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仪器分析实验中仿真技术的应用

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摘要:从仿真技术的角度,对“仪器分析实验”课程的教学改革与实践进行探讨。实验结果表明:熟练运用仿真技术于课程教学,可解决由于学时、经费、场地、仪器台(套)数不足等条件限制,不能充分保证每个学生都能亲自上机操作的问题。还可以激发学生学习兴趣、提高学生的动手能力,增强教学效果。此外,仿真教学软件的选择、设计要贴近实际,让学生能更好地掌握仪器操作。

关键词:仪器分析;仿真;实验教学;应用

“仪器分析”是我校食品质量与安全、生物工程、制药工程、药学、中药学、环境工程等专业的学科基础课。本课程要求学生掌握基本仪器的原理和检测技术,注重实验方法和基本技能的训练,为其以后在食品、药物、环境工程等领域的工作、科研及进一步的学习作必要的铺垫。现代社会职业化的要求及学生谋生需求的驱动,使仪器分析的实践性要求越来越强。仪器分析所包括的分析方法目前有数十种之多。每一种分析方法所依据的原理不同,所测量的物理量不同,操作过程及应用情况也不同。课程内容多,教学课时少,且内容抽象,学生普遍反映学习难度大,其次实验所用仪器价格昂贵,限制了实验教学的开展[1]。

1国内各高校对仪器分析课程的教学改革国内很多高校对于“仪器分析

”课程进行了教学改革:如华中农业大学李胜清等[2]建立了分析化学“四位一体”的研究性教学模式和“仪器分析”等课程多元化的考核体系。渤海大学李秀霞等[3]以食品仪器分析课程为例进行了研究性教学模式的改革实践。广西中医药大学冯旭等[4]将PBL教学法,应用于药学类专业仪器分析实验课。河南焦作大学苏永祥等[5]从教学实际出发,探讨如何激发学生的学习兴趣、如何让学生明白做好仪器分析实验的重要性、上好仪器分析实验课的措施、改革实验课考核形式,促进学生的学习主动性。厦门大学化学系赵一兵等[6]分析了仪器分析实验课教学存在的问题,阐明了多媒体计算机辅助教学是缓解教学内容多、更新快与仪器设备不足和落后的矛盾,是完善教学效果的有效途径。广西中医学院谭建宁等[7]以CAI课件辅助实验教学,将其应用于实验预习和了解没有条件开设的实验、重复模拟有条件开设而教学效果不佳的实验。首都医科大学化学生物学与药学院闫淑莲等[8]就仪器分析实验课教学中遇到的问题进行了探讨。广西师范大学化学化工学院邹华红等[9]、绥化学院食品与制药工程系田喜强等[10]根据仪器分析实验的特点,为了解决仪器分析实验教学存在的问题,从成绩考核、实验内容设置、教学方法与手段等方面对仪器分析实验教学进行改革。东北林业大学理学院李暐等[11]根据仪器分析实验的特点,解决实验教学的现状与存在的问题,设计并实践了“强化预习+仪器认知+独立操作”的仪器分析实验课程的教学模式。目前关于“仪器分析”课程的研究性教学实例只有华中农业大学化学学院、渤海大学、南京航空航天大学及本课题组,且理论和实践均处于探索阶段。近年来,各个高校根据仪器分析课程教学的特点,在实验内容安排,学生分组的设置,实验课程的考核等方面都有一定的改进,但由于受到各方面条件的限制,学生在实验操作中依然处于被动地位,动手能力比较欠缺,所学到的仪器分析理论知识难以与实践真正融合,创新能力没有得到相应的提高。因此,本课题组拟对“仪器分析实验”课程进行基于仿真技术的研究性教学方法的探索与实践,缓解仪器不足等造成的矛盾的同时,激发学生学习仪器分析实验课程的兴趣,提高学生的实验动手能力,提高实验教学效果,促进实验教师自身素质的提高。

2仪器分析教学改革的几点措施

2.1教材建设与选用

根据不同专业人才培养的需要和仪器分析微型、高效、自动、智能的发展趋势,课程组在教材建设方面始终坚持两条原则:一是坚持选用优秀出版社出版的优秀教材;二是教材符合工科相关专业的需要。所以根据授课对象的不同,食品质量与安全、生物工程专业选择朱明华主编,高等教育出版社出版的《仪器分析》(第四版)为教材,该教材为“十二五规划教材”。此教材基础理论和基本知识叙述得较为详尽,突出基础学科教学和工科化学的特点,该教材习题量较为适中,难易得当;使用下来,效果较好。环境工程专业选择刘志广主编,大连理工大学出版社出版的《仪器分析》(第二版),该教材为“国家精品课程教材”,可作为综合性大学化学系及相关专业的仪器分析课程的教材。药学相关专业(制药工程、药学、中药学)选择柴逸峰、邸欣主编,人民卫生出版社出版的《仪器分析》(第八版)为教材。该教材是国家卫生和计划生育委员会“十三五”规划教材、全国高等医药教材建设研究会“十三五”规划教材,该书是专门针对药学相关专业编写的,内容上符合药学相关专业对仪器分析基础知识的需要。内容较为精炼,较其他的教材,在各章中加强了学习要求,加强了与药学相关专业的联系。教材内容较为丰富,这对学生扩展知识有较好作用。

2.2实验课程内容整合、优化

为了达到更好的教学效果,仪器分析课程组有完整配套的教学参考资料。实验教学方面,考虑专业需求不同,课程组教师自编了《仪器分析实验讲义》。结合专业的需要及专业特点和各专业在人才培养方案中设置的课程学时数,实验的设置考虑药学相关专业的特点,各专业开设的仪器分析实验内容有所不同:(1)药学、中药学开设6个实验,包括气相色谱法测定薄荷油中薄荷脑的含量、固体样品红外光谱的测定(KBr法)、火焰原子吸收光谱法测定感冒冲剂中的铜—标准加入法、维生素B12注射液的定性鉴别和定量分析、邻菲罗啉测定溶液中铁的含量、高效液相色谱法测定维C和银翘片中对乙酰氨基酚的含量。(2)生物工程、食品质量安全专业开设了4个实验,较药学相关专业少了火焰原子吸收光谱法测定感冒冲剂中的铜—标准加入法、气相色谱法测定薄荷油中薄荷脑的含量、固体样品红外光谱的测定(KBr法),增加了水中氟离子含量测定实验。(3)环境工程专业因专业特点和学时数的原因,开设6个实验:气相色谱法测定甲苯的含量(内标法)、电镀生产废水中铜、锌含量的测定、邻菲罗啉测定溶液中铁的含量、高效液相色谱的定性定量方法、水中氟离子含量、测定维生素B12注射液的定性鉴别和定量分析。这样使得教学内容既符合了人才培养方案的要求,又有利于培养学生创业创新能力。

2.3仿真技术在实验教学中的应用“仪器分析

”课程由理论和实验两部分组成,实验部分要在专业的仪器分析实验室完成。仪器分析课程组在食品工程学院的实验楼内有专门的实验室,承担全校的仪器分析课程实验。具有大型精密仪器设备,实验过程中课程组始终坚持让每一位学生都有亲自动手操作的机会,由于实验室容量有限,所以6~8名学生一组,每次实验最多有4组参加,对于自然班人数较多的班级进行整合,确保学生实验的效果。但是在教学过程中由于场地、仪器台套数等原因,学生虽分组进行实验,但在教师对仪器分析实验演示时,并不能够使全部的学生都能准确地观察到教师的演示动作,所以造成操作过程中常出现错误的操作。基于以上问题,在学校、学院的大力支持下,我们购买了仪器分析仿真教学设备及软件。建立了仪器分析仿真实验教学实验室。课程组的各位教师为更好地实现教书育人的目标,在保质保量完成本科教学课程内容的同时,积极参与课程仿真软件的学习及使用。在集体备课的过程中,对仿真软件的使用、教学过程中会出现的各种问题进行研讨,寻找解决的办法,并将其应用于实践教学,取得了较好的教学效果。如:教师在讲授内容过程中会出现前半部分内容学生认为简单(有机化学、分析化学接触过),后半部分内容听不明白(仪器没见过)的现象,年轻教师可能把握不好;再比如:对于仿真教学与实物教学的先后问题等等。针对各种问题,课程组组织研讨,在老教师的把关下,各位授课教师讲出了自己的想法,大家互相交流后,得出解决的办法:在授课过程中,学生接触过的部分压缩讲,以复习的方式讲授;学生没有接触过的内容展开讲,从结构分析到机理详细讲解,让学生能够消化吸收。在不断的教学过程中这种方法也在不断改进。在仿真教学基础上,再进行实物教学,不但便于学生理解和掌握,而且经过强化后的教学内容可以给学生留下比较深刻的印象,强化实验技能。

3结语

综上所述,随着科技的发展,“仪器分析实验”课程教学手段的改革与应用具有重要性和必要性。仿真教学软件的选择、设计也要与时俱进,贴近实际。在仿真教学的基础上,让学生更好地掌握仪器操作。在后续的实验教学改革中,我们还将探讨如何在仿真操作及实物操作的基础上,进行开放性、设计性实验教学,从而为提高学生的创新能力发挥积极的作用。

作者:刘宁 吴春 黎晨晨 聂芊 赵丹 单位:哈尔滨商业大学

仪器分析实验中仿真技术的应用责任编辑:张雨    阅读:人次