黃 毅， 馬 林， 陳紅英， 李良春， 鄭仁林

(西南科技大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院, 綿陽 621010)

伴隨技術(shù)的發(fā)展，科研創(chuàng)新中的儀器功能愈發(fā)強(qiáng)大，使得分析化學(xué)發(fā)生了深刻的變革。分析化學(xué)中的儀器分析，已成為生命、環(huán)境、材料、食品、醫(yī)藥以及航天科學(xué)等領(lǐng)域的重要研究工具。因此，在高等教育中，許多高校為了使培養(yǎng)的人才能從容面對新世紀(jì)科學(xué)技術(shù)快速進(jìn)步的挑戰(zhàn)，早已將儀器分析列為相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的基礎(chǔ)課程。

在生命科學(xué)領(lǐng)域，儀器分析對該學(xué)科的滲透更是愈發(fā)快速，冷凍電鏡技術(shù)[1]、單細(xì)胞測序[2]等新分析技術(shù)的更新使很多生命科學(xué)進(jìn)步由量變到質(zhì)變，其已成為推動該學(xué)科發(fā)展的重要動力。相關(guān)專業(yè)(生物工程、生物技術(shù)等)學(xué)生通過掌握常用分析儀器的基本原理和操作技術(shù)，再通過實踐訓(xùn)練，可顯著提高學(xué)生在未來研究或工作中樣品分析和解決問題的能力。由于儀器分析課程內(nèi)容廣，部分高校生命學(xué)院為了體現(xiàn)其與生命科學(xué)的結(jié)合，將課程更名為“生物儀器分析”。但是，從本課程組文獻(xiàn)調(diào)研和與同行的教學(xué)交流中發(fā)現(xiàn)，生物儀器分析課程在國內(nèi)的教學(xué)實踐依然存在教學(xué)內(nèi)容不突出，理論及實踐內(nèi)容和學(xué)科結(jié)合弱等諸多問題。我校通過對以上問題的反思，構(gòu)筑了一套課程改革方案，并用了兩年時間革新實踐，獲得了一定的優(yōu)化結(jié)果。

1 現(xiàn)狀和問題

1.1 理論和實踐教材匱乏

因儀器分析隸屬化學(xué)學(xué)科[3]，市面現(xiàn)有教材多為分析化學(xué)專業(yè)所用教材的移植和壓縮，雖內(nèi)容經(jīng)典，但未能充分體現(xiàn)與生命科學(xué)學(xué)科的銜接。唯一相關(guān)教材是2014年由化學(xué)工業(yè)出版社出版的《現(xiàn)代生物儀器分析》，該書介紹在生物科學(xué)中應(yīng)用的各種儀器分析方法，但內(nèi)容非常寬泛，重點不突出，案例介紹較少。此外，在實驗教材方面，只有生物化學(xué)儀器分析實驗，臨床生化儀器分析實驗等教材，而無任何統(tǒng)一的生物儀器分析實驗教材可供采用。

1.2 課時少且內(nèi)容繁雜

儀器分析涵蓋內(nèi)容豐富，包括光、色、波譜及電化學(xué)等多領(lǐng)域。分析方法多，種類雜，儀器和方法均更新快速，各章內(nèi)容又相對獨立，邏輯和連貫性不強(qiáng)。當(dāng)其作為一門單獨課程，在有限學(xué)時內(nèi)，學(xué)習(xí)難度會非常大。通常，生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)僅在一學(xué)期中開設(shè)該課程，如果授課教師不能根據(jù)應(yīng)用熱點和實踐條件做針對性的內(nèi)容選擇和精簡，教學(xué)內(nèi)容的繁雜會大幅降低教學(xué)效果。

1.3 實踐教學(xué)困難

作為一門實踐性很強(qiáng)的課程，實驗必須依托設(shè)備這一媒介開展。但該硬件條件受諸多因素影響，比如科研設(shè)備的專人使用，貴重設(shè)備的限制使用，舊設(shè)備的淘汰更換以及設(shè)備臺套數(shù)等客觀現(xiàn)實都將制約該課程的實踐教學(xué)。目前，部分學(xué)校該課程的實踐環(huán)節(jié)教學(xué)，仍多以大組演示和觀摩為主，鮮有小組學(xué)生直接操作。動手機(jī)會的匱乏造成學(xué)生即便理論考試成績再好，也無太多實際價值。

2 改革方案

任何有效改革的成功都需要考慮實際的環(huán)境現(xiàn)狀，本課程改革也遵循這一基本規(guī)律。首先，我們參考相關(guān)課程同行的做法，融合專業(yè)特色挑選教學(xué)內(nèi)容[4-5]，根據(jù)我校生物工程、生物技術(shù)專業(yè)的常規(guī)應(yīng)用點擬定教學(xué)范疇，摒棄不常用的教學(xué)章節(jié)；其次，調(diào)研現(xiàn)有學(xué)院可供該課程使用的設(shè)備并據(jù)此再次精選理論和實踐教學(xué)范圍。有以上基礎(chǔ)后，課題組再以“學(xué)以致用”為出發(fā)點，以實際生產(chǎn)和研究中的分析應(yīng)用為導(dǎo)向，擬定具體教學(xué)章節(jié)和實踐項目。

2.1 理論教學(xué)

2.1.1 模塊重構(gòu)

包括光、電、色、波譜分析等多個領(lǐng)域的儀器分析教學(xué)，其在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍較大，因此在有限的理論課學(xué)時下(理論教學(xué)32學(xué)時)選擇最適宜的教學(xué)內(nèi)容至關(guān)重要。由于生物儀器分析的研究對象多是生物體中的各類分子，包括蛋白質(zhì)、核酸、糖類等生物大分子，也涉及脂肪酸、維生素、氨基酸和一些有機(jī)小分子。因此，光譜分析(紫外可見分光光度法和紅外光譜法)、色譜分析(氣相色譜法、液相色譜法和平面色譜法)和電泳分析最常用。而生物樣品預(yù)制備主要介紹各種生物材料在分析前的通用處理方法(包括材料預(yù)處理，提萃取技術(shù)，固液分離，濃縮和干燥及樣品保存等)，是多數(shù)分析操作初始階段的相同工作，也是必講內(nèi)容。以上4大模塊同時在實踐環(huán)節(jié)設(shè)備滿足度上也最易達(dá)成，因此應(yīng)作為必講章節(jié)，不可省略。

另外，結(jié)合我校生物學(xué)專業(yè)特色——生物環(huán)境修復(fù)可選講原子吸收和發(fā)射光譜；專業(yè)特色——天然產(chǎn)物開發(fā)可選講核磁和質(zhì)譜分析。對于學(xué)有余力的同學(xué)，給予部分自學(xué)內(nèi)容供其自我提高。整體32學(xué)時的理論課學(xué)時分布如表1，這種教學(xué)模塊構(gòu)成相比一般的儀器分析課程去掉了部分章節(jié)(比如熒光分析、電化學(xué)分析等)，但卻和生命科學(xué)方向結(jié)合更緊密，反而顯得精簡和實用。以上這些章節(jié)的實踐在生命科學(xué)相關(guān)院系也最易實現(xiàn)，理論學(xué)習(xí)后即可實踐加強(qiáng)。此外，課題組還自編講義，授課前下發(fā)PDF版講義給學(xué)生，大幅降低了該課缺乏統(tǒng)一教材的影響。

表1 生物儀器分析課程理論教學(xué)模塊

2.1.2 教學(xué)方法

病蟲害防治是冬棗幼果期的一項重要管理內(nèi)容。病害主要防治炭疽病、斑點落葉病、銹病等，蟲害主要防治盲蝽蟓、紅蜘蛛、桃小食心蟲等。

1)講授的條理和重點。在課程教學(xué)時對每種儀器分析均按“基本原理→儀器結(jié)構(gòu)→定性與定量分析方法→應(yīng)用”為綱細(xì)致講解，以應(yīng)用案例提升學(xué)生興趣并串起內(nèi)容。如講授液相色譜章節(jié)時，首先列表介紹其在生命科學(xué)中的應(yīng)用，再細(xì)致講明踏板理論、速率理論及各種色譜參數(shù)等基本知識。最后將色譜峰定性，內(nèi)外標(biāo)定量方法作為重點內(nèi)容，以案例形式進(jìn)行講解，力求讓學(xué)生學(xué)一個方法，就知其基本原理，應(yīng)用面及如何使用。而一些固定相、流動相的種類及選擇優(yōu)化等高階內(nèi)容就以PDF文件形式留作閱讀資料，讓學(xué)有余力的學(xué)生在課后自學(xué)。

2)音視頻和實物教學(xué)。多媒體質(zhì)量的好壞是本課程理論教學(xué)水平提高的關(guān)鍵。PPT中要用圖片抓住學(xué)生注意力，視頻演示提升知識記憶度，再拿出實物展示，效果層層推進(jìn)。課程組教師常會帶上一些小設(shè)備或報廢儀器的拆件進(jìn)入理論課堂，面對實物講解原理、結(jié)構(gòu)、功能和操作方法。比如講解樣品預(yù)處理時帶入渦旋混合器，紫外可見分光光度法教學(xué)時帶入比色皿，紅外光譜法教學(xué)時帶入KBr壓片，色譜法教學(xué)時帶入商用TLC薄層板和拆開的廢舊液相色譜柱。理論課上這些小實物的帶入再結(jié)合圖片和音視頻的使用會大幅優(yōu)化教學(xué)效果。

3)問題引導(dǎo)教學(xué)。通常在講解技術(shù)原理時，內(nèi)容會比較深澀，學(xué)生難于理解。比如，在講授化學(xué)官能團(tuán)的吸收光譜時，學(xué)生并不能在頭腦中形成直觀認(rèn)識。這時可采用PBL問題引導(dǎo)式教學(xué)法[6]，首先和同學(xué)們討論顏色的形成機(jī)制——互補(bǔ)色原理(兩種色光以適當(dāng)比例混合得到白光，紅色與綠色互補(bǔ)，藍(lán)色與橙色互補(bǔ)，紫色與黃色互補(bǔ))[7]。當(dāng)太陽光(白光)照射到物體上時，若物體吸取了波長為400～435 nm的紫光，則物體呈現(xiàn)黃綠色。因此對于吸收波長在300～400 nm處的黃酮類物質(zhì)自然就顯示出淡黃色。通過這種問題引導(dǎo)方式教學(xué)，很快學(xué)生就能理解分子化學(xué)結(jié)構(gòu)和吸收光譜波長間的對應(yīng)關(guān)系，從而通過化學(xué)結(jié)構(gòu)基本能預(yù)判最大吸收波長，快速掌握色譜和光譜分析中波長掃描的條件預(yù)設(shè)范圍。

4)“熱點案例”強(qiáng)調(diào)應(yīng)用點。儀器分析在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用很廣，在新聞中隨時都有最新案例可供引用。利用這種熱點案例引出章節(jié)，對學(xué)生的注意力吸引度很大。比如2008年奶制品三聚氰胺事件，可引出液相色譜法章節(jié)；2012年醫(yī)藥行業(yè)毒膠囊事件，可引出原子吸收發(fā)射光譜法章節(jié)；2012年白酒塑化劑事件可引出氣相色譜法章節(jié)等。熱點案例和平時生活息息相關(guān)，學(xué)生關(guān)注度很高，帶著問題的學(xué)習(xí)使得學(xué)生積極性大為提高，同時也迅速掌握了一種分析方法的應(yīng)用點。部分同學(xué)課后還因興趣會跟蹤查閱新聞和文獻(xiàn)，提高了專業(yè)素養(yǎng)。

5)自學(xué)模塊推進(jìn)學(xué)習(xí)新技術(shù)。由于課程學(xué)時有限而生物儀器分析本身發(fā)展非常迅速，因此對于新分析技術(shù)，教學(xué)組采用推薦PDF閱讀材料的形式讓學(xué)生自學(xué)了解，這樣既能在課上重點掌握常用分析方法，學(xué)有余力或有更大專業(yè)興趣的同學(xué)還能在課后大幅拓寬知識面。

2.2 實踐教學(xué)

實踐教育對儀器分析類課程非常重要，其是理論課的驗證和重要衍生，因為動手中學(xué)習(xí)所得會遠(yuǎn)大于理論學(xué)習(xí)[8]。不過，實踐教育通常投入較大，客觀外在條件會限制該模塊的良好實施。因此，結(jié)合自身硬件情況合理安排該模塊是每個學(xué)院必須面對的問題。本課題組根據(jù)現(xiàn)有實際條件采用3個層次完成16學(xué)時實踐教學(xué)安排(表2)。

表2 生物儀器分析課程實踐教學(xué)模塊

2.2.1 基本實驗

基本實驗即學(xué)生能分組操作的實驗項目。課題組首先自編講義，結(jié)合理論課內(nèi)容和現(xiàn)有硬件條件，優(yōu)選實用性實驗項目。比如測定我校后勤集團(tuán)生產(chǎn)的“清源”牌飲用水中的鉀和鈉的含量(火焰原子吸收光度法)，測定我校所處川西北地區(qū)道地藥材天麻中天麻素的含量(液相色譜方法)，測定我院食品專業(yè)學(xué)生化工原理實驗制得的奶粉主要營養(yǎng)成分(紅外光譜法)等，這些實驗項目的開設(shè)緊密結(jié)合實踐生產(chǎn)需求，學(xué)生感覺學(xué)有所用，學(xué)有所得。

2.2.2 仿真實驗

由于儀器分析設(shè)備種類太多，不可能有時間和資源對學(xué)生進(jìn)行全面教學(xué)，這時就需要仿真教學(xué)來彌補(bǔ)以上問題了。例如通過仿真教程模擬液相色譜分析過程，通過調(diào)整流動相的流速和種類，可以得到不同的出峰時間和峰型。這樣，學(xué)生既可以了解如何進(jìn)行儀器設(shè)備的調(diào)試和操作，加深對色譜理論中塔板、速率理論的理解，又可大大降低實驗的成本。同時，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和鍛煉學(xué)生的科研能力。目前市售收費仿真軟件較多，但價格不菲，課題組在經(jīng)費有限的情況下，通過一些收費軟件并結(jié)合部分免費仿真平臺的使用，比如Virtual Labs網(wǎng)站(http://vlab.co.in/index.php)，彌補(bǔ)了學(xué)生對儀器分析實踐知識點的擴(kuò)充。

2.2.3 參觀

除仿真實驗外，課題組組織學(xué)生到本校分析測試中心或市級食藥質(zhì)檢部門進(jìn)行短暫參觀學(xué)習(xí)。在這些部門技術(shù)人員的講解下，學(xué)生可增加多種新設(shè)備的感性認(rèn)識，了解最新前沿設(shè)備和應(yīng)用，豐富學(xué)生的知識體系。

2.3 考核

教學(xué)效果需要合理的考核方式來評價，課題組在考核上也做了一定的革新。本課程涵蓋實驗，評價采用結(jié)構(gòu)評分方式，期末考試成績占45%，自學(xué)部分提交的自學(xué)筆記占5%(可監(jiān)督學(xué)生完成自學(xué)內(nèi)容)；實踐部分實驗操作現(xiàn)場評分占30%，實驗報告占20%。

教學(xué)的目的在于引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，而考核在于控制學(xué)生掌握重要知識點。因此期末考試內(nèi)容主線非常明確，重點考查學(xué)生對基本概念、基本原理和方法的認(rèn)識。同時，還強(qiáng)調(diào)對分析基本要素的理解，比如精密度、靈敏度、線性范圍、檢出限、選擇性和準(zhǔn)確度等。除以上基礎(chǔ)測試外，設(shè)置約10%的綜合應(yīng)用題，以理論聯(lián)系實際與專業(yè)密切結(jié)合的形式，重點考核學(xué)生對所學(xué)知識的綜合運用能力。如對生物工程專業(yè)的學(xué)生，設(shè)置檢測“地溝油”為目的的綜合題，讓學(xué)生說明使用什么方法，如何選擇儀器，樣品如何處理等？這種考核方式既考查了基礎(chǔ)，也考查了應(yīng)用能力，可考查學(xué)生是否思考，真正學(xué)以致用。

3 教學(xué)效果

在針對生物工程和生物技術(shù)兩個專業(yè)，2013和2014級應(yīng)用兩年以上改革方案后，我們對教務(wù)系統(tǒng)的學(xué)生反饋信息進(jìn)行總結(jié)(表3)，顯示學(xué)生對生物儀器分析課程的認(rèn)可度逐年提高，認(rèn)為該課程有用的學(xué)生大幅度增加。

表3 教學(xué)效果反饋結(jié)果

綜上，生物儀器分析課程的開設(shè)對生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識、擴(kuò)展視野和培養(yǎng)實驗及研究能力有很大的作用。通過對本專業(yè)開設(shè)的生物儀器分析課程教學(xué)改革的初步探索，加強(qiáng)了本課程對專業(yè)的適應(yīng)性，改善了課程的教學(xué)質(zhì)量和效果，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高了學(xué)生運用知識、解決問題的能力，為他們今后的學(xué)習(xí)、科研和工作打下了堅實的基礎(chǔ)。課題組后續(xù)還將利用“PDCA循環(huán)”模式[9]持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法，并參考同行的做法，從開放性實驗循環(huán)開課[10]和科研創(chuàng)新團(tuán)隊實驗[11]入手，擴(kuò)大課程受眾面，這也有利于生命科學(xué)專業(yè)對全校的展示和各種交叉學(xué)科學(xué)習(xí)和研究的促進(jìn)。