范慧俐 李建強(qiáng) 劉杰民 弓愛君 魯毅強(qiáng)

(北京科技大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程系 北京 100083)

儀器分析是分析化學(xué)的重要組成部分。隨著物理學(xué)和精密儀器加工技術(shù)的發(fā)展，分析儀器的種類越來越多，功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用范圍越來越廣，涉及到的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識面越來越寬且越來越深。因此，儀器分析課程的教學(xué)面臨著如何在有限的時(shí)間內(nèi)，廣泛和深入地向?qū)W生介紹分析儀器的原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和使用方法的問題[1-3]。同時(shí)，培養(yǎng)高素質(zhì)研究型人才還面臨著如何使學(xué)生通過這門課的學(xué)習(xí)，在今后的實(shí)際工作和研究中能夠正確選擇、合理使用各種分析儀器和組織分析測試。針對不同種類的分析儀器在理論上各成體系，且目前廣泛應(yīng)用的分析儀器種類多、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，我們在師資隊(duì)伍建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容選擇、課堂教學(xué)組織和實(shí)驗(yàn)課設(shè)置方面進(jìn)行了研究型教學(xué)探索。

1 針對研究型教學(xué)要求配備任課教師

分析儀器種類多，不同儀器分別適用于不同的分析目的。而各種分析儀器涉及的理論知識體系不同，每種分析方法都有自己的特點(diǎn)，每種分析儀器的使用都有特定的規(guī)律，把握這些規(guī)律需要長期的實(shí)踐積累。鑒于此，在師資配備上，我們對每一種儀器分析方法都選派了有豐富理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師任課。例如，原子發(fā)射光譜由有20多年教齡、長期從事原子發(fā)射光譜理論和實(shí)踐研究的教師任教；原子吸收光譜由一位從事原子吸收光譜測試和研究多年的教師任教；電化學(xué)分析由一位研究生論文就是關(guān)于電化學(xué)分析工作，且教學(xué)效果突出的教師任教；氣相色譜和高效液相色譜分別由兩位長期從事色譜實(shí)踐的教師任課。在承擔(dān)儀器分析課程的教師中，有4人獲得課堂免檢榮譽(yù)，有3人獲得過畢業(yè)生“我愛我?guī)煟倚哪恐凶詈玫睦蠋煛睒s譽(yù)。所有任課教師都和世界高水平儀器制造公司(例如日本的島津公司、德國的耶拿公司、美國柏琴-埃爾默公司和安捷倫公司等)保持著密切聯(lián)系，積極參加儀器分析使用技術(shù)交流，跟蹤儀器分析發(fā)展前沿，以便掌握儀器分析發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)。高水平、強(qiáng)有力的師資配備為課程的研究型教學(xué)實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)，也是儀器分析課程能在有限的時(shí)間內(nèi)獲得最好的教學(xué)效果的保證。

2 以理論知識為實(shí)際應(yīng)用服務(wù)為宗旨

儀器分析是根據(jù)物質(zhì)特有的物理或化學(xué)性質(zhì)，利用物理學(xué)原理，通過精密儀器實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)的定性和定量分析的方法。其最終目的是實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)本質(zhì)的認(rèn)識和數(shù)量的測量[4]。由于其應(yīng)用性強(qiáng)，所以我們在進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容組織時(shí)更注重加強(qiáng)與實(shí)際應(yīng)用關(guān)系密切的內(nèi)容的權(quán)重。在介紹基本原理的基礎(chǔ)上，更注重關(guān)于各種儀器方法的應(yīng)用特點(diǎn)和最新使用成果方面的介紹和教學(xué)。例如，在氣相色譜分析學(xué)習(xí)中，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容主要介紹氣相色譜的分析對象是氣體和低沸點(diǎn)的體系。但考慮到在目前的環(huán)境分析中，一些大分子的污染物分析越來越受到重視，而氣相色譜具有靈敏度高、檢測器種類多的特點(diǎn)，在教學(xué)中我們引入了通過衍生化等方法使用氣相色譜分析高沸點(diǎn)化合物的相關(guān)內(nèi)容。此外，在氣相色譜分析儀器和操作參數(shù)的選擇學(xué)習(xí)中，不僅僅是介紹基本參數(shù)的選擇依據(jù)和方法，同時(shí)還引入了在眾多互相制約因素的情況下，如何選擇出合理參數(shù)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。在電化學(xué)分析學(xué)習(xí)中，直接電位法主要介紹單晶膜電極、多晶膜電極、液膜電極、氣敏電極和組織電極等幾類離子選擇電極，考慮到化學(xué)修飾電極和自組裝膜近年來的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，我們在教學(xué)中補(bǔ)充了化學(xué)修飾電極、納米電極和自組裝膜的原理介紹、制備方法和應(yīng)用實(shí)例。在原子吸收光譜教學(xué)工作中，許多儀器分析教材比較側(cè)重于簡單原理及應(yīng)用介紹等內(nèi)容，學(xué)生難以從理論上理解該方法的原理，這會(huì)使他們在面對實(shí)際問題時(shí)不能用理論指導(dǎo)實(shí)踐，很難全面考慮影響測定準(zhǔn)確度的各種因素，從而不能充分發(fā)揮該儀器方法的優(yōu)勢。在我們的課堂教學(xué)中，在學(xué)生理解原子吸收的峰值吸收理論后，以原子化器中的總原子濃度為判據(jù)，對原子化過程的各種影響因素進(jìn)行系統(tǒng)討論，使學(xué)生明白與原子化過程相關(guān)的各個(gè)因素，如液面與霧化器的高度差、溶液的密度、黏度、表面張力等都可以影響霧化效率和原子化效率，進(jìn)而影響總的原子濃度，即影響測定的準(zhǔn)確度。使學(xué)生明白要想獲得正確的分析結(jié)果，僅僅有一臺好的儀器是不夠的，更重要的是操作者要考慮各種影響因素并消除其影響。

3 以培養(yǎng)研究型人才為目標(biāo)實(shí)踐研究型教學(xué)方法

所謂研究型教學(xué)就是在教學(xué)過程中優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，采用適當(dāng)教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，運(yùn)用知識的能力和發(fā)現(xiàn)問題、研究問題及解決問題的能力。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，要求教師在進(jìn)行課堂教學(xué)時(shí)改變傳統(tǒng)的以講解介紹為主的授課模式，在教學(xué)中引入科學(xué)研究的要素，為培養(yǎng)研究型人才奠定基礎(chǔ)。針對科學(xué)研究中要求研究者具有很強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力這一特點(diǎn)，我們在教學(xué)中根據(jù)自己的科研或文獻(xiàn)實(shí)例，通過展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、提問題、小討論等方式啟發(fā)學(xué)生提出問題，并進(jìn)一步分析和解決問題。例如，在氣相色譜分析教學(xué)中，教師首先展示一個(gè)分析混合體系任務(wù)的初步分析結(jié)果，譜峰重疊嚴(yán)重，然后設(shè)定實(shí)現(xiàn)理想分離的最終目標(biāo)。根據(jù)這一具體問題，教師提出第一個(gè)問題：面對這樣的問題我們要做的工作是什么？當(dāng)學(xué)生明確了需要通過選擇合理的儀器和操作參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)理想分離之后，教師再提出第二個(gè)問題：如何選擇儀器和操作參數(shù)？然后啟發(fā)學(xué)生觀察色譜圖的特點(diǎn)，考察色譜峰重疊的形式。如果相鄰兩個(gè)峰的峰寬很大，則啟發(fā)學(xué)生從影響峰寬的因素入手，主要考慮調(diào)整會(huì)影響峰寬的參數(shù)；如果相鄰兩峰的保留值非常接近，則啟發(fā)學(xué)生從影響保留值的因素入手，主要考慮調(diào)整會(huì)影響保留值的參數(shù)。然后進(jìn)一步展示參數(shù)調(diào)整后的效果，直至達(dá)到理想狀態(tài)。又如在電化學(xué)分析的庫侖滴定教學(xué)中，先引導(dǎo)學(xué)生討論庫侖滴定和化學(xué)滴定在原理、滴定劑和指示終點(diǎn)等方面的區(qū)別，再選取具體實(shí)例，如水質(zhì)污染指標(biāo)之一的化學(xué)耗氧量(COD)測定，由學(xué)生利用這兩種方法自行設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，最后歸納總結(jié)出庫侖滴定的特點(diǎn)。

4 以檢驗(yàn)理論、強(qiáng)化研究型學(xué)習(xí)效果為目的設(shè)置實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容及組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)

儀器分析是人類了解自然世界和從事科學(xué)研究工作的重要手段，儀器分析課程的實(shí)踐性非常強(qiáng)[5]，所以在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置和實(shí)施方面，我們不僅安排了必要的測試和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，而且結(jié)合任課教師的最新科研成果，更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引入研究型實(shí)驗(yàn)。例如，劉杰民教授將室內(nèi)異味課題科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化為氣相色譜實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(室內(nèi)環(huán)境或食品中異味化合物鑒別及異味強(qiáng)度測定)，將氣相色譜的分離能力與人類鼻子敏感的嗅覺聯(lián)系在一起，鑒別特征異味化合物，從而確定異味化合物的異味強(qiáng)度和作用大小。實(shí)例是對空氣污染物以及水果制品、酒類、肉制品、乳制品、海產(chǎn)品中關(guān)鍵氣味化合物等的鑒定研究。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三點(diǎn)比較式臭袋法測定常見異味化合物閾值、空氣和食品采樣、氣相色譜-質(zhì)譜-嗅覺測定法測異味混合物的性質(zhì)和強(qiáng)度、界定主要異味物質(zhì)及其貢獻(xiàn)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這些工作開拓了學(xué)生視野，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果。此外，“ICP-AES測定鉍系超導(dǎo)前驅(qū)粉中的Bi、Pb、Sr、Ca、Cu”及“高效液相色譜法測定Bt生物農(nóng)藥中酪氨酸的含量”等實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容均為任課教師的科研成果。

在實(shí)驗(yàn)課的組織上，注重對學(xué)生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)，盡量避免照本宣科式的教學(xué)方法。如在氣相色譜實(shí)驗(yàn)中，不是將現(xiàn)成條件交給學(xué)生，讓學(xué)生照著實(shí)驗(yàn)講義完成進(jìn)樣，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是給學(xué)生一個(gè)混合樣品和基本條件，讓學(xué)生在已有條件的基礎(chǔ)上，自己根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行定性和定量分析，從而使學(xué)生對所學(xué)理論有更深刻的體會(huì)和理解。

這樣的實(shí)驗(yàn)課安排和實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織使教學(xué)模式由學(xué)生被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)思考，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

[1] 陳毅挺,林棋,張慶守.大學(xué)化學(xué),2011,26(3):11

[2] 白玲,李銘芳,廖曉寧,等.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(28):16057

[3] 龍小玲,蘇慶平,陳文,等.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2009,7(2):88

[4] 王瑞勇,季米娜,張璐,等.光譜實(shí)驗(yàn)室，2011,28(1):259

[5] 王琦,張思銳.大學(xué)化學(xué),2006,21(2):22