李迎春　楊嬌

［摘 要］現(xiàn)代儀器分析是化學(xué)化工專業(yè)的一門重要課程，具有重要的實踐性和應(yīng)用性。通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握各種現(xiàn)代儀器的原理、特點和操作技能，為日后從事化學(xué)研究和實驗工作打下堅實的基礎(chǔ)。隨著化學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，對現(xiàn)代儀器分析課程進行與時俱進的教學(xué)改革十分必要。文章通過對該門課程的教學(xué)思想、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、評價體系等方面進行分析和研究，結(jié)合實際教學(xué)工作中的經(jīng)驗和體會，提出了一系列教學(xué)改革的建議，旨在推動現(xiàn)代儀器分析課程教學(xué)質(zhì)量和水平的提高。

［關(guān)鍵詞］化學(xué)化工專業(yè)；人才培養(yǎng)；現(xiàn)代儀器分析；實驗課程；教學(xué)改革

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）20-0026-04

現(xiàn)代儀器分析課程是化學(xué)及相關(guān)學(xué)科重要的理論和實驗課程之一，也是化學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)實驗和儀器操作的重要途徑。其教學(xué)目標包括：使學(xué)生掌握儀器分析的基本概念和專業(yè)知識；提升學(xué)生使用各種儀器進行定量和定性分析的能力；使學(xué)生掌握常用的儀器操作技能，并具備儀器故障排除和維修的基本能力；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的實踐能力。

隨著化學(xué)專業(yè)的發(fā)展和社會對化學(xué)人才需求的不斷增加，現(xiàn)代儀器分析課程的教學(xué)改革顯得日益重要[1]。教學(xué)改革的目的是不斷適應(yīng)社會的發(fā)展和學(xué)生的需求，切實提高教學(xué)質(zhì)量和水平[2]。針對現(xiàn)代儀器分析課程的實際情況和存在的問題，本文從教學(xué)思想、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、評價體系四個方面來闡述現(xiàn)代儀器分析課程的教學(xué)改革，并結(jié)合筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗和體會，提出具體的建議。

一、教學(xué)思想的改革

針對當前教學(xué)中的一些問題，教學(xué)思想應(yīng)該更加注重實際，突出實踐教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從實踐中理解和掌握知識[3]?，F(xiàn)代儀器分析課程以往的教學(xué)重點大多是理論知識，忽略了實踐能力的培養(yǎng)，而其教學(xué)目標應(yīng)是培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力、從事化學(xué)研究和實驗工作所需要的基本知識和技能[4]，同時培養(yǎng)學(xué)生的靈活思維能力、創(chuàng)新意識、團隊合作精神、責(zé)任心和職業(yè)道德等綜合素質(zhì)。因此，應(yīng)采取一種能夠?qū)⒗碚撝R和實踐操作相結(jié)合的教學(xué)方法，并將實踐教學(xué)作為教學(xué)的主線，使學(xué)生在教學(xué)中不僅能掌握理論知識，還能靈活運用儀器進行實驗操作[5]。同時，應(yīng)注重把最新科研成果和前沿技術(shù)融入課程，鼓勵學(xué)生關(guān)注熱點問題和發(fā)展方向。

二、教學(xué)內(nèi)容的改革

現(xiàn)代儀器分析課程的教學(xué)內(nèi)容包括儀器基本原理和分類；常用儀器操作技能的培訓(xùn)；分析方法及其操作步驟、實驗操作中應(yīng)注意的問題和常見儀器故障排除及維修，其中光譜儀器（吸收光譜、發(fā)射光譜、散射光譜等）、色譜儀器、電化學(xué)儀器、傳感器等多種儀器的原理、核心組件及其應(yīng)用是重點。課程主要的教學(xué)形式有理論教學(xué)、實驗室現(xiàn)場教學(xué)、案例分析和論文研讀等。針對培養(yǎng)高水平化學(xué)化工專業(yè)研究生這一目標，教學(xué)內(nèi)容總體更應(yīng)該以創(chuàng)新為主線，突出科學(xué)性和實用性[6]。教師在教學(xué)中，不僅要注重教學(xué)內(nèi)容的豐富性和多樣性，也要重視動手實踐能力的培養(yǎng)。教學(xué)內(nèi)容的改革包括加強學(xué)生對新技術(shù)、新儀器的概念和應(yīng)用以及儀器原理的深入理解，幫助學(xué)生掌握儀器操作的實質(zhì)，為實踐操作提供更好的理論基礎(chǔ)。在實驗教學(xué)中，通過引導(dǎo)學(xué)生獨立思考和自主操作，培養(yǎng)學(xué)生追求真理、創(chuàng)新思維和解決問題的能力。筆者在具體教學(xué)實踐過程中，有以下幾方面的體會。

（一）增加實驗設(shè)計環(huán)節(jié)

學(xué)生應(yīng)該將實驗操作與實驗設(shè)計相結(jié)合，既要注重實驗操作的技術(shù)性，也要注重實驗設(shè)計的科學(xué)性和可行性，通過實驗設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力和實際操作能力。在具體的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生從當前社會相關(guān)的實際問題出發(fā)，采用所學(xué)的理論和實驗知識，選取合適的儀器分析工具，解決相應(yīng)的問題。譬如引入生物傳感器的內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻，針對病毒的抗原檢測和核酸檢測，分別設(shè)計不同的識別手段，并進一步設(shè)計電化學(xué)、熒光等不同的方法作為信號輸出的手段。在此過程中，學(xué)生對于已學(xué)知識的理解和應(yīng)用上了一個新臺階，同時使解決問題和獨立思考的能力都得到了很好的訓(xùn)練。

（二）探索綜合性實驗

對于不同的學(xué)生，實驗難度應(yīng)有梯度，以鍛煉學(xué)生的操作和思考能力。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)后期，可以安排綜合性實驗內(nèi)容，即引入項目式教學(xué)。在現(xiàn)代儀器分析的項目式實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，只給學(xué)生提出大致的實驗方向和題目，以及規(guī)定需要涉及的儀器，而具體的實驗方法、實驗操作、數(shù)據(jù)分析處理和結(jié)果討論等部分都要由學(xué)生自主完成。盡管該綜合性實驗有一定的難度，但是在完成之后，學(xué)生的實驗設(shè)計能力、獨立思考能力、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力都有了很大的提升，學(xué)生對于儀器的原理和操作以及分析方法本身涉及的理論和實踐知識，都有了更高層面的理解與掌握。

以下是幾個項目式綜合性實驗的題目，以供參考。

1.基于光譜分析的化學(xué)品鑒別實驗。該實驗旨在通過光譜分析技術(shù)，鑒別不同化學(xué)品的成分和結(jié)構(gòu)。所采用的光譜分析法包含紫外—可見吸收光譜法、紅外吸收光譜法等，樣品包括固體或者液體樣品。

2.基于質(zhì)譜分析的生物分子檢測實驗。該實驗旨在通過質(zhì)譜分析技術(shù)，檢測不同生物分子的成分和結(jié)構(gòu)。

3.基于色譜分析的化學(xué)物質(zhì)檢測實驗。該實驗旨在通過氣相色譜或者液相色譜技術(shù)，采用內(nèi)標法或者外標法，完成不同物質(zhì)的含量檢測。供選擇的綜合性實驗題目如：氣相色譜內(nèi)標法分析白酒中的雜質(zhì)、液相色譜法分析復(fù)方阿司匹林片中的主要有效成分。

在具體的實驗過程中，首先要求學(xué)生查閱文獻和工具書（如《中華人民共和國藥典》），自行設(shè)計全部實驗流程，并編寫出完整的實驗方案，其中需要包含實驗?zāi)康摹嶒炘?、實驗?nèi)容和方法、數(shù)據(jù)處理方法等。學(xué)生做了充足的準備，并購置了相應(yīng)的試劑耗材之后，依據(jù)自行設(shè)計的實驗方案進行操作。學(xué)生在實驗過程中不可避免地會遇到方方面面的問題，如復(fù)雜樣本的前處理方法選擇不當、色譜條件無法實現(xiàn)復(fù)雜成分的分離等，但在教師的指導(dǎo)和自己的努力下，最終大部分實驗都得以順利完成。學(xué)生在按照標準的分析化學(xué)要求完成全套方法學(xué)的建立和驗證工作，并完成了實際樣品的分析檢測和數(shù)據(jù)處理之后，其自行完成一個完整的項目帶來的收獲和喜悅是不言而喻的。因此，在條件許可的情況下，盡可能以綜合性項目式實驗的方式來完成現(xiàn)代儀器分析課程的研究生教學(xué)，對增強學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識大有裨益。

（三）開設(shè)新課程和新實驗

當前在現(xiàn)代儀器分析領(lǐng)域，新技術(shù)和新方法不斷涌現(xiàn)，這些新技術(shù)新方法也應(yīng)該在課程安排中有所體現(xiàn)。這就要求教師自身能夠不斷與時俱進，注意自身知識儲備的不斷擴容，保持專業(yè)先進性，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對本專業(yè)發(fā)展方向的理解。筆者在哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)的幫助下，與相關(guān)的儀器設(shè)備制造企業(yè)、研究機構(gòu)等開展合作、共享資源，使學(xué)生對先進的分析儀器有更為直觀的感受和體驗。筆者還組織學(xué)生在本校的材料、化學(xué)、生物等公共平臺進行見習(xí)，使學(xué)生可以直接接觸到掃描電鏡、透射電鏡、拉曼光譜儀、高分辨質(zhì)譜儀等大型儀器，增長了見識，并加深了對課程內(nèi)容的理解和鞏固。在人工智能技術(shù)蓬勃發(fā)展并已滲透到日常生活方方面面的背景下，筆者設(shè)計了以下課程內(nèi)容的改革，以供參考。

1.人工智能在儀器分析中的應(yīng)用。介紹人工智能（包括機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)）在儀器分析中的應(yīng)用。

2.基于圖像識別的化學(xué)品檢測實驗。該實驗可以讓學(xué)生通過圖像識別技術(shù)檢測化學(xué)品的成分和結(jié)構(gòu)，提高化學(xué)品的檢測效率和準確度。如筆者設(shè)計的“可視化陣列傳感器的構(gòu)建及其對環(huán)境中多種污染物的檢測”實驗。在該實驗中，學(xué)生要利用不同的化學(xué)染料對于多種目標檢測物質(zhì)有響應(yīng)且響應(yīng)信號的強度具有一定差異性的特點，構(gòu)建比色陣列傳感器，并在采集了不同種類、不同濃度的標準物質(zhì)的響應(yīng)信號之后，進一步利用主成分分析等數(shù)據(jù)處理方式進行分析，最終給出實際樣本中多種組分的濃度區(qū)間范圍。而對于這些比色信號，除了可以直接采集對應(yīng)的數(shù)據(jù)值（如灰度值、RGB值等），還可以通過某些色彩識別軟件來提取響應(yīng)信號，進一步計算出目標物質(zhì)的含量。

3.基于數(shù)據(jù)挖掘的分析實驗和人工智能輔助的儀器維護實驗。目前這兩項實驗并未實際開設(shè)，而是通過原理講解和示例演示的方式，讓學(xué)生了解如何通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)挖掘儀器分析所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，深入了解數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和規(guī)律，同時讓學(xué)生了解到如何通過人工智能技術(shù)對儀器進行維護和故障排除，提高儀器的穩(wěn)定性和可靠性。

以上新的內(nèi)容和實驗的引入，可以讓學(xué)生更好地了解和掌握現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，從而適應(yīng)人工智能時代的發(fā)展。

（四）融入思政元素

現(xiàn)代儀器分析課程作為一門技術(shù)性較強的課程，不僅要求學(xué)生掌握專業(yè)技能，還要求學(xué)生有高尚的思想道德素質(zhì)和社會責(zé)任感。因此，在現(xiàn)代儀器分析課程中融入思政元素，一方面可以在密集的自然科學(xué)知識講授過程中將其作為課程內(nèi)容的調(diào)節(jié)，另一方面可以激發(fā)學(xué)生對于課程學(xué)習(xí)的主動性和學(xué)習(xí)動力，使他們對專業(yè)產(chǎn)生強烈的自豪感，從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，為其未來的職業(yè)生涯和社會發(fā)展做出積極貢獻[7-8]。

1.引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀和價值觀。讓學(xué)生了解儀器分析在實際工作中的應(yīng)用情況，通過實驗操作感受知識的實用性，從而認識到自己所學(xué)的知識對社會的貢獻和價值；簡要介紹儀器分析技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，引導(dǎo)學(xué)生了解科技創(chuàng)新的重要性；注重強調(diào)專業(yè)知識對社會的影響和責(zé)任，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和使命感。

2.強化學(xué)生的法律意識和職業(yè)道德。首先，讓學(xué)生了解在儀器分析工作中需要遵守的行為規(guī)范，如《中華人民共和國實驗室質(zhì)量管理規(guī)范》等，強化學(xué)生的法律意識。其次，讓學(xué)生了解儀器分析工作的重要性和影響，從而樹立誠信、責(zé)任、敬業(yè)等職業(yè)道德觀念。最后，在教學(xué)中要強調(diào)儀器分析的標準化操作和數(shù)據(jù)處理，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和職業(yè)操守，增強學(xué)生的自律性和責(zé)任感。

3.引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注國家和社會發(fā)展。在教學(xué)過程中，給學(xué)生介紹我國在先進儀器設(shè)計和制造方面尚存在的不足，相當多的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)受到西方發(fā)達國家的封鎖和打壓，這在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、培養(yǎng)學(xué)生為祖國的繁榮富強而加油努力的愛國主義情懷方面有著十分積極的作用。另外，可讓學(xué)生了解科技創(chuàng)新對國家和社會的貢獻，例如在教學(xué)中講解現(xiàn)代儀器分析技術(shù)在環(huán)境保護和食品安全等領(lǐng)域的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會熱點問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和創(chuàng)新意識。

4.加強學(xué)生的團隊合作精神和領(lǐng)導(dǎo)能力?，F(xiàn)代儀器分析課程可以培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神和領(lǐng)導(dǎo)能力。例如，在項目式教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生通過小組協(xié)作模式開展實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作和領(lǐng)導(dǎo)能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

三、教學(xué)方法的改革

傳統(tǒng)的教學(xué)方法注重“傳道授業(yè)”，缺乏互動性和探究性。學(xué)生在教學(xué)中只是接受知識，而不能很好地將理論知識與實踐操作相結(jié)合，缺乏對實驗操作的深入理解[9]。教學(xué)方法的改革應(yīng)該以探究式教學(xué)為主線，注重實踐教學(xué)、學(xué)生參與和問題解決[10]。教師要引導(dǎo)學(xué)生在課堂上積極參與，幫助學(xué)生理解和掌握實驗操作的精髓。在探究式教學(xué)中，教師應(yīng)該扮演的角色是學(xué)生成長的導(dǎo)師，不斷引導(dǎo)學(xué)生思考和實踐，開發(fā)學(xué)生的智慧和創(chuàng)造能力。

在理論和實驗教學(xué)中，都要貫徹探究式教學(xué)方法。具體來說，在講述重要儀器的工作原理時，教師并非單方面地講解輸出，而是在學(xué)生已有的化學(xué)、光學(xué)、物理等理論知識的基礎(chǔ)上，做好知識點的衍生、知識面的擴展以及理論知識在儀器層面的具體體現(xiàn)和應(yīng)用。注重強調(diào)學(xué)生自學(xué)和互助學(xué)習(xí)的重要性，引導(dǎo)學(xué)生將知識進行貫穿和串聯(lián)，要求學(xué)生在課下做好總結(jié)和歸納，并深層次理解不同儀器背后原理的共通性和差異點。而在實驗教學(xué)中，在每一次的實驗項目開展之前，教師都會提出若干問題要求學(xué)生回答，一方面考查學(xué)生是否主動進行了預(yù)習(xí)，另一方面也引導(dǎo)學(xué)生對實驗的頂層設(shè)計和目標有明確的認識和深層次的理解。另外，應(yīng)鼓勵學(xué)生多提問題，通過學(xué)生自主思考、同學(xué)間討論和教師指導(dǎo)的方式，對問題進行積極的探究和解決。

四、評價體系的改革

評價體系應(yīng)該以品德素質(zhì)、知識技能和能力水平為主線，采用多元化方式，既注意基礎(chǔ)知識的掌握，也注意實際應(yīng)用能力和操作技能的綜合考查[11]。在現(xiàn)代儀器分析這門課程中，測試和考試依然是評價的主要方式。為了對學(xué)生的能力和知識技能水平進行全面評估和反饋，達到以考促學(xué)的目的，在重要的章節(jié)結(jié)束之后，應(yīng)當安排及時的測試，題目以開放式的實驗設(shè)計為主，力求覆蓋所學(xué)知識的核心要點，鍛煉學(xué)生靈活應(yīng)用知識的能力。在實驗教學(xué)中，考評成績包含課前預(yù)習(xí)、課中問答、實驗操作、數(shù)據(jù)記錄和處理、實驗報告等多方面的內(nèi)容。在最后的期末考試中，也有相當一部分的以綜合性問題為導(dǎo)向的題目，以促進學(xué)生更好地掌握和理解理論知識和實踐技能。

五、結(jié)語

現(xiàn)代儀器分析課程的教學(xué)改革需要緊跟時代的需求和前沿技術(shù)的變化，通過科學(xué)合理的教學(xué)思想、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和評價體系的改革，全面提高化學(xué)化工專業(yè)學(xué)生的實踐操作能力、解決問題的能力和綜合素質(zhì)水平，使其能夠符合新時代高等化學(xué)教育人才培養(yǎng)的標準，為當前社會和經(jīng)濟發(fā)展做出貢獻。

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［責(zé)任編輯：鐘 嵐］