王琦 賈劍平

(西安電子科技大學(xué)理學(xué)院 陜西西安 710071)

儀器分析(含實(shí)驗(yàn))課程是我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生的主干基礎(chǔ)課程。該課程培養(yǎng)學(xué)生掌握生產(chǎn)過程的監(jiān)控以及對(duì)化工生產(chǎn)方面原材料、中間體和出廠成品的質(zhì)量檢測(cè)等分析檢測(cè)的能力，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)、提高學(xué)生的動(dòng)手能力非常重要；而且該課程的內(nèi)容與化學(xué)分析工高級(jí)考證、食品檢驗(yàn)工高級(jí)考證緊密相關(guān)，其重要性不言而喻。

儀器分析是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的綜合應(yīng)用技術(shù)課程，理論方面主要涉及化學(xué)、物理學(xué)、生物化學(xué)、數(shù)學(xué)、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。作為自然科學(xué)研究領(lǐng)域中物質(zhì)的信息科學(xué)，儀器分析的發(fā)展被寄予越來越大的期望，已由單純提供分析測(cè)試數(shù)據(jù)，上升到從原始的分析測(cè)試數(shù)據(jù)中最大限度地獲取有價(jià)值的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物質(zhì)信息，以解決自然科學(xué)各領(lǐng)域中的問題。因此，作為本科生的儀器分析理論與實(shí)驗(yàn)課程體系的教學(xué)，也越來越顯示其重要性。

由于儀器分析的設(shè)備與方法更新很快，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，大型分析儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作步驟繁瑣，因此儀器分析課程涉及的內(nèi)容繁多，知識(shí)點(diǎn)較散。如何使學(xué)生在一學(xué)期時(shí)間內(nèi)掌握儀器檢測(cè)的基本原理，熟悉各種分析儀器的基本結(jié)構(gòu)與各部件作用，并能夠根據(jù)實(shí)際樣品的分析要求正確選擇相應(yīng)的儀器分析方法是儀器分析課程教學(xué)的首要任務(wù)。我們根據(jù)自身專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)儀器分析課程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了一系列改革，取得了一定的成效。

(1) 及時(shí)更新課程體系，擴(kuò)充應(yīng)用知識(shí)。

儀器分析技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)儀器分析課程教學(xué)提出了挑戰(zhàn)，也暴露了一些儀器分析教材內(nèi)容相對(duì)滯后的問題。因此，必須努力改革課程設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)代分析儀器的發(fā)展及時(shí)更新教材、不斷完善教學(xué)內(nèi)容，特別要在教學(xué)中增加每種儀器分析方法在實(shí)際中的最新應(yīng)用，以開拓學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的求知欲。例如，基于酶催化和免疫分析技術(shù)的方法在教材中少有涉及，我們?cè)陔娢环治龇ㄒ徽碌膬?nèi)容里增加了用酶電極和微生物傳感器等測(cè)定人血液中的葡萄糖、尿素、乳酸等生物活性物質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容。在伏安分析法一章里增加了電化學(xué)生物傳感器在臨床、發(fā)酵、食品、化工和環(huán)保等方面的應(yīng)用，并增加了有關(guān)電化學(xué)免疫分析的原理以及基于PCR的生化分析儀器等內(nèi)容。在紅外吸收光譜法一章的內(nèi)容里，我們打破了課本中所講述的紅外光譜法只能測(cè)定純物質(zhì)的限制，指出隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，出現(xiàn)了在線紅外光譜分析，采用這種技術(shù)在工業(yè)上可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)原料，對(duì)比中間過程的譜圖以及最后產(chǎn)物的譜圖，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品收率和質(zhì)量最優(yōu)化；在農(nóng)業(yè)上，在線紅外分析儀可直接用于土壤和施肥等種植管理和收獲等全過程的品質(zhì)檢測(cè)，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，推行優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)政策，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在課堂上增加這些內(nèi)容，有利于學(xué)生及時(shí)了解儀器分析的前沿動(dòng)向，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并提高他們的學(xué)習(xí)興趣。

我校是一所以信息與電子學(xué)科為主，工、理、管、文多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的重點(diǎn)大學(xué)，是全國37所示范性軟件學(xué)院的高校之一，也是全國20所獲批準(zhǔn)設(shè)立集成電路人才培養(yǎng)基地的高校之一。電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)是學(xué)生最有興趣的，因此，增加計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)在儀器分析中的應(yīng)用是十分必要的，這樣學(xué)生能夠?qū)崒?shí)在在地體會(huì)到電子計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其他科學(xué)技術(shù)的推進(jìn)作用。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生們認(rèn)識(shí)到電子計(jì)算機(jī)技術(shù)已不斷滲透到儀器分析的各個(gè)方面，儀器分析與計(jì)算機(jī)技術(shù)及軟件技術(shù)等高新科學(xué)技術(shù)緊密相連，已經(jīng)向著更精確、更全面、更智能的方向行進(jìn)。在日常授課中，我們有意識(shí)地從多方面培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的能力，如采用Excel、Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及制作校準(zhǔn)曲線，協(xié)助教師制作與儀器分析實(shí)驗(yàn)有關(guān)的Flash動(dòng)畫，利用Photoshop軟件對(duì)氣相色譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行圖像處理等。通過這種訓(xùn)練，能夠幫助學(xué)生了解和掌握實(shí)驗(yàn)的原理及操作流程，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、交互式的學(xué)習(xí)。教育教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 還能擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面；更為重要的是，能把一種創(chuàng)新思維帶給學(xué)生。

(2) 優(yōu)化課堂教學(xué)，突出教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和時(shí)效性。

良好的開端是成功的一半。能否上好緒論課，對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以及能否學(xué)好儀器分析課程起著重要的作用。在緒論課介紹本課程的意義及應(yīng)用時(shí)，應(yīng)著重講述一些儀器分析與人民生活息息相關(guān)的社會(huì)性應(yīng)用。例如以我國的三聚氰胺奶粉事件、蘇丹紅事件及比利時(shí)的二噁英事件為例，指出采用一定的儀器分析手段，可以對(duì)這些樣品進(jìn)行準(zhǔn)確的定性定量檢測(cè)，從而減少此類食品、藥品安全問題的發(fā)生。在講述具體的某種分析方法的應(yīng)用領(lǐng)域方面，指出儀器分析正在向生命科學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展，納米結(jié)構(gòu)材料在儀器分析中的應(yīng)用正在大幅度增長，可適時(shí)地給學(xué)生介紹一些在儀器分析技術(shù)中采用的新材料。例如利用石墨烯出色的電學(xué)性質(zhì)組裝成的電子器件可應(yīng)用于電池材料、儲(chǔ)氫材料、場(chǎng)發(fā)射材料、量子計(jì)算機(jī)以及超靈敏傳感器等領(lǐng)域[1]。這些新概念、新理論和新技術(shù)的引入大大充實(shí)了儀器分析的教學(xué)內(nèi)容。

儀器分析的理論部分比較抽象，儀器的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，在教學(xué)過程中，必須打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用多種課堂形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在講解各種分析方法的具體分析過程時(shí)，我們通過模擬被測(cè)化學(xué)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，以形象直觀的圖片或動(dòng)畫演示抽象的變化過程，從而給學(xué)生留下深刻的印象。我們還在授課中通過展示大量新型儀器的圖片和視頻，使學(xué)生對(duì)相關(guān)的儀器有較為直觀的了解，其中各大儀器公司精心制作的宣傳資料最受學(xué)生歡迎；我們將課堂中難以講解的實(shí)驗(yàn)裝置、光路圖、電路圖、儀器外觀圖、儀器操作步驟制作成幻燈片、錄像、Flash 動(dòng)畫等，以直觀、立體的授課方式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與數(shù)據(jù)分析能力。這些方法的綜合利用，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，從而使學(xué)生積極思考，改被動(dòng)聽講為主動(dòng)求知。

為了充分運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)資源進(jìn)行儀器分析課程的教學(xué)，我們從國際著名儀器公司的網(wǎng)站(或者從儀器展銷會(huì))大量搜集相關(guān)儀器的多媒體培訓(xùn)軟件，如美國安捷倫(Agilent) 公司的高效液相色譜儀的培訓(xùn)教材和日本島津公司的傅立葉變換紅外光譜儀的培訓(xùn)軟件，這些資料的應(yīng)用有效地解決了儀器分析教材內(nèi)容所存在的滯后性問題，從而能夠幫助學(xué)生了解和學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)分析儀器的新理論、新技術(shù)、新方法和新應(yīng)用。

在教授每一種分析方法之后，我們會(huì)對(duì)已學(xué)過的各類儀器、分析方法的原理及應(yīng)用進(jìn)行橫向聯(lián)系和比較，及時(shí)總結(jié)。在授課過程中，將一次課的重點(diǎn)內(nèi)容寫在黑板上有利于學(xué)生理解該部分的內(nèi)容；對(duì)于一些典型的問題如庫侖滴定法終點(diǎn)指示、氣相色譜檢測(cè)器的選擇等，教師會(huì)在完成授課時(shí)提出問題，學(xué)生采用分組討論的方式，對(duì)同一待測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)出不同解決草案，再通過組間方案交流，結(jié)合教師的點(diǎn)評(píng)，逐步加以完善。這種授課方式有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，在不同的方案設(shè)計(jì)過程中進(jìn)一步掌握不同現(xiàn)代分析儀器的原理與應(yīng)用。

(3) 采用研究型教學(xué)法，以科研促進(jìn)教學(xué)。

現(xiàn)代教育倡導(dǎo)加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。以科研促進(jìn)教學(xué)是提高大學(xué)教學(xué)質(zhì)量的重要途徑?？茖W(xué)研究不僅可以增加教學(xué)的深度、拓展教學(xué)的廣度，而且可以更新教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)，完善教師的知識(shí)體系，提高教學(xué)效果。我們認(rèn)為高校教師既要從事教學(xué)，又要進(jìn)行科研，二者要有機(jī)結(jié)合，以科研促進(jìn)教學(xué)。

在講述伏安分析法的擴(kuò)散電流理論(diffusion current theory)時(shí)，引入了發(fā)表在《Journal of Electro-analytical Chemistry》期刊上的學(xué)術(shù)論文“A Novel Formaldehyde Sensor Containing AgPd Alloy Nanoparticles Electrodeposited on an Ionic Liquid-Chitosan Composite Film”[2]，以使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，理解擴(kuò)散電流理論的精髓及其實(shí)際應(yīng)用；在講述電位分析法的應(yīng)用時(shí)，引入科研論文“Direct Electrochemistry and Electrocatalysis of Horseradish Peroxidase Immobilized in Hyaluronic Acid and Single Walled Carbon Nanotubes Composite Film”[3]，指出酶生物傳感器不僅能用于無機(jī)小分子和有機(jī)化合物的分析測(cè)定，現(xiàn)在已經(jīng)在醫(yī)療、食品、發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境分析等領(lǐng)域獲得多方面的應(yīng)用；在講述納米技術(shù)對(duì)儀器分析所帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)時(shí)，引入科研論文“A Nanomaterial Composed of Cobalt Nanoparticles,Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and Graphene with High Electrocatalytic Activity for Nitrite Oxidation”[4]，使學(xué)生直觀地理解納米材料和納米技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，使理論知識(shí)具體化。

實(shí)踐證明，科研做得越好，則教學(xué)越有說服力。由于將科研工作內(nèi)容有效并及時(shí)地融入教學(xué)中，使學(xué)生獲得了最新的科研信息，并初步學(xué)習(xí)了科研工作的思路，增強(qiáng)了他們進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的能力。

(4) 改革儀器分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，編寫實(shí)用性教材。

儀器分析實(shí)驗(yàn)具有合成分析、藥物分析、質(zhì)量控制檢測(cè)、創(chuàng)意研究等多項(xiàng)功能，能使學(xué)生通過“基本技能訓(xùn)練—綜合實(shí)驗(yàn)—設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)”等多層次的教學(xué)實(shí)踐，強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)，提高綜合分析問題的能力；而選好實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是上好實(shí)驗(yàn)課的重要基礎(chǔ)。原有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比較陳舊，不適應(yīng)現(xiàn)代分析化學(xué)的要求，因此，我們結(jié)合儀器分析的學(xué)科特點(diǎn)和儀器的配備現(xiàn)況，本著與時(shí)俱進(jìn)的思想，自編了實(shí)驗(yàn)教材。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面適當(dāng)增加了反映新技術(shù)、新方法、新知識(shí)的實(shí)驗(yàn)，并在原有的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，盡量多涉及各種儀器和各種分析方法。此外，還開設(shè)一些與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的、學(xué)生比較感興趣的實(shí)驗(yàn)，例如“原子吸收光譜法測(cè)定不同種類牛奶中的含鈣量”，“氟離子選擇性電極測(cè)定牙膏中的氟含量”，“氣相色譜法測(cè)定假酒中甲醇的含量”以及“綠豆中SOD酶的提取與鑒定”等。這些實(shí)驗(yàn)與社會(huì)生活密切相關(guān)，能夠讓學(xué)生在掌握儀器使用方法的過程中，體會(huì)到儀器分析在實(shí)際社會(huì)中的應(yīng)用。

儀器分析的實(shí)驗(yàn)課程屬于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，往往配有實(shí)驗(yàn)員準(zhǔn)備測(cè)試所用樣品，學(xué)生只是操作儀器。一個(gè)完整的分析檢測(cè)過程應(yīng)該包括前期的樣品處理和后期的數(shù)據(jù)分析，這兩點(diǎn)往往決定了分析的可靠性與科學(xué)性。鑒于此，我們讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程，讓他們提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在教師的指導(dǎo)下，自己完成樣品處理，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

(5) 開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)儀器分析實(shí)驗(yàn)改革。

仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，通過提供簡單通用的交互界面，準(zhǔn)確地計(jì)算并模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和儀器操作狀態(tài)，并分析、判斷用戶的操作流程，具有仿真性、交互性和實(shí)效性[5]。學(xué)生可以通過對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的反復(fù)多次模擬操作，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟的理解。同時(shí)，計(jì)算機(jī)語言與程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用、電子技術(shù)是我校各專業(yè)學(xué)生的必修課程，通過學(xué)習(xí)，能使學(xué)生較好地掌握電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的知識(shí)。因此，充分利用我系學(xué)生在計(jì)算機(jī)編程方面的優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展虛擬實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于改革儀器分析實(shí)驗(yàn)，提高儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量有重要意義。我們指導(dǎo)學(xué)生以Flash Professional 8軟件為開發(fā)平臺(tái)，利用Flash的表現(xiàn)力，研制了“原子吸收光譜法測(cè)定不同種類牛奶中的含鈣量”的仿真實(shí)驗(yàn)，其系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 原子吸收光譜分析仿真系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

圖2是氣瓶室的氣路調(diào)節(jié)講解場(chǎng)景及相關(guān)的儀器設(shè)備，在場(chǎng)景及儀器設(shè)備的建模中,廣泛使用了Flash Professional 8的濾鏡技術(shù)，使模塊的視覺效果好，且構(gòu)建效率高。

圖2 氣路系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程演示

數(shù)據(jù)處理工作站是各類大型分析儀器不可少的一部分，我們采用Flash Professional 8的組件技術(shù)，構(gòu)建了適合原子吸收光譜分析虛擬實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)處理工作站(圖3)。

圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)室工作站

與目前其他一些高等院?；蛑袊茖W(xué)院開發(fā)的原子吸收仿真實(shí)驗(yàn)相比，我們開發(fā)的原子吸收仿真實(shí)驗(yàn)具有原理清晰易懂，直觀性強(qiáng)，操作簡單的特點(diǎn)。學(xué)生利用仿真實(shí)驗(yàn)的測(cè)定過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，能使操作規(guī)范化，也能正確處理實(shí)驗(yàn)全過程中的一系列問題。由此可見，原子吸收仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)原子吸收分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)有良好的輔助作用。將原子吸收仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

對(duì)于一些題材好的實(shí)驗(yàn)如“原子吸收分光光度法測(cè)定皮蛋中的鉛”，由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制(儀器未配套鉛空心陰極燈)，可利用此仿真系統(tǒng)進(jìn)行虛擬操作， 操作過程不必考慮實(shí)驗(yàn)耗材、儀器損耗等問題，可在仿真系統(tǒng)中反復(fù)訓(xùn)練。在仿真實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)一方面給出了操作規(guī)程，另一方面也給了學(xué)生一些自由發(fā)揮的空間，學(xué)生可進(jìn)行探索性試驗(yàn)；試驗(yàn)時(shí)如果出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)提示，這比起傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的概率要大得多。在解決問題的過程中，學(xué)生的分析能力也能得到提高。

總之，在儀器分析實(shí)驗(yàn)中引入仿真教學(xué)手段，不僅能節(jié)約教學(xué)資源，還能提高教學(xué)質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我校的信息網(wǎng)絡(luò)、電腦設(shè)備等硬件條件在不斷改善，相信像儀器分析仿真軟件這種具有較高實(shí)際教學(xué)作用的教學(xué)手段一定會(huì)得到越來越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。

綜上所述，我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的儀器分析課程有自身的特色。在教學(xué)活動(dòng)中，我們要繼續(xù)努力，不斷更新教學(xué)觀念，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)專業(yè)發(fā)展的需要。另外，我們還要綜合運(yùn)用各種教學(xué)方法和手段，并充分考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際情況和教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，使學(xué)生不局限于對(duì)課本知識(shí)的理解，能得到實(shí)踐性的鍛煉，成長為既具有堅(jiān)實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，又具有較強(qiáng)實(shí)驗(yàn)技能的高級(jí)復(fù)合型人才。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 黃桂榮,陳建.碳素技術(shù),2009,28(1):3

[2] Wang Q,Zheng J,Zhang H.JElectroanalChem,2012,674:1

[3] Wang Q,Zheng J.ChemPap-ChemZvesti,2010,64(5):566

[4] Wang Q,Yun Y.MicrochimActa,2012,177(3-4):411

[5] 劉舒帆,張曉虹,任姝婕.實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(6):12