面向高水平化学化工人才培养的现代仪器分析课程的教学改革探讨

2023-02-04李迎春杨娇

大学教育 2023年20期

李迎春　杨娇

［摘要］现代仪器分析是化学化工专业的一门重要课程，具有重要的实践性和应用性。通过这门课程的学习，学生可以掌握各种现代仪器的原理、特点和操作技能，为日后从事化学研究和实验工作打下坚实的基础。随着化学技术的不断发展和普及，对现代仪器分析课程进行与时俱进的教學改革十分必要。文章通过对该门课程的教学思想、教学内容、教学方法、评价体系等方面进行分析和研究，结合实际教学工作中的经验和体会，提出了一系列教学改革的建议，旨在推动现代仪器分析课程教学质量和水平的提高。

［关键词］化学化工专业；人才培养；现代仪器分析；实验课程；教学改革

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）20-0026-04

现代仪器分析课程是化学及相关学科重要的理论和实验课程之一，也是化学专业学生学习化学实验和仪器操作的重要途径。其教学目标包括：使学生掌握仪器分析的基本概念和专业知识；提升学生使用各种仪器进行定量和定性分析的能力；使学生掌握常用的仪器操作技能，并具备仪器故障排除和维修的基本能力；培养学生的创新思维和解决问题的实践能力。

随着化学专业的发展和社会对化学人才需求的不断增加，现代仪器分析课程的教学改革显得日益重要[1]。教学改革的目的是不断适应社会的发展和学生的需求，切实提高教学质量和水平[2]。针对现代仪器分析课程的实际情况和存在的问题，本文从教学思想、教学内容、教学方法、评价体系四个方面来阐述现代仪器分析课程的教学改革，并结合笔者多年的教学经验和体会，提出具体的建议。

一、教学思想的改革

针对当前教学中的一些问题，教学思想应该更加注重实际，突出实践教学，引导学生从实践中理解和掌握知识[3]。现代仪器分析课程以往的教学重点大多是理论知识，忽略了实践能力的培养，而其教学目标应是培养学生的动手实践能力、从事化学研究和实验工作所需要的基本知识和技能[4]，同时培养学生的灵活思维能力、创新意识、团队合作精神、责任心和职业道德等综合素质。因此，应采取一种能够将理论知识和实践操作相结合的教学方法，并将实践教学作为教学的主线，使学生在教学中不仅能掌握理论知识，还能灵活运用仪器进行实验操作[5]。同时，应注重把最新科研成果和前沿技术融入课程，鼓励学生关注热点问题和发展方向。

二、教学内容的改革

现代仪器分析课程的教学内容包括仪器基本原理和分类；常用仪器操作技能的培训；分析方法及其操作步骤、实验操作中应注意的问题和常见仪器故障排除及维修，其中光谱仪器（吸收光谱、发射光谱、散射光谱等）、色谱仪器、电化学仪器、传感器等多种仪器的原理、核心组件及其应用是重点。课程主要的教学形式有理论教学、实验室现场教学、案例分析和论文研读等。针对培养高水平化学化工专业研究生这一目标，教学内容总体更应该以创新为主线，突出科学性和实用性[6]。教师在教学中，不仅要注重教学内容的丰富性和多样性，也要重视动手实践能力的培养。教学内容的改革包括加强学生对新技术、新仪器的概念和应用以及仪器原理的深入理解，帮助学生掌握仪器操作的实质，为实践操作提供更好的理论基础。在实验教学中，通过引导学生独立思考和自主操作，培养学生追求真理、创新思维和解决问题的能力。笔者在具体教学实践过程中，有以下几方面的体会。

（一）增加实验设计环节

学生应该将实验操作与实验设计相结合，既要注重实验操作的技术性，也要注重实验设计的科学性和可行性，通过实验设计培养学生的科学研究能力和实际操作能力。在具体的教学中，引导学生从当前社会相关的实际问题出发，采用所学的理论和实验知识，选取合适的仪器分析工具，解决相应的问题。譬如引入生物传感器的内容，指导学生查阅文献，针对病毒的抗原检测和核酸检测，分别设计不同的识别手段，并进一步设计电化学、荧光等不同的方法作为信号输出的手段。在此过程中，学生对于已学知识的理解和应用上了一个新台阶，同时使解决问题和独立思考的能力都得到了很好的训练。

（二）探索综合性实验

对于不同的学生，实验难度应有梯度，以锻炼学生的操作和思考能力。在实验教学环节后期，可以安排综合性实验内容，即引入项目式教学。在现代仪器分析的项目式实验教学环节，只给学生提出大致的实验方向和题目，以及规定需要涉及的仪器，而具体的实验方法、实验操作、数据分析处理和结果讨论等部分都要由学生自主完成。尽管该综合性实验有一定的难度，但是在完成之后，学生的实验设计能力、独立思考能力、发现问题并解决问题的能力都有了很大的提升，学生对于仪器的原理和操作以及分析方法本身涉及的理论和实践知识，都有了更高层面的理解与掌握。

以下是几个项目式综合性实验的题目，以供参考。

1.基于光谱分析的化学品鉴别实验。该实验旨在通过光谱分析技术，鉴别不同化学品的成分和结构。所采用的光谱分析法包含紫外—可见吸收光谱法、红外吸收光谱法等，样品包括固体或者液体样品。

2.基于质谱分析的生物分子检测实验。该实验旨在通过质谱分析技术，检测不同生物分子的成分和结构。

3.基于色谱分析的化学物质检测实验。该实验旨在通过气相色谱或者液相色谱技术，采用内标法或者外标法，完成不同物质的含量检测。供选择的综合性实验题目如：气相色谱内标法分析白酒中的杂质、液相色谱法分析复方阿司匹林片中的主要有效成分。

在具体的实验过程中，首先要求学生查阅文献和工具书（如《中华人民共和国药典》），自行设计全部实验流程，并编写出完整的实验方案，其中需要包含实验目的、实验原理、实验内容和方法、数据处理方法等。学生做了充足的准备，并购置了相应的试剂耗材之后，依据自行设计的实验方案进行操作。学生在实验过程中不可避免地会遇到方方面面的问题，如复杂样本的前处理方法选择不当、色谱条件无法实现复杂成分的分离等，但在教师的指导和自己的努力下，最终大部分实验都得以顺利完成。学生在按照标准的分析化学要求完成全套方法学的建立和验证工作，并完成了实际样品的分析检测和数据处理之后，其自行完成一个完整的项目带来的收获和喜悦是不言而喻的。因此，在条件许可的情况下，尽可能以综合性项目式实验的方式来完成现代仪器分析课程的研究生教学，对增强学生的实践能力和创新意识大有裨益。

（三）开设新课程和新实验

当前在现代仪器分析领域，新技术和新方法不断涌现，这些新技术新方法也应该在课程安排中有所体现。这就要求教师自身能够不断与时俱进，注意自身知识储备的不断扩容，保持专业先进性，同时激发学生的学习兴趣，加深学生对本专业发展方向的理解。笔者在哈尔滨工业大学深圳校区的帮助下，与相关的仪器设备制造企业、研究机构等开展合作、共享资源，使学生对先进的分析仪器有更为直观的感受和体验。笔者还组织学生在本校的材料、化学、生物等公共平台进行见习，使学生可以直接接触到扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱仪、高分辨质谱仪等大型仪器，增长了见识，并加深了对课程内容的理解和巩固。在人工智能技术蓬勃发展并已渗透到日常生活方方面面的背景下，笔者设计了以下课程内容的改革，以供参考。

1.人工智能在仪器分析中的应用。介绍人工智能（包括机器学习、深度学习、神经网络等技术）在仪器分析中的应用。

2.基于图像识别的化学品检测实验。该实验可以让学生通过图像识别技术检测化学品的成分和结构，提高化学品的检测效率和准确度。如笔者设计的“可视化阵列传感器的构建及其对环境中多种污染物的检测”实验。在该实验中，学生要利用不同的化学染料对于多种目标检测物质有响应且响应信号的强度具有一定差异性的特点，构建比色阵列传感器，并在采集了不同种类、不同浓度的标准物质的响应信号之后，进一步利用主成分分析等数据处理方式进行分析，最终给出实际样本中多种组分的浓度区间范围。而对于这些比色信号，除了可以直接采集对应的数据值（如灰度值、RGB值等），还可以通过某些色彩识别软件来提取响应信号，进一步计算出目标物质的含量。

3.基于数据挖掘的分析实验和人工智能辅助的仪器维护实验。目前这两项实验并未实际开设，而是通过原理讲解和示例演示的方式，让学生了解如何通过数据挖掘技术挖掘仪器分析所产生的大量数据，深入了解数据之间的关系和规律，同时让学生了解到如何通过人工智能技术对仪器进行维护和故障排除，提高仪器的稳定性和可靠性。

以上新的内容和实验的引入，可以让学生更好地了解和掌握现代仪器分析技术，从而适应人工智能时代的发展。

（四）融入思政元素

现代仪器分析课程作为一门技术性较强的课程，不仅要求学生掌握专业技能，还要求学生有高尚的思想道德素质和社会责任感。因此，在现代仪器分析课程中融入思政元素，一方面可以在密集的自然科学知识讲授过程中将其作为课程内容的调节，另一方面可以激发学生对于课程学习的主动性和学习动力，使他们对专业产生强烈的自豪感，从而提高学生的综合素质，为其未来的职业生涯和社会发展做出积极贡献[7-8]。

1.引导学生树立正确的人生观和价值观。让学生了解仪器分析在实际工作中的应用情况，通过实验操作感受知识的实用性，从而认识到自己所学的知识对社会的贡献和价值；简要介绍仪器分析技术的发展历程和现状，引导学生了解科技创新的重要性；注重强调专业知识对社会的影响和责任，培养学生的社会责任感和使命感。

2.强化学生的法律意识和职业道德。首先，让学生了解在仪器分析工作中需要遵守的行为规范，如《中华人民共和国实验室质量管理规范》等，强化学生的法律意识。其次，让学生了解仪器分析工作的重要性和影响，从而树立诚信、责任、敬业等职业道德观念。最后，在教学中要强调仪器分析的标准化操作和数据处理，培养学生严谨的科学态度和职业操守，增强学生的自律性和责任感。

3.引导学生关注国家和社会发展。在教学过程中，给学生介绍我国在先进仪器设计和制造方面尚存在的不足，相当多的“卡脖子”关键技术受到西方发达国家的封锁和打压，这在激发学生的学习主动性、培养学生为祖国的繁荣富强而加油努力的爱国主义情怀方面有着十分积极的作用。另外，可让学生了解科技创新对国家和社会的贡献，例如在教学中讲解现代仪器分析技术在环境保护和食品安全等领域的应用，引导学生关注社会热点问题，培养学生的社会责任感和创新意识。

4.加强学生的团队合作精神和领导能力。现代仪器分析课程可以培养学生的团队合作精神和领导能力。例如，在项目式教学中，引导学生通过小组协作模式开展实验设计和数据处理，培养学生的团队协作和领导能力，提高学生的综合素质。

三、教学方法的改革

传统的教学方法注重“传道授业”，缺乏互动性和探究性。學生在教学中只是接受知识，而不能很好地将理论知识与实践操作相结合，缺乏对实验操作的深入理解[9]。教学方法的改革应该以探究式教学为主线，注重实践教学、学生参与和问题解决[10]。教师要引导学生在课堂上积极参与，帮助学生理解和掌握实验操作的精髓。在探究式教学中，教师应该扮演的角色是学生成长的导师，不断引导学生思考和实践，开发学生的智慧和创造能力。

在理论和实验教学中，都要贯彻探究式教学方法。具体来说，在讲述重要仪器的工作原理时，教师并非单方面地讲解输出，而是在学生已有的化学、光学、物理等理论知识的基础上，做好知识点的衍生、知识面的扩展以及理论知识在仪器层面的具体体现和应用。注重强调学生自学和互助学习的重要性，引导学生将知识进行贯穿和串联，要求学生在课下做好总结和归纳，并深层次理解不同仪器背后原理的共通性和差异点。而在实验教学中，在每一次的实验项目开展之前，教师都会提出若干问题要求学生回答，一方面考查学生是否主动进行了预习，另一方面也引导学生对实验的顶层设计和目标有明确的认识和深层次的理解。另外，应鼓励学生多提问题，通过学生自主思考、同学间讨论和教师指导的方式，对问题进行积极的探究和解决。

四、评价体系的改革

评价体系应该以品德素质、知识技能和能力水平为主线，采用多元化方式，既注意基础知识的掌握，也注意实际应用能力和操作技能的综合考查[11]。在现代仪器分析这门课程中，测试和考试依然是评价的主要方式。为了对学生的能力和知识技能水平进行全面评估和反馈，达到以考促学的目的，在重要的章节结束之后，应当安排及时的测试，题目以开放式的实验设计为主，力求覆盖所学知识的核心要点，锻炼学生灵活应用知识的能力。在实验教学中，考评成绩包含课前预习、课中问答、实验操作、数据记录和处理、实验报告等多方面的内容。在最后的期末考试中，也有相当一部分的以综合性问题为导向的题目，以促进学生更好地掌握和理解理论知识和实践技能。

五、结语

现代仪器分析课程的教学改革需要紧跟时代的需求和前沿技术的变化，通过科学合理的教学思想、教学内容、教学方法和评价体系的改革，全面提高化学化工专业学生的实践操作能力、解决问题的能力和综合素质水平，使其能够符合新时代高等化学教育人才培养的标准，为当前社会和经济发展做出贡献。

［参考文献］

[1］吕燕. 新形势下研究生现代仪器分析实验课程改革[J]. 大学化学， 2022，37（4）：15-19.

[2］李春哲. 浅谈现代仪器分析的发展趋势和前景[J]. 石化技术，2017，24（12）：280.

[3］马达，朱勇，张宇，等. 新工科背景下《现代仪器分析》课程教学改革与实践：以暨南大学为例[J]. 包装工程， 2021，42（S1）：202-205.

[4］王广利，张强斌，师生宝，等. 仪器分析课程教学实践与改革[J]. 大学教育， 2019（2）：74-76.

[5］李维杰，刘宝林，王欣. “探究—参与式”教学模式在现代仪器分析教学中的应用[J].教育现代化， 2016，3（36）：169-170.

[6］姚军.《现代仪器分析》教学创新体系在研究生教学中的研究与实践[J]. 广州化工， 2022，50（12）：216-218.

[7］李辰，熊壮，徐学涛. 课程思政融入本科院校专业课的思考与实践：以“现代仪器分析”课程为例[J].教育教学论坛， 2023（4）：40-44.

[8] 葛涛，范君. “现代仪器分析技术”课程思政的探索与实践[J]. 广州化工， 2022，50（15）：198-199.

[9] 郭群群，杜桂彩，隋晓，等.“现代仪器分析”课程多元组合线上教学方式探究[J]. 工业和信息化教育， 2022（6）：69-72.