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仪器分析实验教学改革的探索与实践
2022-08-01 浏览量:759


仪器分析实验教学改革的探索与实践

姚新转,董 旋,彭 磊,吕立堂 

贵州大学 茶学院,贵阳,贵州 550025

  要】仪器分析实验是农学类、生物类、药学等专业大学实验课程的重要构成部分,其教学目的是使学生了解分析仪器的工作原理、实验方法、操作技术,

掌握实验操作、实验现象的观察、实验数据的处理和实验结果的分析等技能,从中获得的操作、分析技能在茶叶生理生化的检测和土壤检测等应用。该课程在开设过程中通常面临教学课程枯燥难懂,仪器设备配置数量短缺(大型设备)及操作时间不够等问题,导致学生难以熟练掌握相关操作技能。针对上述问题,本文从优化教学方法、完善实验考核体系、加强实验队伍建设方面提出建议,以期可以提高该门实验课程的教学效果及提升学生的学习自主性。

【关键词】仪器分析实验; 教学方法; 教学改革

【基金项目】 2019年贵州省科学技术厅贵州省优秀青年科技人才项目“白化、黄化、紫化茶树品种茶叶品质提升关键技术研究”(黔科合平台人才[2019]5651)。

【作者简介】姚新转(1989-),女,汉,安徽临泉,硕士,贵州大学茶学院,实验师,从事仪器分析课程教学和茶生物学研究;吕立堂(1978-),男,汉,山东莱芜人,博士(通讯作者),贵州大学茶学院,教授,主要从事茶树资源创新与利用研究

中图分类号:G420   文献标志码 A   

 

仪器分析是分析化学学科的主要组成部分之一,是一门实践性、技术性强的综合性课程,与国民经济的各个领域密切相关,被誉为工农业生产的 “参谋”科学技术研究的“眼睛”国民经济的“尖兵”,通常是采用特殊和复杂的仪器设备,根据参数的变化来判定物质的化学组成、结构和含量的一种分析方法,在不同学科应用非常广泛1],主要有多个学科彼此交叉、渗透发展形成的一门综合学科2]。贵州大学其二级院系中如:生命科学学院、茶学院、药学院、农学院等专业中均已开设仪器分析实验、药物检测分析实验等课程,理论结合实践,进一步培养学生动手能力。

随着贵州茶产业发展壮大,茶叶人才的缺口逐渐显现,茶叶基础科研队伍、产品研发队伍、质量管理的专家团队和企业管理者队伍与茶叶大省的发展需求存在较大差距,因此茶产业相关方面人才欠缺,急需一批具有丰富的理论知识和一定动手能力的新一代大学生。贵州大学茶学院人才培养目标,要求学生能够利用现代技术结合现有仪器选择合理试验方案,对茶叶以及类茶中有效成分、农药残留进行检测和分析。仪器分析理论课程教学内容复杂难懂,学生理解困难[3],实验课程的学习不仅可以让学生更好的理解书本里面的知识,还可以让学生掌握相关仪器的操作流程、注意事项、使用后的维护等等,促使其熟练地将所学课本上面的理论知识和实验实际操作相互结合加深理解,从而培养他们提出问题、发现问题、分析问题、解决问题的能力;再者,熟练掌握仪器分析操作和分析数据能力将为学生后期专业课程如茶有效成分色谱和质谱分析、茶叶质量分析与控制和未来工作奠定良好基础。本文主要叙述了现阶段仪器分析教学中存在的基本问题并针对这些问题提出了相应的改革措施,以提高本科教学水平和促进学科建设。

1实验课程教学存在问题

1.1实验教学内容存在的问题

仪器分析课程内容涉及的交叉学科较多,有些学科原理抽象难懂、实验仪器更新换代快速、实验技术革新快等,使学生学习困难[4]没有根据本科生的知识层次做相应优化调整,很难激发学生的学习兴趣。同时,在学生学习时,侧重学生对实验室结果要求,而对仪器操作熟练技能、综合性、设计性和创新性的实验相对薄弱,特别像色谱技术、光谱技术等这样的主流分析技术教学还相对比较浅显,对学生今后的就业、继续深造或科学研究还远远不够不够[3] 因此,实验课程在安排方面的合理分配达到教研的目的。总之,实验教学如果不合理的安排,这严重阻碍了学生动手能了、想象力和创造力的发挥,难以激发学生的学习兴趣,成为培养综合性人才的障碍。

1.2 实验教学主要存在问题的分析

1.2. 1 大型仪器设备短缺

很多本科院校普遍存在大型分析仪器配置不存的问题[5],难以让学生们实现在实验教学过程中人手一套仪器进行操作,同时由于上课专业(班级)多,即便采用分组(12~15 人)方式教学,但由于课程时间有限,无法让每位学生进行系统地操作仪器,因此很难达到预期的教学效果。例如,我院该门实验课程的开设即便采用上述分组如18级本科生总共60人,每班3人,2节课90分钟15人一组,每班2组,45分钟)循环的方式进行,很明显存在部分学生仪器操作时间不够的问题,甚至部分学生产生厌烦心理,不参与实验。

1.2.2 学生实际操作困难

仪器分析一般是大二开设的课程,在这之前学生很难接触一些相关的仪器设备,更别说操作能力了。大型分析仪器较为昂贵精密,通常是使用前培训指导和需要严格按照规程操作进行实验,达到维护保养、延长使用寿命的目的。

学生首次接触大型分析仪器时,由于不熟悉其构造、原理和操作流程,通常需要指导老师现场讲解仪器的构造、原理和操作流程并进行示范,而讲解这些步骤会大量占用学生的操作练习时间[5-6],造成学生只知其然不知其所由然的不良后果,不利于教学目的的达成和学习质量的提高,虽然会提前进行仪器分析理论课程学习,但不结合仪器讲解,其原理抽象难懂,学习较为枯燥乏味。此外,分析仪器是价格昂贵,灵敏度高的仪器,而学生担心由于自己不规范操作或操作失误造成设备损害,增加维修费用,从而不愿动手操作仪器,即降低了学生的学习的效果,又挫伤了学生的学习积极性。

1.2.3 部分实验前期时间长

很多大型分析仪器前期都需要将样品进行预先处理,例如检测茶叶中铅元素含量时,需将样品烘干,打成粉末,过80目筛子,在将样品中加入王水放入消解炉上消解56 h再进行后续操作;预先配制铅元素贮备液制作标准曲线,随后配制成不同浓度的铅元素标准溶液,绘制标准曲线。因此,仪器操作前,样品处理就占用了大量的课程教学时间。此外,部分仪器对试剂溶液质量要求很高,现配现用,不能提前配制,例如利用高效液相色谱仪检测茶叶中茶氨酸含量,其流动相0.1%的磷酸溶液需要即时配制,首先将1 mL优级纯磷酸定容至1L,随后通过水系滤膜抽滤除去溶液中存在的颗粒杂质,最后超声处理 30min。这些过程共计需要约60min,占用了大量的课程教学时间,导致学生们操作仪器的时间缩短,进而造成学生无法熟练掌握仪器的操作流程。

1.3 考查方式存在的问题

仪器分析的考查主要有理论和实验两部分,目前实验考查主要以撰写的实验报告为重点,主要集中在实验结果以及书写规范程度,这也并不能反映学生的实际动手能力和理论知识的掌握程度。这种传统的考核方式不能体现学生的综合能力,缺乏全面性和科学性,不利于调动学生学习的积极性。

 

2 仪器分析课程改革措施

2. 1 教学内容和方式的优化

为了能更好的解决仪器分析实验课程教学中的存在的不足,首先需要结合实验教学平台的实际情况及学科的专业特点,有针对性的选择仪器分析教材及教学章节内容,减少与学生专业无关的课程学习内容,一方面学生具备一定的知识基础,可以按照兴趣深入的了解其它的仪器设备,另一方面也可以让学生有充足的时间学习掌握与专业相关仪器的操作使用流程,这不仅有助于学生学习积极性的提高,也有利于学生在学习过程中进行深入思考。其次可以通过在线教学平台预先讲解课程难点及仪器操作注意事项,通过教师预先录制原理讲解、操作步骤、难点疑点视频,学生课前学习理论步骤、课上深化操作实践、课后总结思考的方式来进行课程学习。通过减少课堂理论讲解时间,延长实验过程中,学生自由讨论关键问题的时间,在激发学生学习热情的同时,也可以帮助他们深入理解课程原理和问题解决方法。如进行高效液相色谱仪操作时,仅对流动相排气泡这一操作过程,使学生解决了从 “怎么做”到 “为什么这么做”的提高。另外,小组内的学生可以相互讨论为什么这么操作,这么操作的目的是啥等一系列的问题,也可以相互录制操作视频,这样既可以加深记忆,又有助于发现自身在操作过程中未能注意到的错误。实验后,及时让学生们把实验报告整理好对实验现象和结果进行分析,有不明白的地方互相交流学习。这样不仅可以让学生自由安排学习时间,有效激发其学习动机和自主学习的积极性,也有利于提高教师教学水平和技能。另外,学生可以选择检测的茶叶(茶鲜叶,绿茶,红茶,白茶)及分析测试方法,在选择的时候要求每个实验小组选择的品种各不相同。选定实验材料后,各小组成员之间分工协作初步确定实验方案。实验方案待教师审核后,由小组成员依次样品前期处理→规范操作分析仪器→实验数据处理→分析实验数据→解决问题→撰写实验报告,完成相关的讨论等等。在具体的实验操作中,学生往往会碰到各式各样的问题,想解决这些难题,他们就需要咨询教师并结合文献、书籍探讨这些问题,完成此次实验。通过这种训练将有效地提高学生思考能力,动手能力。

2. 2 增加学生接触机会,开放实验平台

仪器价格昂贵,且需要专业老师进行日常维护,购买大量仪器来满足学生仪器分析实验教学显然是不可能的;仪器分析实验的学时数安排较少,增加学生分组数,减少每组学生数,这很大程度上增加了教师的教学工作量,且会导致教学时间延长,课时数增加,也不可取。因此,在仪器分析课程改革中,我们了尝试向学生开放实验平台[7],实施开放式实验教学,允许学生利用空余时间在相应的教师或研究生的指导下进行实验室学习和训练,尽早的开展自己的毕业论文实验,同时,鼓励学生积极参与教师们的科研项目中,培养学生科研的兴趣[8]。对学生来讲,可以增加实践练习的机会,提高学生继续深造的动力,加强学生与教师间沟通交流,增强师生关系;对学校来讲,可以充分发挥仪器设备的价值,提高仪器设备的利用率和使用效益,提高学校人才培养水平[9,10]

 

2.3改变实验考核体系和加强实验教师队伍建设

仪器分析课程实践性较强,理论课枯燥抽象难懂。建议在仪器分析课程考核时加强对实验操作部分的考查,把实验操作作为一种主要的考核方式,考核比例提高至60%,理论知识30%,平时出勤率10%,随机让学生抽选并独立自主进行整个实验过程的操作(平时实验课涉及的仪器设备都可以用来考核),包括样品的前处理,溶液试剂的配制,分析仪器的基本操作,谱图数据处理,有效成分含量的计算等。制定优化的考核制度既能提高仪器分析课程的教学质量,又能增强学生学习的主动性。

改变教学方法和获得优质教学资源,离不开教学团队当中每一位教师辛勤的付出。教师的业务水平对提高教学质量起着主导作用,是上好仪器分析课的基本保证保障。

建设一支综合素质高,专业能力强的实验教学队伍应该是高校配备具有一定综合科研能力和专业背景的仪器分析教师在一线教学,同时要求拥有较强科学研究能力的教师也参与实验教学的指导工作,让学生认识到仪器分析课程的重要性,为很好的开设仪器分析课程打下基础同时,激发学生对科研的浓厚兴趣;另外一方面可以利用校企合作的优势,选送一批学习兴趣浓厚的学生到企业深入学习或者企业派专业技术人员到高校进行实战指导,了解当前企业技术需求,做到将理论知识与实践操作相结合;最后,定期派遣实验仪器分析教师前往大企业,高级实验室进行培训学习,及时了解掌握新科学、技术前沿动态,更好的把新仪器、新技术带给学生。

 

3 结 语

通过对仪器分析实验教学改革的不断实践,对教学内容、实验教学条件的提高、改变考核方式和构建开平实验平台以及建设强大的师资队伍等一系列的改革措施,初步建立了适合本学院仪器分析实验教学方法和考查指标并实践。可以看出,学生的学习的兴趣提高了主要表现在:仪器分析实验水平有较大进步和更进一步积极主动地学习理论知识,有时学会运用所学知识分析问题、解决实际问题的能力。

 

[参考文献]

[1] 高向阳,周冬香,杜登学,宋莲军等.新编仪器分析[M].北京:科学出版社,2013.

[2] 刘昭第,徐华杰,盛良全. 仪器分析实验教学改革探索[J].实验科学与技术,2020,8(5):86-88.

[3] 于阿娟.高校《仪器分析》实验教学改革创新的探索[J].广州化工,2020,48(19):128-129.

[4] 侯娟.高校《仪器分析实验》教学改革初探[J].广东化工,2020,47(12):

216-217

[5] 宋红杰,张立春,吕弋,邓冬艳.仪器分析实验教学中研究型实验的探索[J].实验室科学,2020,23(03):16-19.

[6] 张淼,曹丽丽,白国义,孙学军,赵静.仪器分析实验课程改革初探[J].实验室科学,2020,23(03):110-112+116

[7] 徐强,吕荣文,修景海,张华.基于大型仪器共享平台的仪器分析实验课程建设[J].化工高等教育,2020,37(05):92-94.

[8]郁桂云,钱晓荣,吴静等.仪器分析实验教学的改革探索[J].广州化工,2017,45(10):197-199.

[9] 张腾腾,顾晶晶,张小倩,马伟,王孟虎,沈悦.仪器分析实验课程改革的几点建议[J].广州化工,2020,48(16):179-181

[10] 李志果,周国华,张玲玲等.仪器分析实验教学存在问题及改革探讨[J].广东化工,2020,47(17):248-249.

Exploration and practice of teaching reform of instrumental analysis experiment

Yao Xinzhuan, Dong Xuan, Peng Lei, Tian Xiaoli, LV Litang*

Tea College of Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025, China

[Abstract]Instrumental analysis experiment is an important part of the experimental courses of agronomy, biology, pharmacy and other professional universities. The purpose of teaching is to enable students to understand the working principles, experimental methods, and operating techniques of analytical instruments, and to master experimental operations, observation of experimental phenomena, and experiments. Data processing and experimental results analysis and other skills, the operation and analysis skills obtained from them are used in the detection of tea physiology and biochemistry and soil detection. In the course of opening this course, the teaching courses are usually boring and difficult to understand, the shortage of equipment configuration (large equipment) and insufficient operating time, etc., which make it difficult for students to master relevant operating skills. In response to the above problems, this article proposes suggestions from optimizing teaching methods, improving the experimental evaluation system, and strengthening the construction of experimental teams, in order to improve the teaching effect of the experimental course and enhance the learning autonomy of students.

[Key words] Instrumental analysis experiment; teaching method; teaching reform;

 

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