彭學(xué)偉

【摘 要】針對(duì)高等院校儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀，提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革思路。通過仿真模擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等四種不同層次實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的實(shí)施，有力地保障了儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的效果。

【關(guān)鍵詞】儀器分析 實(shí)驗(yàn) 教學(xué)

儀器分析課程是化學(xué)專業(yè)指定的專業(yè)必修課，而儀器分析實(shí)驗(yàn)則是儀器分析課程不可或缺的一環(huán)， 其核心任務(wù)是通過對(duì)儀器設(shè)備的具體操作， 鞏固學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，并達(dá)到鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的目的。鑒于儀器分析在現(xiàn)代分析中占有舉足輕重的地位，當(dāng)前國內(nèi)高校對(duì)儀器分析理論課的教學(xué)普遍重視有加；相比而言，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)則顯得重視不足。據(jù)筆者調(diào)查，學(xué)生在結(jié)束本科學(xué)業(yè)之后踏上工作崗位或繼續(xù)深造時(shí)，很多同學(xué)不能正確使用一些基本的大型儀器如氣相色譜、液相色譜等。造成這一現(xiàn)象的原因與高校擴(kuò)招、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)緊張等客觀因素有關(guān)。鑒于此，身處教學(xué)一線的教學(xué)人員需要根據(jù)實(shí)際情況確定合理的實(shí)踐教學(xué)體系。本文簡(jiǎn)單地談一下我們?cè)趦x器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些措施與體會(huì)。

針對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)僧多粥少及儀器分析難學(xué)這一現(xiàn)實(shí)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)上設(shè)定四個(gè)層次，分別為仿真模擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。這四種類型的實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充，共同構(gòu)建儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1 仿真模擬實(shí)驗(yàn)

受場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)裝置以及課時(shí)和師資的限制，目前國內(nèi)高校開設(shè)的儀器分析實(shí)驗(yàn)課基本采用分組實(shí)驗(yàn)的形式，多數(shù)實(shí)驗(yàn)為演示性實(shí)驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)人獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的目的，從而造成學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)踐環(huán)節(jié)相脫節(jié)。引入仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，則在很大程度上解決了這一問題。首先，仿真實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了高等院校實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足的缺憾。大型實(shí)驗(yàn)儀器耗資大， 維護(hù)費(fèi)用高， 在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足的情況下， 學(xué)校所能開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)量受到限制。仿真實(shí)驗(yàn)只需要仿真軟件和一臺(tái)計(jì)算機(jī)就能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了因?qū)嶒?yàn)儀器及經(jīng)費(fèi)不足造成的缺憾。一些需要價(jià)格昂貴的儀器而無法開展的實(shí)驗(yàn)， 通過仿真就能夠容易實(shí)現(xiàn)。

其次，仿真實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展了學(xué)生的實(shí)踐空間和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。只要有仿真軟件和一臺(tái)計(jì)算機(jī)就能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)， 現(xiàn)在的大學(xué)生基本人人持有電腦，因此打破了時(shí)間和空間的限制。仿真實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)， 學(xué)生可以在不同的時(shí)間、地點(diǎn)和領(lǐng)域自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐證明，學(xué)生上機(jī)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)前所做的仿真實(shí)驗(yàn)，具有良好的預(yù)習(xí)效果。本校給化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生安排了仿真實(shí)驗(yàn)，而化學(xué)教育專業(yè)沒有安排仿真實(shí)驗(yàn)，針對(duì)這一情況，我們比較了兩專業(yè)同學(xué)的氣相色譜實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)化工專業(yè)的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)流程的掌握程度要比化學(xué)專業(yè)的學(xué)生熟練得多，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)明顯減少。

再次，仿真實(shí)驗(yàn)同實(shí)際實(shí)驗(yàn)相比增大了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容， 學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好， 選擇一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)較少涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如進(jìn)行氣相色譜仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)時(shí)，學(xué)生可以選擇四個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)（表1）進(jìn)行練習(xí)：實(shí)驗(yàn)Ⅰ采用的檢測(cè)器為熱導(dǎo)池檢測(cè)器（TCD），其使用簡(jiǎn)單，學(xué)生很快便可以完成實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)Ⅱ采用氫火焰檢測(cè)器（FID），由于需要用到多路氣體，而且不同氣體打開的次序有嚴(yán)格的規(guī)定，學(xué)生做此實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問題較多，例如沒有開氫氣和空氣點(diǎn)火或者沒有點(diǎn)火就進(jìn)樣品等。熱導(dǎo)池檢測(cè)器和氫火焰檢測(cè)器是氣相通用檢測(cè)器，相比而言，作為專屬檢測(cè)器的電子捕獲檢測(cè)器（ECD）和火焰光度檢測(cè)器（FPD）在教學(xué)氣相色譜中一般不配備，學(xué)生難以接觸到。實(shí)驗(yàn)Ⅲ和Ⅳ中采用的檢測(cè)器分別為電子捕獲檢測(cè)器和火焰光度檢測(cè)器，學(xué)生可以通過仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與這兩種檢測(cè)器相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐結(jié)果表明，通過不同實(shí)驗(yàn)、不同儀器設(shè)備的實(shí)踐練習(xí)，學(xué)生很好地鞏固了理論課所講授的內(nèi)容。

2 實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)

盡管仿真實(shí)驗(yàn)具有以上提到的諸多優(yōu)點(diǎn)，但是仿真實(shí)驗(yàn)畢竟是虛擬的，無法給學(xué)生真實(shí)感覺，因而也就無法替代實(shí)際上機(jī)操作。教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)即便是已經(jīng)做了仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，在利用實(shí)際儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，仍舊畏手畏腳。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是學(xué)生不了解這些昂貴的精密儀器的構(gòu)造與原理，怕操作不當(dāng)損壞儀器，因而產(chǎn)生畏懼心理。鑒于此，我們?cè)谶M(jìn)行正規(guī)上機(jī)實(shí)驗(yàn)之前，利用報(bào)廢的大型儀器作為學(xué)生學(xué)習(xí)儀器分析實(shí)驗(yàn)的第二課堂，通過展示儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使學(xué)生對(duì)精密儀器有一個(gè)直觀、初步的概念及認(rèn)識(shí)，達(dá)到鞏固基本理論知識(shí)、熟悉儀器結(jié)構(gòu)及微觀過程的目的。此外，學(xué)生可以通過廢置儀器進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作，待掌握必要的基本操作之后，再在正常的大型儀器上進(jìn)行試驗(yàn)。這樣，不僅可以令學(xué)生充分掌握試驗(yàn)技能，而且能夠減小試驗(yàn)成本。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)?zāi)M之后，學(xué)生較好地掌握了所用儀器的操作流程以及一些基本操作，對(duì)于大型儀器已不再感到神秘，畏懼心理基本消除。因此，實(shí)際上機(jī)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對(duì)于教師所講授的儀器構(gòu)造和原理能夠很快接受。此外，實(shí)驗(yàn)過程中基本操作的正確與否， 是否規(guī)范化， 是完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提條件。我們發(fā)現(xiàn)， 通過仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)?zāi)M，學(xué)生對(duì)于老師對(duì)儀器操作和實(shí)驗(yàn)步驟的講解、示范以及所指出的各種操作過程中的注意事項(xiàng)和常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范也能夠較好的領(lǐng)會(huì)，在教師的指導(dǎo)下，他們可以盡快地正確使用儀器。調(diào)查表明，通過實(shí)際上機(jī)操作，學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)有了更深的理解。

4 設(shè)計(jì)試驗(yàn)

儀器分析實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要課程， 通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能解決實(shí)際問題。學(xué)生通過大量的模擬實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)， 加深了該學(xué)科理論知識(shí)的理解和掌握， 獲得一定的綜合測(cè)試技能和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。但是?yàn)證性實(shí)驗(yàn)， 學(xué)生實(shí)踐的對(duì)象、方法以及步驟等關(guān)鍵要素都是預(yù)先指定的， 缺乏主動(dòng)性。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)， 只需按步操作就行， 在實(shí)驗(yàn)過程中基本無須思考， 更不需要?jiǎng)?chuàng)造性的探索， 這樣使得學(xué)生不能對(duì)儀器分析過程的復(fù)雜性有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)， 缺乏將知識(shí)內(nèi)化為能力的環(huán)節(jié)。而設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)， 是結(jié)合教學(xué)而進(jìn)行的一種探索性實(shí)驗(yàn)，其對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)， 全面規(guī)范的實(shí)驗(yàn)技能具有重要的意義。學(xué)生根據(jù)興趣選擇實(shí)驗(yàn)課題， 查閱有關(guān)文獻(xiàn)， 設(shè)計(jì)出完整的實(shí)驗(yàn)方案，在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)之后，初步掌握了科研的一般步驟，同時(shí)培養(yǎng)和提高了分析綜合能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)處理能力及查閱文獻(xiàn)資料的能力。

實(shí)踐教學(xué)表明，仿真模擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)共同構(gòu)建的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是一個(gè)較完善的實(shí)驗(yàn)體系。通過以上四個(gè)層次實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)于儀器分析實(shí)驗(yàn)的掌握，尤其是儀器的基本操作掌握得比較到位。此外，四種層次的實(shí)驗(yàn)環(huán)環(huán)相扣、循序漸進(jìn)、相互補(bǔ)充，不僅有力地保障了儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，更為重要的是加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的針對(duì)性、互動(dòng)性和實(shí)效性，將“接受知識(shí)”和“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”有機(jī)地結(jié)合起來，改“單向式”為“雙向式”，引導(dǎo)學(xué)生由“學(xué)會(huì)”過渡到“會(huì)學(xué)”和“會(huì)用”，更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，注重培養(yǎng)學(xué)生綜合能力及創(chuàng)新素質(zhì)的提高。

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