儀器分析實驗課程改革建議
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摘要:儀器分析實驗是醫(yī)藥類專業(yè)大學(xué)實驗課程的重要構(gòu)成部分，從中獲得的操作、分析技能在藥物檢測工作中的應(yīng)用非常廣泛。該課程在開設(shè)過程中通常面臨教學(xué)模式單一、儀器設(shè)備配置短缺及操作時間不夠等問題，導(dǎo)致學(xué)生難以熟練掌握相關(guān)操作技能。針對上述問題，本文從優(yōu)化教學(xué)方法、使用虛擬仿真軟件、構(gòu)建開放平臺、完善實驗考核體系、加強教師隊伍建設(shè)方面提出建議，以期可以提高該門實驗課程的教學(xué)效果及提升學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。
關(guān)鍵詞:儀器分析實驗;教學(xué)方法;仿真軟件;教學(xué)效果
儀器分析是化學(xué)學(xué)科的一個重要分支，通常是采用特殊和復(fù)雜的儀器設(shè)備，通過測量物質(zhì)的某些參數(shù)(物理或物化性質(zhì)的參數(shù))以及根據(jù)參數(shù)的變化來判定物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和含量的一種分析方法［1］。它是由電化學(xué)、光以及自動控制，計算機等多個學(xué)科彼此交叉、滲透發(fā)展形成的一門綜合學(xué)科［2］。亳州學(xué)院坐落在具有全國“四大藥都”之首之稱的城市———安徽亳州(首批國家中醫(yī)藥健康旅游示范區(qū))，其二級院系中藥學(xué)院在藥學(xué)、中藥學(xué)、制藥工程、和藥物分析等專業(yè)中均已開設(shè)儀器分析實驗或藥物檢測分析實驗課程。以中藥學(xué)專業(yè)為例，人才培養(yǎng)方案中要求學(xué)生能夠利用現(xiàn)代分析儀器及技術(shù)選擇合理試驗方法，對中藥材中有效成分或有害成分進行鑒定、檢測和分析。對于“地方性、應(yīng)用型、特色化”的地方本科院校亳州學(xué)院來說，儀器分析課程的教學(xué)環(huán)節(jié)重點需要突出原理、技能的領(lǐng)悟。儀器分析理論課程復(fù)雜又抽象，而實驗課程的學(xué)習(xí)不僅可以讓學(xué)生更好的理解理論知識，還可以讓學(xué)生掌握相關(guān)分析儀器的構(gòu)造和操作流程，促使其熟練地將所學(xué)理論知識指導(dǎo)實際操作，培養(yǎng)他們從實踐操作中提高自己分析和解決問題的能力。再者，熟練掌握儀器分析實驗課程將為學(xué)生后期專業(yè)課程如藥物波譜分析，中藥質(zhì)量分析與控制等的學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。本文主要敘述了現(xiàn)階段儀器分析實驗教學(xué)中存在的問題并針對這些問題提出了幾點切實可行的建議，以期提高地方本科教學(xué)水平和促進學(xué)科建設(shè)，更好的適應(yīng)地方、服務(wù)地方。
1實驗教學(xué)中存在的問題
1.1教學(xué)模式單一，學(xué)生重視程度不夠
儀器分析實驗課程教學(xué)流程化嚴重，教學(xué)方式過于單一。一般采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式“預(yù)習(xí)報告———教師講解演示———實驗操作———實驗結(jié)果———結(jié)果討論———完成實驗報告”的方式進行教學(xué)，這樣的實驗教學(xué)模式很難讓學(xué)生由感性認識上升到理性思考，如此長期下去不僅難以激發(fā)學(xué)生的興趣，甚至?xí)拗茖W(xué)生的思維方式。實驗前，大部分學(xué)生往往只是照本宣科抄一下預(yù)習(xí)報告中的內(nèi)容，存在被動完成任務(wù)，簡單做完思考題，缺乏深入思考。教學(xué)時間有限，教師不能浪費寶貴時間逐一檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，監(jiān)督方法單一。在實驗中，學(xué)生也僅僅是按照教師的示范機械地重復(fù)一遍，沒有獨立完成，對于操作中遇到的問題也僅滿足于解決即可，并不去深思問題產(chǎn)生的原因、對結(jié)果會產(chǎn)生的影響及該如何避免此類問題的產(chǎn)生。另外，實驗空間、學(xué)時數(shù)、儀器數(shù)量、學(xué)生人數(shù)等因素的限制，導(dǎo)致學(xué)生存在著樣品處理不規(guī)范，實驗操作不遵守儀器操作規(guī)程，不及時記錄實驗數(shù)據(jù)、擅自更改實驗數(shù)據(jù)等現(xiàn)象。實驗后，學(xué)生通常僅僅滿足于實驗報告中結(jié)果計算部分的書寫，針對可疑的實驗數(shù)據(jù)或結(jié)果沒有敏銳性，不進行認真的反思和總結(jié)。實驗報告的書寫存在抄襲現(xiàn)象，有的時候整組結(jié)果均犯同樣的錯誤。
1.2大型儀器設(shè)備配置短缺，難以人均一套
地方本科院校存在大型分析儀器配置短缺的問題，決定了實驗過程中不可能讓學(xué)生們?nèi)耸忠惶變x器操作，同時由于上課專業(yè)(班級)多，即使采用大循環(huán)的方式［3－4］，分組(8～10人)教學(xué)，每位學(xué)生系統(tǒng)地操作儀器的時間依然很少，達不到熟練掌握的程度，很難達到預(yù)期的教學(xué)效果，難以提高學(xué)生實驗動手操作的積極性。例如，我院該門實驗課程的開設(shè)已采用上述分組循環(huán)的方式進行，但依然無法避免有些學(xué)生(理解力稍弱)練習(xí)時間不夠的問題。
1.3儀器封閉，難以看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)
分析儀器購買后，一般由工程師安裝調(diào)試完成，針對核心部位，一般無法拆開再組裝給學(xué)生展示，常言道“百聞不如一見”，從而導(dǎo)致學(xué)生無法真正從實物的構(gòu)造上理解和掌握儀器的原理及過程，這顯然不利于學(xué)生更好的理解抽象的理論知識。如:氣相色譜實驗中，樣品的氣化是在氣化室中進行的，那么氣化室的構(gòu)造是怎樣的?如何瞬間使樣品氣化?如果把氣化室的構(gòu)造展示給學(xué)生，則會促使學(xué)生更好的理解樣品氣化的原理。
1.4學(xué)生首次接觸，難以直接上手操作
在上該門課程之前，學(xué)生幾乎未接觸過相關(guān)的儀器設(shè)備，導(dǎo)致他們動手操作基礎(chǔ)薄弱。對于大型分析儀器來說，通常會配備一套標準操作規(guī)程，實驗中嚴格按照規(guī)程操作有利于儀器的維護保養(yǎng)、延長使用壽命。由于學(xué)生首次接觸這種大型分析儀器，不了解構(gòu)造、原理和操作流程，難以直接上手操作，需老師現(xiàn)場講解儀器的構(gòu)造，原理和操作流程并示范，無疑縮短了學(xué)生們操作練習(xí)的時間。另外，由于分析儀器價格昂貴，學(xué)生也唯恐自己在不熟悉的情況下操作損壞設(shè)備，從而不愿意主動操作，降低了學(xué)習(xí)的積極性。
1.5樣品前處理時間長，壓縮了練習(xí)時間
大多數(shù)儀器分析實驗需要對藥材或藥品進行預(yù)處理，比如檢測金銀花中鉛元素的含量時，根據(jù)處理方法的不同需要先往樣品中加入硝酸或硝酸－高氯酸，并浸泡過夜;或者對樣品灰化5～6h再進行后續(xù)操作。同時，需要先配制鉛元素貯備液，然后配制成不同濃度的鉛元素標準溶液供制備標準曲線用。一系列的樣品前處理操作無疑壓縮了練習(xí)時間。另外，有些儀器本身對試劑溶液要求高，需要增加操作步驟，比如利用高效液相色譜儀檢測某一中藥材中有效成分含量時，會涉及到流動相的配制，如配制1L0.1%的磷酸溶液作為流動相使用，其操作步驟為:用1mL的吸量管移取1mL優(yōu)級純磷酸，置于1L容量瓶中，定容，搖勻。然后選擇水系濾膜進行抽濾以除去溶液中存在的顆粒雜質(zhì)，最后超聲處理10～15min，才可以拿至色譜室作為流動相使用。這些過程占用了大量的時間，縮短了學(xué)生們操作儀器的時間，導(dǎo)致其無法熟悉儀器的原理及操作流程。
2.1優(yōu)化教學(xué)方法與手段
針對儀器分析實驗課程教學(xué)方式存在的問題，可以考慮在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂和在線教學(xué)平臺如學(xué)習(xí)通和雨課堂等進行優(yōu)化。比如，課前教師先完善ppt，針對主要知識點錄制小視頻并上傳至在線教學(xué)平臺讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)并寫出預(yù)習(xí)報告。實驗中，檢查預(yù)習(xí)報告，就關(guān)鍵問題組織學(xué)生討論，如高效液相色譜儀操作時，為什么要對流動相排氣泡，促進學(xué)生從“怎么做”到“為什么這么做”的提升。另外，在操作時，小組內(nèi)的學(xué)生可以相互錄制操作視頻，制作微課，以備課后回放學(xué)習(xí)。實驗后，及時讓學(xué)生們對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進行分析，存在疑惑的地方互相交流學(xué)習(xí)。這樣不僅可以讓學(xué)生自由安排學(xué)習(xí)時間，有效激發(fā)其學(xué)習(xí)動機和自主學(xué)習(xí)的積極性，也有利于教師教學(xué)水平和技能的提高。另外，在學(xué)期末實驗實訓(xùn)周教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計綜合探究實驗，學(xué)生先以小組為單位按照教師的要求選好要檢測的中藥材及分析測試方法，在選擇的時候要求每組選擇的品種各不相同。選定之后，各組員之間分工協(xié)作初步確定實驗方案。實驗方案待教師審核后，由小組成員依次處理樣品，操作分析儀器，處理數(shù)據(jù)及撰寫實驗報告，完成相關(guān)的討論等等。在具體的實驗操作中，學(xué)生往往會碰到實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中未出現(xiàn)的情況和困難，想解決這些難題，他們就需要咨詢教師結(jié)合查閱文獻、書籍探討實驗條件、完成此次實驗，通過這種訓(xùn)練將有效地鍛煉學(xué)生的能力。這樣的探究性實驗?zāi)軌蚋玫呐囵B(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力及主動探究的能力，有助于學(xué)生的全面發(fā)展。
2.2加強虛擬仿真軟件的使用
虛擬仿真教學(xué)是通過把信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和仿真技術(shù)等融合，在計算機系統(tǒng)上建立的一套具有模擬操作性與真實分析儀器完全相同的虛擬分析系統(tǒng)進行教學(xué)［5］。在具體實驗課開展中可以這樣實施:某次課未輪到的小組可以利用虛擬仿真軟件進行預(yù)操作，這不僅解決了因分析儀器臺數(shù)少導(dǎo)致操作時間短的問題，而且可以讓學(xué)生直觀看到相關(guān)儀器的構(gòu)造，使抽象的理論內(nèi)容具體化。學(xué)生在仿真軟件上可以模擬現(xiàn)實中的實驗操作，先模擬再實踐，可以克服學(xué)生的心理恐懼，放手大膽操作而不用擔(dān)心損壞儀器。另外，通過仿真軟件的操作可以規(guī)范學(xué)生的實際操作過程，強化實驗技能，從而掌握不同儀器的使用方法及中藥材分析檢測過程。虛擬仿真技術(shù)可在一定程度上提高儀器分析實驗課程的教學(xué)效果［6］。
2.3構(gòu)建開放實驗平臺
目前，對于很多地方性高校來說，大型分析儀器的使用率并不高，只有儀器分析實驗課程開設(shè)的學(xué)期使用率才相對較高，這無疑浪費了資源。在儀器分析課程改革中，可以嘗試定期開放實驗平臺，實施開放式實驗教學(xué)，允許學(xué)生利用自己空余時間進入實驗室學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，并且鼓勵學(xué)生作為一員參與到教師們的科研項目中，培養(yǎng)學(xué)生科研的興趣。對學(xué)生來講，可以增加實踐練習(xí)的機會;對學(xué)校來講，可以充分發(fā)揮儀器設(shè)備的價值，提高儀器設(shè)備的利用率和使用效益，提高學(xué)校人才培養(yǎng)水平，提升學(xué)校的社會認可度。
2.4完善實驗考核體系
儀器分析課程實踐性較強，常規(guī)筆試考核方式無法全面反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、實驗操作技能的掌握情況以及教師教學(xué)效果好壞情況。建議在儀器分析實驗課程考核時加強對實驗操作部分的評價，并增強其所占比例:可以把平時綜合型的實驗拆分成若干個小知識點的項目作為考題，隨機讓學(xué)生抽選并獨立自主的進行整個實驗過程的操作，包括樣品的前處理，溶液試劑的配制，分析儀器的基本操作，譜圖數(shù)據(jù)處理，有效成分含量的計算等。建立如上的考核體系既能提高實驗課程的教學(xué)質(zhì)量，又能使學(xué)生學(xué)習(xí)主動性增強，檢驗學(xué)習(xí)效果。
2.5加強實驗教師隊伍建設(shè)
改變教學(xué)模式、方法和獲得優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，都需要教學(xué)團隊當(dāng)中每一位教師付出大量的時間和精力。教師的業(yè)務(wù)水平對提高教學(xué)質(zhì)量起著主導(dǎo)作用，是上好儀器分析實驗課的保障。如何才能建設(shè)一支綜合素質(zhì)高，專業(yè)能力強的實驗教學(xué)隊伍?一方面，建議高校配備具有一定綜合科研能力和專業(yè)背景的儀器分析實驗教師在一線教學(xué)，同時要求博士、副教授和教授等高學(xué)歷高水平(擁有較強科學(xué)研究能力)的教師也參與實驗教學(xué)的指導(dǎo)工作，使學(xué)生了解自己所在的科研領(lǐng)域中的學(xué)科前沿知識，激發(fā)學(xué)生對科研的濃厚興趣。另外一方面可以利用校企合作的優(yōu)勢，引入企業(yè)實踐經(jīng)驗豐富的老師進入實驗教學(xué)過程，做到將理論知識與實踐操作相結(jié)合，提高教師的整體教學(xué)水平。
3結(jié)語
儀器分析實驗是一門實踐性很強的課程，采用仿真軟件等線上教學(xué)平臺技術(shù)手段不僅可使抽象的理論知識淺顯化，又可解決實際操作中臺套數(shù)不足等導(dǎo)致的問題;構(gòu)建開放教學(xué)平臺可以提高學(xué)生的動手能力并鍛煉他們設(shè)計和實施的能力;完善實驗考核體系可以全面客觀評價學(xué)生們的學(xué)習(xí)過程、起到督促的作用;加強實驗教學(xué)隊伍建設(shè)是上好該門課程的保障。總之，在地方高校現(xiàn)有的實驗環(huán)境下，如何最大程度的讓學(xué)生熟練掌握相關(guān)分析方法的原理、儀器的構(gòu)造、并熟悉整個實驗操作流程是需要每一位儀器分析實驗課教師深思的問題。
參考文獻
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作者：張騰騰 顧晶晶 張小倩 馬偉 王孟虎 沈悅 單位：亳州學(xué)院
