开放式仪器分析实验课程探讨范文

1教学内容的改革

改革的第一个举措就是修订教学内容，重点突出两个环节的教学，一是大型仪器的引入，二是狠抓实验教学的“两头”。

1．1大型仪器的引入近年来，越来越多的学生反映在就业面试中经常会被询问到在校期间对各种分析仪器尤其是大型分析仪器了解、掌握和应用的情况。原因在于，大型仪器代表着先进的测试技术，它和学科前沿知识、高水平的研究成果密切相关，能否操作大型仪器是体现理工科学生科研素质及创新能力的一个重要标志。因此，在内容设置上，我们把大型仪器的教学作为内容改革的一个重点，课程中除了保留红外、紫外、荧光等相关实验外，还引入了全自动顶空－固相微萃取(SPME)－气相色谱仪、液相色谱－质谱联用仪、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪等大型仪器的教学内容，这种引入不是“纸上谈兵”式的理论讲解，而是真真实实让学生去做，去动手操作。围绕这些仪器专门开发了一系列实验项目，比如“全自动顶空气相色谱法建立木材指纹图谱”、“无机盐晶体及水溶液的拉曼光谱检测”、“固相微萃取－气相色谱法分析苯系物”、“液相色谱－质谱法分析邻苯二甲酸酯类物质”等。通过实验教学，学生熟悉了大型仪器的操作技术，对大型仪器的分析方法有了更为深刻的认识，这为其进行后续课程的学习、参与科技创新活动及完成本科毕业论文打下良好基础。

1．2抓实验教学的“两头”仪器分析实验的特点是以仪器操作为主，自动化程度高，尤其是大型仪器，往往是傻瓜式的，只要预先设置好测定参数，放入样品(有些还是教师做的)，学生就无所事事，坐等结果了。针对这一情况，我们把教学的重点落在了实验的“两头”，一是样品的前处理;二是实验结果的数据分析。以“全自动顶空气相色谱法建立木材指纹图谱”实验为例［9］，我们在教学中有意识地增加了室内空气采样、固相萃取、固相微萃取等动手环节，让学生自己进行气体样品的采集，及复杂样品中待测物的萃取富集等预处理操作，通过结果对比，学生发现样品预处理的好坏对检测结果的准确性、灵敏度和重现性有非常大的影响［10－11］，因而对完整的样品分析过程有了更为切身的体会。在数据处理环节，教学中除了要求学生掌握一些与仪器配套的数据处理软件外，还指导学生利用化学计量学的知识对复杂图谱进行解析。比如在木材指纹图谱实验中要求学生首先利用Excel对待测树皮与标准样品的谱图数据进行相关性比对，然后再采用主成分分析(PrincipleComponentAnalysis，PCA)投影法对树皮进行模式识别与分类。再比如“紫外光谱法在线测量连串反应动力学过程”实验，先通过残差优化－减秩法对化学反应动力学谱和吸收光谱数据进行分析，计算各反应的速率常数，然后再利用最小二乘法回归解出包括中间体在内的各组分的吸收光谱。数据处理涉及到仪器分析、线性代数、数理统计、计算机应用等诸多领域的知识，通过这一环节的教学，学生的知识面得以拓展，知识的综合运用能力得到提高。

2教学方式的改革

大型仪器的教学是“仪器分析实验”课程教学的重点和难点，有两个地方非常关键，一是要让学生真正了解并掌握大型仪器的工作原理;二是要提供足够的机会让学生上机实习，熟悉仪器的操作技术。为了达到上述目的，我们对教学方式进行了改革，采用开放实验开展大型仪器的教学，具体开放形式有以下三种。

2．1仪器开放课内学时有限，为了使学生获得更多的动手机会，将课程中涉及的光谱、色谱等大型仪器在课外对学生开放，考虑到这类仪器通常承担有繁重的科研任务，开放的时间一般安排在周末(每周保证一个整天)。学生通过实验中心的网络预约系统进行仪器预定，获得批准后，学生2～3人一组，在给定时间内进入实验室，完成规定内容或自选内容的实验操作。期间，教师(或研究生助教)给予必要的指导。通过仪器开放，学生有了更多的机会接触仪器、使用仪器。一个学期下来，班上有不少学生可以独立操作HPLC、红外、紫外、GC－MS等大型仪器，部分学生技术熟练，甚至还获得了某个大型仪器的操作上岗证。

2．2内容开放除了教材规定的实验内容外，还鼓励学生根据实验室条件和自身兴趣，自主设计实验。比如学生做完“全自动顶空气相色谱法建立木材指纹图谱”实验后，依据顶空气相色谱仪能够检测挥发性成分的原理，选定花露水、修正液、黄酒、水果、茶叶等为研究对象，自行设计实验方案，待教师审核批准后，利用仪器开放日，对这些样品进行检测，得到了很多有趣的结果;再比如学生通过“无机盐晶体及水溶液的拉曼光谱检测”实验，熟悉了拉曼光谱的测定原理，随后收集了各式各样的翡翠、玉石、首饰等样品进行检测，通过和标准物拉曼光谱图的对比，以鉴别这些物质的真伪和品质。由于开放实验涉及大型仪器，其内容又贴近生活实际，趣味性强，学生的参与热情非常高。

2．3网络开放在仪器开放、实验内容开放的基础上，我们还在化学实验中心网站交流平台上开设专栏，用于仪器分析方面的拓展性教学。任课教师担任栏目的版主，引导学生就实验过程中碰到的问题进行探讨。讨论的问题由浅入深，从最初的样品准备、参数设置、条件优化、数据传送等，逐步过渡到仪器故障处理、原理解释、拓展应用及新实验设计等。由于网络论坛不受时间、空间的限制，这种开放式的交流方式深受学生欢迎。教师将学生提出的问题归纳总结，在下一轮次的实验教学中进行针对性训练，通过“实验—交流—实验”的不断重复，学生的理论基础得到提高，操作技术也日渐娴熟。

3完善考核方式

在课程考核方式上，打破了原先“唯实验报告论”的传统模式，将开放实验纳入考核内容，建立多元化的考核机制。具体而言，我们将学生的课程成绩分为4个部分，即平时成绩(30%)、实验报告(30%)、开放实验(30%)和笔试成绩(10%)。平时成绩主要考查学生预习报告、课堂提问、动手操作等情况;实验报告主要考查学生的实验记录、报告规范性及数据处理与分析、问题讨论等完成情况;开放实验侧重学生综合素质的考核。课程结束前，组织开放实验答辩会，要求学生以小组形式采用PPT进行答辩汇报，教师和学生代表担任评委，从课题设计、仪器操作水平、实验结果、PPT讲稿制作、演讲效果等方面对学生的表现进行综合评分;笔试着重考查学生对仪器分析相关理论的掌握情况，包括实验原理、操作要点、注意事项等。实践证明:改进后的考核方式更加客观、公平、全面地反映了学生的学习状况，符合“以人为本”的现代教学理念。

4教学效果分析

从教学内容、教学方式和考核机制等方面对仪器分析实验课程实施综合性改革，经数年实践，在以下几个方面获得了良好的教学效果。(1)改变了“仪器分析实验”课程的传统教学模式。以大型仪器的教学为突破点，开发出了一批有特色实验项目，比如围绕紫外－可见漫反射仪就先后开发了定性实验“紫外－可见漫反射光谱法比较手的黑白”、“各种纸张的颜色与漫反射的强度比较”，及定量实验“紫外－可见漫反射光谱法检测颜色的CMYK参数”等，这些实验充实了课程的教学内容，使得大型仪器的教学从原先的“教师演示性”教学转变为以学生为主体的“自主实验”模式。(2)培养学生自主性学习能力。通过课程的开放实验教学，学生的自主意识得到加强。以蔡劼凯等学生为例，该小组3名学生在实验室开放时段重点学习了大型仪器液质联用仪，然后就利用Solid-works和AdobeFlash软件自行制作了一个模拟离子阱液质联用仪原理和分析蛋白质过程的学习动画。今年10月，3位学生携此项目到北京参加了第一届“卓越联盟杯”创新实验大赛，经现场答辩和演示，该项目获得比赛的二等奖。(3)激发学生的科研兴趣。在了解和熟悉了大型仪器的测试手段、表征方法后，不少学生希望寻找一些目标和靶子来一试身手，由此对科研产生了兴趣并逐步融入到科研当中。比如，顾丽凤等学生做完“拉曼光谱法定性研究翡翠实验”后产生联想，能否在此基础上实现翡翠成分的定量检测呢?通过查阅文献及向教师请教，学生将XPS和拉曼光谱结合起来，采用拉曼位移法，最终实现了各种翡翠的定量检测及模式识别，并撰写了论文［12］。

5结语

我们对仪器分析实验教学中存在的问题，做了一系列有益的尝试和探索，并初步建立了一套以学生为主体，开放、创新的仪器分析实验的教学模式。通过本实验课程的学习，学生掌握了各种仪器包括最新的大型仪器的原理和操作，特别是通过开展开放实验，学生接触了选题、查阅文献、设计实验方案、开展实验、处理数据、交流汇报等完整的科研过程，大大提高了学生的学习自主性和综合素质。当然，仪器分析实验教学的改革不应该仅限于此，我们将在改革过程中针对出现的新问题进行进一步的完善和修正，为提高学生的综合素质提供一个更好的实验教学平台。在课程改革的实施过程中我们也碰到了不少问题，例如怎样协调大型仪器用于科研和教学的关系?开放实验教学中仪器设备如何管理?怎样同步更新实验教材?这些都是我们在后续工作中必须考虑并加以解决的问题。

作者：柴晓兰 朱仲良 王晓岗 单位：同济大学 化学系