王廣利 張強斌 師生寶 王新偉 李美俊

[摘 要]儀器分析課程主要講授各類現(xiàn)代大型科學儀器的組成、結構、原理、方法和應用，理論性和實踐性強，教學內容既有廣度又有深度。在教學過程中，教師應充分吸收國內外先進的教學和科研成果，以各類儀器基本原理的教學為主線，通過理論與實驗相結合，不同教學方式互相配合，生動形象、深入淺出的闡述各類儀器的基本原理、組成與結構、定性和定量分析過程，培養(yǎng)學生運用基本原理來分析問題和解決問題的能力。

[關鍵詞]現(xiàn)代儀器分析;原理;實驗;教學方式;教學效果

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）02-0074-03

儀器分析（Instrumental analysis）是當今分析化學學科的核心，它在分子生物學、醫(yī)學、地質學、食品科學、環(huán)境科學、材料科學以及其他許多領域發(fā)揮著關鍵作用[1-3]。盡管并不需要使用儀器的所有人員都經過完美的訓練和擁有高超的分析技能，但使用者也不能簡單地將分析儀器當作黑匣子（black boxes）或無用數(shù)據(jù)的輸入輸出（garbage in， garbage out），這最終將導致大量實驗結果和數(shù)據(jù)的誤用、濫用[3]。儀器分析課程在高等學校有關專業(yè)中對培養(yǎng)學生分析、解決問題能力和創(chuàng)新精神、掌握現(xiàn)代的研究手段與方法有重要作用[4]。鑒于此，這門課程已日益受到重視[1]。本文作者在環(huán)境科學本科生現(xiàn)代儀器分析以及研究生相關課程教學和科研工作的基礎上，探索儀器分析課程的教學方法和教學改革，以學生為中心，提升學生運用基本原理和方法解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

一、以儀器基本原理的教學為主線

儀器分析是以物質的物理性質為基礎建立和發(fā)展起來的一類分析方法，主要運用科學儀器獲得物質的化學組成和結構信息[1-2]。因此，它是一門理論性和實踐性都很強的課程[5]。講好“理論”或“原理”，可以激發(fā)學生的理論興趣， 拓寬學生的理論視野， 活化學生的理論思維， 提升學生的理論境界[6-7]，從而使他們掌握教學內容的核心，指導后續(xù)內容的學習。

依據(jù)所測定物質物理性質的不同，儀器分析的具體方法可分為光學分析法、電化學分析法、熱分析法、色譜法和質譜法等。盡管在外觀、組成和性能上千差萬別，但現(xiàn)代分析儀器總體上都由激發(fā)源、樣品室、檢測器、信號處理器（放大器）和輸出設備（記錄儀、工作站或計算機）幾個部分構成。因此，在教學過程中我們緊緊抓住所測定物質的物理性質這個“牛鼻子”，以各類儀器的基本原理為主線，將其貫穿于各項內容的教學，每一章的教學均按照原理→構造→應用的內容進行教學設計。首先，“原理”是教學的重點和難點內容，常常涉及量子力學等研究微觀粒子運動規(guī)律的物理學內容，內容較為抽象，學生學習難度較大。因此，我們嘗試采用動畫和視頻等先進的多媒體技術進行講授，以幫助學生理解和掌握。其次，我們在講授儀器結構和構造時，將其與基本原理緊密聯(lián)系進行分析，讓學生不僅“知其然”而且要“知其所以然”。最后，讓學生運用實例講解譜圖解析和定性定量分析。光學分析法起源于人們對太陽光譜或自然光的觀測，是最古老也是目前應用最為廣泛的鑒定自然界物質的方法之一。以原子光譜法為例，19世紀初，Wollaston （1802）和Fraunhofer （1817）就分別發(fā)現(xiàn)太陽光譜中有暗線。此后，由Bunsen & Kirchhoff （1860）設計了最早的原子吸收試驗裝置。進入20世紀后，Woodson R.（1902） 利用原子吸收現(xiàn)象研究天體和星際間的化學組成。1955年，澳大利亞CSIRO化學家 Alan Walsh 在Spectrochimica Acta上發(fā)表“The Application of Atomic Absorption Spectra to Chemical Analysis”的著名論文，原子吸收光譜法（AAS），這一基于自由原子（蒸汽）對電磁波的吸收作用進行分析的方法開始得到迅速應用和發(fā)展。在學生對原子光譜法起源和發(fā)展沿革過程有了認識后，教師講授原子的能級躍遷與光譜的產生，并以鈉原子為例，分析其特征譜線的產生和黃色火焰的形成，引入共振線、電離線等概念，借助Boltzmann公式探討影響譜線強度的因素。此后，教師對組成原子光譜儀的各個部分進行講授。對于原子發(fā)射光譜儀（AES）而言，需要利用能量（電能、熱能或ICP）激發(fā)樣品，產生發(fā)射光譜，并設置攝譜儀進行采集信號，可同時對70多種元素進行定性分析;對于原子吸收光譜儀（AAS）來說，則是運用銳線光源，對原子化后的樣品濃度或含量進行測定。最后，教師指導學生對原子光譜法的定性定量應用進行學習，容易理解AAS只能進行定量分析，而且一次分析只能測定一種元素;而AES則主要是進行定性分析，且可同時測定多種元素。這樣的教學設計水到渠成、順理成章，有益于學生的理解和掌握。

再以質譜法為例稍作介紹。質譜（Mass Spectrometry， MS）分析法是將物質分子電離并按離子的質荷比進行分離和檢測的方法。既然如此，那么質譜儀一定包括兩個核心的組成部分，一個是將中性分子進行電離從而形成帶電離子的裝置（稱為離子源），另一個是將質荷比不同的離子進行分離的裝置（稱為質量分析器）。同時，離子化及其分離過程須在高真空條件下才能完成，空氣分子的存在將大大影響這一過程，因此離子源（10-3～10-5 Pa）和質量分析器（10-6 Pa）需要置于高真空系統(tǒng)中。根據(jù)所分析物質或樣品性質和組成的差異，可以選擇相應的離子源和質量分析器。如果分析對象是石油或油品，其組成復雜但熱穩(wěn)定性較高，可以選擇電子轟擊源（EI），它提供的能量較大，因此產生的分子碎片較多，可以提供豐富的結構信息。然而，如果分析對象是熱穩(wěn)定較差的蛋白質或多肽類有機大分子化合物，則應當選擇基質輔助激光解析電離（MALDI）或電噴霧電離（ESI）等能量較低的電離源。

總之，各類儀器原理應當作為整個教學過程的核心和主線，這有利于培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，避免“眉毛胡子一把抓”或者由于學習內容多而迷茫不得法，即“學而不思則罔”。

二、充分吸收國內外先進的教學科研成果

在備課和教學過程中，充分吸收和運用國內和國外優(yōu)秀教材的教學成果，并融入到教學過程中。教學內容深入淺出，有利于非化學類專業(yè)或物理、化學基礎相對薄弱學生的學習。

依據(jù)2016年新修訂的教學大綱和最新國家級規(guī)劃教材（朱明華主編，儀器分析，第4版），參閱國內其他優(yōu)秀教材和國外本科生（非化學類專業(yè)）經典教材Undergraduate Instrumental Analysis（7th Edition， 2014），認真準備教學日歷、教案、講稿和教學課件，準確說明每部分教學內容的教學目的、基本知識點、重難點和教學方法。考試評分標準合理，考試結果分析到位，考試資料保存完整。教師積極與學生交流，善于聽取學生的意見，及時解答學生提出的問題。教學內容充實，能反映學科前沿，基礎性強，突出反映學科基本思想、基本方法和基本應用的內容，理論聯(lián)系實際，引入適當?shù)膽脤嵗?，專業(yè)課與應用實際緊密結合。作業(yè)和考試中有較多綜合性、應用性和創(chuàng)新性的內容。教師在講授中能從現(xiàn)象、實際問題出發(fā)引出理論知識，介紹現(xiàn)代儀器的發(fā)展歷程、應用實例，以此來調動學生的學習興趣和培養(yǎng)學生探究知識、應用知識的自覺意識;在課堂內外能給學生留下較大的思考空間，啟發(fā)學生積極思考，有意識地訓練學生分析和解決問題的能力;積極將自己的科研心得和科研成果介紹給學生，激發(fā)學生的研究興趣。課堂氛圍活躍，學生積極思考和回答問題。

在教學過程中，注意引入和介紹現(xiàn)代分析儀器在一些國際科學前緣領域的應用進展，以提升學生對科學的興趣和學習的積極性、主動性。首先，歷年來的諾貝爾獎成果中，常常出現(xiàn)分析儀器的身影。這些獎項或者是直接對儀器研發(fā)的貢獻，或者在其成果中儀器分析發(fā)揮了關鍵作用。如1989年物理獎“離子阱技術的發(fā)明”，1991年“傅里葉變換核磁共振法和二維核磁共振技術的發(fā)明”，2002年的“電噴霧（ESI）電離方法進行生物大分子分析”“基質輔助激光解吸電離質譜（MALDI）方法進行生物大分子分析”“利用核磁共振技術測定溶液中生物大分子三維結構的方法”。其次，儀器分析在國際科學前緣領域發(fā)揮著重要作用。例如，在“好奇號”火星車上，裝有先進的原子光譜和紅外光譜組成的探測儀（覆蓋波長范圍240～850nm），可以實現(xiàn)對火星表面7m以上巖石和土壤樣品元素組成的快速分析鑒定;與此同時，“好奇號”上還裝有氣相色譜-質譜儀（GC-MS），通過對火星富鐵礦物中生物標志物（脂肪酸）的分析，表明火星上曾經有廣泛的微生物的活動。

三、理論與實驗和研討相結合

儀器分析課程的理論性和實踐性都很強，教學內容既有廣度又有深度。因此，理論與實驗相結合、重視實驗教學，對于儀器分析課程的教學不可或缺[8-10]。為此，在本科生課程中安排了“氣相色譜儀靈敏度、分離度的測定”“紫外吸收光譜分析的應用”“氣相色譜/質譜聯(lián)用觀摩實驗”和“原子吸收光譜定量分析實驗”等四個教學實驗，分別在“色譜法”“紫外光譜法”“質譜法”和“原子吸收光譜法”等章節(jié)后進行，以配合理論教學。教學實驗分組進行，教學和實驗老師認真仔細地指導，保證每一位學生動手操作和實驗，培養(yǎng)學生的實驗能力。學生學習的積極性較高，教學效果良好。此外，還專門開設了數(shù)據(jù)分析與處理方法課程，對學生進行系統(tǒng)的實驗技能和實驗方法的培養(yǎng)。

隨著素質教育、科技創(chuàng)新的廣泛開展和深入進行，研討式教學在開闊學生知識眼界、發(fā)揮學生學習主動性、激發(fā)學生探索創(chuàng)意等方面顯示出明顯的優(yōu)勢，逐步成為廣大教師追求的主要教學模式[11]。為了培養(yǎng)學生自主學習的能力，專門安排了研討課進行課堂討論，每位學生自選題目，開展文獻調研，進行5～10min的發(fā)言，內容涉及新技術、新方法、新應用等。這些新技術如“全二維氣相色譜-飛行時間質譜”“傅里葉變換離子回旋共振質譜”等新型質譜技術可以實現(xiàn)對復雜有機混合物的分析并應用于油源對比和油氣運移示蹤，“離子探針技術”可以對巖石礦物元素進行精確定性定量分析，“二元同位素測定技術”作為一種新地質溫度計有望得到迅速發(fā)展和應用，“紅外呼氣檢測儀”可以快速、準確地對酒駕后血液中乙醇濃度進行檢測。通過嘗試開展研討式教學方式，學生自主學習，互相提問、討論和啟發(fā)，探究現(xiàn)代科學儀器的原理和應用，課堂氣氛活躍，提升了學生學習的積極性和教學的效果。

四、不同教學方式互相配合

興趣是最好的老師，是推動學生提高學習效果最強的動力。對于教師教學與學生學習的關系，古人一貫強調教必有趣，以趣促學。因此，引人入勝的趣味教學在學習中必不可少，其也能明顯提升學生的學習效果[12]。儀器分析課程一方面理論性強，一些物理和化學原理抽象;另一方面實踐性強，但又不可能在有限的學時內對所有講授的儀器進行實驗和操作。因此在該課程中動畫、視頻、板書、習題和練習、多媒體等手段互相配合，并結合生產生活實際進行教學，就顯得十分重要和必要。

教學活動依據(jù)教學大綱，采用理論與實驗、課堂講授與學生討論的方式進行。課堂教學運用多媒體、板書等不同方式開展，多媒體圖文并茂。對于一些難以理解的物理化學原理采用動畫教學，如色譜的分離原理和過程、紅外光譜中多原子分子的振動方式等;對于譜圖解析和有機物結構推斷則運用板書進行推演，以便于學生分析和理解。課堂上經常通過提出問題或與日常生活相關的問題來引入所需要學習的專業(yè)內容，引導學生思考和分析問題。總之，在教學過程中，教師要努力建設思路開闊、氣氛活躍、深入淺出的課堂，探索以學生為中心的教學方式，從而大大提高學生學習的興趣和動力。同時教師也要嚴格執(zhí)行考勤制度與維護課堂紀律，使教學效果良好。

教師要采取不同方式答疑，課間、課后（每次半小時左右）及時解答學生在教學過程中產生的問題，并安排專門時間答疑。在每個章節(jié)之后，均安排一定數(shù)量的習題或作業(yè)，由學生完成，并進行討論。安排期中課內測驗和平時作業(yè)，以考查學生對所學內容的理解和掌握程度，鞏固教學內容，并訓練學生初步對物質結構和組成含量進行分析的能力。

五、結語

儀器分析是理工科學生重要的專業(yè)基礎課程之一，在基礎課程和專業(yè)課程學習中起到承上啟下的關鍵作用，不論對于學生繼續(xù)從事科學研究還是從事相關專業(yè)的應用性和實踐性工作均具有重要價值。它一方面以大學物理和大學化學課程內容為基礎，另一方面又對后續(xù)許多專業(yè)課程的學習來說不可或缺。在教學過程中，教師要充分吸收國內外先進的教學科研成果，運用動畫、視頻和多媒體等手段，以各類儀器的原理為主線，實驗和研討相結合，并貫穿于整個教學內容，注重培養(yǎng)學生運用基本原理來分析問題和解決問題的能力，提升學生的創(chuàng)新能力，從而達到更佳的教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：劉鳳華]