陳 皓，李明利，肖乾芬，劉海玲，張 華，袁 園

（同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

隨著對環(huán)境問題認(rèn)識(shí)的深入、對環(huán)境質(zhì)量要求的提高以及對污染物的環(huán)境行為、生態(tài)毒性及控制過程等環(huán)境課題的研究也不斷深入，環(huán)境監(jiān)測的任務(wù)越來越重，污染物的定性定量分析技術(shù)要求越來越高。在實(shí)際監(jiān)測工作中，環(huán)境監(jiān)測與分析不再僅限于天平、燒杯、滴定、比色等傳統(tǒng)的器具和技術(shù)。在各級環(huán)境監(jiān)測部門及相關(guān)企業(yè)，大型儀器分析技術(shù)已逐漸成為環(huán)境污染物監(jiān)測的核心技術(shù)[1－3]。隨著國際國內(nèi)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)及統(tǒng)一監(jiān)測方法的建立與完善，以及環(huán)境保護(hù)對分析技術(shù)要求的提高，儀器分析技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用的需求將快速增長。監(jiān)測技術(shù)與儀器分析的水平將直接影響著環(huán)境管理工作與國際接軌的步伐。而掌握環(huán)境領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)又具備儀器分析技能的人才將會(huì)更快適應(yīng)環(huán)境保護(hù)對監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的要求[4]。有針對性地將這些先進(jìn)儀器和技術(shù)介紹給學(xué)生，指導(dǎo)學(xué)生掌握如何選擇分析儀器、如何建立系統(tǒng)的樣品預(yù)處理及分析方法、如何判斷分析結(jié)果的準(zhǔn)確性等相關(guān)知識(shí)，具有現(xiàn)實(shí)意義。儀器分析技術(shù)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐和操作，除了必要的理論教學(xué)，重視和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)[5－6]。

大型儀器存在成本高、臺(tái)套數(shù)量有限、操作復(fù)雜等特點(diǎn)，為了能更好地開展大型儀器為環(huán)境類專業(yè)本科教學(xué)服務(wù)的工作，嘗試了從光譜類儀器入手，以環(huán)境科學(xué)專業(yè)的本科學(xué)生為試點(diǎn)，進(jìn)行了大型儀器使用、應(yīng)用與維護(hù)的教學(xué)[7]。試點(diǎn)工作得到了學(xué)校教學(xué)管理部門及學(xué)生的一致認(rèn)可。在此工作的基礎(chǔ)上，擬面向部分學(xué)有余力的學(xué)生開設(shè)環(huán)境樣品現(xiàn)代儀器分析技術(shù)課程。作為一門新開設(shè)的完整的實(shí)驗(yàn)課程，“環(huán)境現(xiàn)代儀器分析技術(shù)”需從課程目標(biāo)、課程大綱、課程講義等各個(gè)方面進(jìn)行全面建設(shè)。

1 課程建設(shè)的目標(biāo)

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，現(xiàn)代環(huán)境儀器分析技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程不適宜全面鋪開，授課對象為環(huán)境類專業(yè)部分優(yōu)秀本科生，特別是積極參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、有志于科研工作或出國深造，或其論文方向以實(shí)驗(yàn)研究為主、分析手段涉及大型分析儀器的學(xué)生。課程有助于學(xué)生鞏固環(huán)境監(jiān)測的要求、法規(guī)與規(guī)范，學(xué)習(xí)復(fù)雜環(huán)境樣品的預(yù)處理和分析方法，通過對實(shí)際樣品的分析，學(xué)習(xí)掌握3～4類大型分析儀器的原理、結(jié)構(gòu)和基本使用方法，提升綜合分析能力及實(shí)驗(yàn)研究能力。

2 課程軟硬件基礎(chǔ)

2.1 硬件要求

儀器分析有別于傳統(tǒng)分析，硬件要求相對較高，每臺(tái)儀器價(jià)格約在數(shù)十萬元到數(shù)百萬元不等，這也是制約該類課程開展的重要原因之一。我校污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室配備有氣相色譜、液相色譜、離子色譜、凝膠色譜、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜儀、紅外光譜儀等各類大型分析儀器合計(jì)數(shù)十臺(tái)，型號高端，涵蓋了目前環(huán)境領(lǐng)域用于樣品分析的各種類型儀器，部分儀器同一型號有多臺(tái)。這些儀器既是進(jìn)行環(huán)境科學(xué)高端科研的重要工具，也是開設(shè)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程的優(yōu)質(zhì)硬件資源。

2.2 教師隊(duì)伍

儀器分析課程中每一類儀器的原理、結(jié)構(gòu)和使用方法都差別很大，原理抽象，知識(shí)點(diǎn)瑣碎。為了提高教學(xué)效果，每類儀器都聘請實(shí)驗(yàn)室管理具體儀器的專職教師授課。這些教師長期工作在儀器分析與管理工作第一線，無論在儀器理論還是實(shí)際分析工作中都具有充足的知識(shí)儲(chǔ)備和豐富的分析經(jīng)驗(yàn)，完全能勝任實(shí)驗(yàn)課程的指導(dǎo)工作。

3 課程建設(shè)與實(shí)踐

3.1 教學(xué)儀器甄選

大型儀器種類很多，根據(jù)類型可分為光譜類、色譜類、質(zhì)譜類、電化學(xué)類等；根據(jù)應(yīng)用范圍可分為無機(jī)物檢測、有機(jī)物分析、樣品結(jié)構(gòu)性質(zhì)表征等；根據(jù)測量范圍可分為常量檢測、微量檢測、痕量檢測和超痕量檢測等；根據(jù)分析目的可分為總量分析、形態(tài)分析；根據(jù)分析性質(zhì)可分為定性分析、定量分析及半定量分析等。

在選擇對本科教學(xué)開放的儀器類型時(shí)，主要遵循以下原則：首先考慮在環(huán)境樣品分析中使用頻率高、可分析指標(biāo)多、具有代表性的儀器，以突顯實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的實(shí)用性；其次考慮實(shí)驗(yàn)所用的儀器盡可能覆蓋多種儀器類別，以提高課程教學(xué)效率；然后考慮儀器的操作時(shí)間及難易性。通常一個(gè)實(shí)驗(yàn)的最長時(shí)間為4學(xué)時(shí)。大型儀器原理較為復(fù)雜，樣品分析過程往往耗時(shí)較長，在同類型儀器中選擇時(shí)，盡量考慮分析時(shí)間短、容易上手的儀器設(shè)備。

綜合考慮，選擇了以氣相色譜儀、液相色譜儀、紅外光譜儀、電感耦合等離子發(fā)射光譜儀為代表的儀器開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程。

3.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目甄選

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳統(tǒng)理念是培養(yǎng)學(xué)生的“三基”能力，即掌握實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)的能力、掌握基本實(shí)驗(yàn)方法的能力、掌握實(shí)驗(yàn)基本操作的能力[8]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)理論的指導(dǎo)性，以對理論的驗(yàn)證為主要目的。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要是教學(xué)大綱中規(guī)定的較為固定的項(xiàng)目，通常為輔助理論教學(xué)的驗(yàn)證性、操作性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

相比傳統(tǒng)的比色滴定等分析方法，大型儀器集成度較高，原理結(jié)構(gòu)都較復(fù)雜。儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有系統(tǒng)性、綜合性、復(fù)雜性、靈活性等特點(diǎn)，是對理論的補(bǔ)充、深化和發(fā)展。為了提高教學(xué)質(zhì)量，能讓學(xué)生真正掌握儀器分析的知識(shí)技能，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇上兼顧實(shí)用性和探索性，將每一類實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和提高應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)2個(gè)層次，讓學(xué)生從理論到實(shí)踐全方位掌握儀器的使用方法，基本具備獨(dú)立使用該儀器分析環(huán)境類樣品的能力。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)以基本技能訓(xùn)練為主，通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置以及實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)讓學(xué)生能了解實(shí)驗(yàn)基本原理與方法，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重點(diǎn)在于儀器理論與操作知識(shí)，側(cè)重于知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，為下一個(gè)提高性實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

有了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，再進(jìn)行提高。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和提高性實(shí)驗(yàn)兩者有交叉，但又不同。前者是基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本素養(yǎng)和動(dòng)手能力為主要目標(biāo)。后者是加深、拓展知識(shí)及綜合能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自己對實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化和對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。在提高性實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生能根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅O(shè)計(jì)簡單的實(shí)驗(yàn)流程，并在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中進(jìn)一步掌握大型儀器的操作及部分高級功能。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容兼顧系統(tǒng)性、綜合性，涉及到多個(gè)不同類型的知識(shí)體系，包括樣品預(yù)處理方法、分析方法建立、樣品分析、數(shù)據(jù)處理等，并要求能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比國家標(biāo)準(zhǔn)，對樣品性質(zhì)做出評價(jià)。

課程立足于環(huán)境學(xué)科，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐，通過學(xué)生自己動(dòng)手，使他們更好地掌握各種現(xiàn)代分析儀器的基本原理、操作方法以及在解決復(fù)雜環(huán)境問題中能夠應(yīng)用。通過樣品預(yù)處理、儀器原理結(jié)構(gòu)、儀器方法設(shè)置、儀器分析及數(shù)據(jù)處理等系列實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立使用儀器及分析復(fù)雜環(huán)境樣品的能力。為了真正能讓學(xué)生學(xué)以致用，在將來的工作或科研過程中用高端儀器解決環(huán)境科學(xué)研究中的監(jiān)測分析問題，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排上跳出經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的框框，全部選用自編實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容盡可能貼近環(huán)境領(lǐng)域中關(guān)注的熱點(diǎn)問題，實(shí)驗(yàn)過程中的樣品大都為真實(shí)環(huán)境樣品。如：原子光譜類實(shí)驗(yàn)以人們關(guān)注的飲水安全問題，開設(shè)了自來水中常見金屬元素含量的分析項(xiàng)目；分子光譜實(shí)驗(yàn)則以土壤、污泥、水處理超濾膜等常見環(huán)境樣品為測試對象；紅外光譜分析方法研究污染物的種類及其結(jié)構(gòu)。這樣的選題與選材大大激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性。通過實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和操作技能解決環(huán)境領(lǐng)域中所遇到的一般性實(shí)際問題，有效縮短學(xué)生解決實(shí)際問題的適應(yīng)期。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置的目的，結(jié)合環(huán)境學(xué)科科研及日常監(jiān)測項(xiàng)目的應(yīng)用情況設(shè)置具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目列表

3.3 編寫實(shí)驗(yàn)講義

講義編寫的原則主要考慮以下因素：自成體系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)教材，內(nèi)容涵蓋實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及的四大類儀器；內(nèi)容應(yīng)立足于大型儀器在環(huán)境樣品監(jiān)測中的應(yīng)用，避免與傳統(tǒng)的儀器分析教材雷同；立足于非分析專業(yè)的本科教學(xué)，講義從簡到難，循序漸進(jìn)，并將儀器分析基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)室安全等內(nèi)容納入講義范圍；每一類儀器強(qiáng)調(diào)全面性、系統(tǒng)性，內(nèi)容編寫涉及預(yù)處理方法、實(shí)驗(yàn)原理、儀器結(jié)構(gòu)和操作規(guī)程等。

實(shí)驗(yàn)講義共分緒論、儀器分析實(shí)驗(yàn)室常識(shí)、分析結(jié)果質(zhì)量控制與統(tǒng)計(jì)處理、金屬元素定性定量分析、有機(jī)物定性定量分析、環(huán)境物質(zhì)的結(jié)構(gòu)表征6章。其中前3章為分析基礎(chǔ)，內(nèi)容涉及環(huán)境樣品的特點(diǎn)分類及預(yù)處理方法、分析實(shí)驗(yàn)室的注意事項(xiàng)及安全知識(shí)、數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷與處理，后3章則分別為各類儀器的原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容。

3.4 探索實(shí)驗(yàn)課程手段與模式

目前儀器分析課程大都為化學(xué)系或研究生教育開設(shè)，針對環(huán)境專業(yè)本科生開設(shè)類似系統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)課程很少[9－12]。部分學(xué)校雖然開設(shè)了相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但由于受到各種條件限制，大都以參觀、演示為主，很少能進(jìn)行實(shí)際操作方面的練習(xí)。為了能使課程達(dá)到預(yù)期效果，我們在教學(xué)手段與模式上進(jìn)行了探索。

（1）擇優(yōu)培養(yǎng)。由于大型儀器臺(tái)數(shù)較少，在課程性質(zhì)定位上設(shè)置為選修課程。在培養(yǎng)目標(biāo)定位上，強(qiáng)調(diào)主觀興趣，自主報(bào)名，根據(jù)學(xué)分擇優(yōu)選擇，對課堂人數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格限制。參考研究生的教學(xué)模式，按照小課甚至超小課的規(guī)模進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增加學(xué)生練習(xí)時(shí)間的同時(shí)也增加了師生之間討論交流的機(jī)會(huì)，從而提高課堂實(shí)驗(yàn)效果。

（2）加強(qiáng)預(yù)習(xí)要求。大型儀器原理相對復(fù)雜，課程的預(yù)習(xí)工作尤為重要。除相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)講義外，任課教師提前一周發(fā)放相應(yīng)的參考資料、提出詳細(xì)的預(yù)習(xí)要求，并要求撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告，以提高課堂實(shí)驗(yàn)效果。扎實(shí)的理論基礎(chǔ)可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)儀器的特性及應(yīng)用范圍，更快地掌握儀器使用的基本技能。

（3）重視操作練習(xí)。大型儀器集成度和自動(dòng)化程度均較高，和傳統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)相比，動(dòng)手步驟反而可能更少，更多的是要求對原理的掌握、軟件的熟悉以及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。但這些內(nèi)容正是儀器分析技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，增加學(xué)生親自操作的訓(xùn)練，可以幫助他們掌握原理、學(xué)會(huì)應(yīng)用。由于大型儀器臺(tái)套數(shù)較少，采用前處理與儀器操作錯(cuò)位分組、使用離線軟件進(jìn)行軟件使用練習(xí)等多種方式，讓每一位學(xué)生都能夠上機(jī)親自操作軟件，熟悉樣品分析流程，有充分練習(xí)的機(jī)會(huì)。

（4）教學(xué)手段多樣化。儀器分析原理復(fù)雜、分析過程程序步驟多，采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的方法可以顯著提高教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)講解采用板書和多媒體結(jié)合的方式可以使原理更易理解，實(shí)驗(yàn)操作采用實(shí)際操作演示教學(xué)及視頻教學(xué)相結(jié)合的方式，可以多角度加深印象，便于學(xué)生模擬操作，更快掌握軟件的使用方法。

（5）強(qiáng)調(diào)討論環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)通常為完全驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，需要嚴(yán)格地控制實(shí)驗(yàn)條件來得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果。大型儀器的分析技術(shù)相對復(fù)雜得多，樣品復(fù)雜、分析目標(biāo)物多樣、分析參數(shù)可選擇可優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)過程中，注重對解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)，積極采用啟發(fā)、引導(dǎo)、互動(dòng)式的教學(xué)方法，增加實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論。通過討論環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新的科研素養(yǎng)，學(xué)生能更主動(dòng)地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與教師的交流也更有針對性和探索性。

4 課程特色

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程實(shí)踐與探索以開設(shè)實(shí)際實(shí)驗(yàn)課程為出發(fā)點(diǎn)，探索國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)如何為本科教學(xué)服務(wù)，加強(qiáng)大型分析測試儀器對本科生的開放，以每位選課學(xué)生都能掌握實(shí)驗(yàn)開設(shè)的大型儀器的原理與使用方法為目的，確立了具有專業(yè)特色的課程建設(shè)目標(biāo)，編寫以培養(yǎng)現(xiàn)代大型分析儀器使用技能為目標(biāo)的具有環(huán)境專業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)講義。課程實(shí)踐突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，采用多元化的教學(xué)元素，以培訓(xùn)學(xué)生處理復(fù)雜環(huán)境樣品的能力為主要目的，提高學(xué)生利用儀器分析方法分析樣品的能力。

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