲苯、二甲苯的测定,阿司匹林药物及植物油中维生素E的液相色谱检测,苹果汁的组成分析等实验项目。通过对这些实际样品的分析,使学生了解自己日常用品的一些成分以及这些成分的检测方法,提高学生的实验兴趣。也使学生了解掌握一些产品质量的检测方法,更能适应社会的需求。
  此外,在传统仪器分析实验中,样品的制备常常被忽略,试剂都由实验老师配好,学生只是照本宣科,实验过程匆匆完成,不利于学生动手能力提高[3]。而采用实际样品,让学生自主完成样品的采集和制备过程,可以使学生了解和掌握一些样品采集和预处理方法。
  2.改进分析方法。传统仪器分析实验由于样品简单,通常分析方法也较为简单。而实际样品则较为复杂,需要样品预处理及加入一些抗干扰试剂,因而实验方法和条件选择较为复杂。为适应社会需求,可参考国标及药典规定的方法,结合自己的实际加以改进。如我校新编的仪器分析讲义中,“原子吸收分光光度法测定中药黄芪中铜的含量”实验参考了药典2010版附录ⅨB.重金属检查法。“差分脉冲阳极溶出伏安法测定水中锌、镉、铅”实验参考了GB/T3914-2008;“液相色谱法测定植物油中各种维生素E”实验参考了GB/T5009.82-2003等。其次还可以参考一些最新的研究论文对分析方法进行改进。如“差分脉冲阳极溶出伏安法测定水中锌、镉、铅”实验中按国标的方法采用玻碳镀汞膜电极为工作电极。由于汞具有挥发性和毒性,会对师生的健康造成影响。我们参考李冬月[8]、李建平[9]等的文献,以无毒、稳定的铋膜玻碳电极为工作电极,测定水样中的锌、镉、铅。实验表明,该方法分析的灵敏度和精密度都较好,可以满足学生实验的要求。
  3.开设设计实验和综合实验。为改善传统仪器分析课程内容主要为验证性实验的问题,我们分别在光学分析法、电学分析法和色谱分析法部分各增加了一个设计性实验。由教师给定分析任务,由学生分组自主查阅资料,确定分析方法,列出所需的仪器和试剂,选择合理的实验条件,写出实验方案。老师对拟定的实验方案进行审阅、指导;学生对所用仪器自行安装调试,所用试剂、药品自行配制,并及时记录实验现象和实验数据。实验结束后整理仪器、用品和实验台,检查所用仪器是否正常,经老师检查、确认签字。最后学生对分析结果进行处理,撰写实验报告。在设计实验的整个过程中,老师只对实验方案提修改意见,对实验过程中出现的问题进行指导,整个实验过程完全由学生自主完成。通过这样的训练可以使学生的分析问题解决问题的能力得到有效地提高,不再畏惧独立实验。将来走上工作岗位也更能适应社会的需求。此外我们也在仪器分析实验内容中设置了复杂样品的多组份分析的综合实验。如“苹果汁的组成分析”实验。对苹果汁的营养成分如氨基酸、有机酸、维生素,添加剂如山梨酸钾和苯甲酸钠,有害物质如重金属元素进行分析,并与国家标准进行比较。各种组分的测定分别用不同的仪器不同的方法。通过综合实验可以使学生进一步熟悉各种分析方法,巩固各种仪器的操作使用。同时可以进一步认识物质组成的多样性。   三、开展开放实验
  由于仪器分析实验的学时有限,一些综合实验不能在课内学时完成,可以以开放实验的方式,让学生在课外时间完成。如上述“苹果汁的组成分析”实验由五个小实验组成,分别分析苹果汁中的氨基酸、有机酸、维生素C、山梨酸钾和苯甲酸钠、重金属Pb的含量,每一组可以分次完成。此外可以设计同一样品用多种方法进行测定,比较各种方法的灵敏度、精密度等性质。如分别用紫外光谱法、荧光分析法、库伦分析法、液相色谱分析法测定果汁中的维生素C含量。通过开放实验的实施,可以进一步提高学生自主实验、分析问题解决问题等能力,熟悉各种仪器的操作,并对各种仪器的性能有更深的认识。
  四、课程设置改革
  仪器分析及实验课程作为化学相关专业的基础课,通常被安排在二年级甚至一年级下开设。然而仪器分析又是一门应用性很强的学科,对学化学相关专业的学生将来找工作及考研非常重要。若安排在二年级开设,学生到大四找工作时大部分内容都已经忘了。因此建议将仪器分析课程及实验安排在三年级开设,以利于学生就业和考研。
  五、教学方式改进
  传统的仪器分析实验教学通常是学生在实验课开始后才见到仪器,且仪器的开关机步骤由教师或实验员完成,学生对仪器的结构和操作步骤不能有充分的认识,且容易对仪器操作产生畏惧心理。解决方法可以是:(1)拍摄介绍仪器结构原理和仪器标准操作步骤的视频,并突出学生容易出错的操作步骤,通过网络课堂让学生预习或课后复习。然后通过设计实验或开放实验来检验学生对仪器操作的掌握程度。(2)可以通过将实验室在时间上和空间上开放,鼓励学生在课前在教师指导下熟悉和操作仪器,或在课后练习独立操作仪器。以此来增强学生仪器分析实验的兴趣和信心。
  仪器分析是一门交叉性和应用性很强的学科,在与其相关的领域如化学化工、生物、医药、材料、环境、食品及质量检测等机构都有着广泛的应用,因此仪器分析方向的就业面很广。通过仪器分析实验的教学,学生能够充分了解各类仪器的结构、原理以及操作方法,提升学生理论联系实际和综合研究能力,为今后的工作打下坚实的基础。但要做到真正使学生能适应时代的发展,还需要在以后教学实践中不断积累经验、大胆创新,不断地将改革过程中出现的问题进行修改和完善。在仪器分析课实验教学中,尽可能地培养学生的研究兴趣、良好的科学素养和综合实验技能,使仪器分析实验在培养研究应用型人才方面发挥更好的作用。
  参考文献:
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