高毅+李元娜+許仁鑫+王丹

（安徽大學 資源與環(huán)境工程學院，合肥 230601）

摘要：現(xiàn)代儀器分析課程是環(huán)境科學專業(yè)學生重要的專業(yè)課程，為了提高教學質(zhì)量，更好的培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)、專題化教學體系，我們開展了該課程的應(yīng)用性課程改革。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代儀器分析；應(yīng)用型課程；虛擬仿真

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）21-0147-02

傳統(tǒng)儀器分析是分析化學學科的重要分支，它主要利用比較特殊或復雜的儀器設(shè)備，通過測量物質(zhì)某些物理或物理化學性質(zhì)的參數(shù)及其變化（如磁學、電學和光學性質(zhì)等）來獲取物質(zhì)的化學組成、組分含量以及化學結(jié)構(gòu)等信息。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是生命科學、材料學、空間科學取得了突破性進步，逐漸形成了綜合化學、物理學、生命科學、地學等學科的現(xiàn)代儀器分析。對于環(huán)境學科來說現(xiàn)代儀器分析是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容在環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程、環(huán)境化學、環(huán)境管理學、環(huán)境經(jīng)濟學等課程中都有涉及，同時具有這方面知識對于學生畢業(yè)從事環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程工作及環(huán)境科學研究均具有重要的指導意義。作為一門實用性很強的課程，現(xiàn)代儀器分析是各種理論知識與應(yīng)用技術(shù)的連接橋梁。在教學中如能將更多的實際應(yīng)用案例加入到教學實踐中，必將極大的提升課程教學質(zhì)量。筆者長期從事大型儀器管理的一線工作，熟識各類儀器設(shè)備的原理、應(yīng)用、維護等知識，在承擔的現(xiàn)代儀器分析課程中開展了應(yīng)用型教學的探索和改革。

一、傳統(tǒng)儀器分析課程教學中存在的不足

現(xiàn)代儀器分析課程主要任務(wù)是學習有關(guān)先進儀器的基本原理、掌握儀器操作技能及熟識其在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用。現(xiàn)代儀器分析課程可以為環(huán)境科學專業(yè)學生今后的學習與工作打下堅實的基礎(chǔ)，是環(huán)境科學專業(yè)中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。目前，在實際的教學過程中，傳統(tǒng)現(xiàn)代儀器分析課程存在著許多不足。

1.教學儀器臺套數(shù)少，學生自主操作機會不多。儀器分析主要講述的是大型分析儀器的原理及使用，以往由于設(shè)備種類較多、單價較貴，教學中無法提供所有的大型儀器設(shè)備，如氣質(zhì)聯(lián)用儀、激光共聚焦顯微鏡、電感耦合等離子體-質(zhì)譜聯(lián)用、流式細胞儀等儀器的總價已超過了1000萬。課程常以理論教學為主，學生不能自主操作儀器設(shè)備，而儀器的操作主要以演示的方式進行，這就造成了學生缺乏學習積極性，有些基礎(chǔ)知識差的學生甚至無法理解老師講述的原理內(nèi)容，失去了學習的興趣。這是傳統(tǒng)儀器分析課程面臨的主要問題之一。

2.課程內(nèi)容較多且零散。傳統(tǒng)的儀器分析課程主要包含了分析化學的光譜、色譜、質(zhì)譜等三大譜以及電化學的內(nèi)容。隨著科技的進步，生態(tài)學、生物學以及地學等學科的研究手段在環(huán)境科學領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這就要求我們在環(huán)境科學儀器分析課程中加入相關(guān)內(nèi)容。如此多種原理及應(yīng)用各不相同的儀器設(shè)備放在一個課程中講述，課程的學習難度非常的大，如不能將知識點有機的結(jié)合在一起，教學的效果很難保障。

3.理論教學與實際應(yīng)用結(jié)合不緊。傳統(tǒng)儀器分析教學中由于教材以及實驗條件的限制，儀器的操作實驗多以驗證實驗為主，學生只需按部就班的完成實驗，很難認識到課程學習的重要性與實用性，難以提高學生學習的積極性。這就讓學生忽視了課程在今后學習、工作、生活中的重大作用，課程也失去了本該具有的吸引力。

4.缺乏激勵學生自主學習和獨立思考的環(huán)節(jié)。對學生自主學習和獨立思考能力的培養(yǎng)一直是大學教育的要點與難點，傳統(tǒng)儀器分析課程的教學內(nèi)容較多較散，學生在內(nèi)容掌握方面有很大差異性，教學中很難加入自學的部分。為了提高學生在課程中自主學生與獨立思考的能力，必須更好的調(diào)動學生發(fā)現(xiàn)問題的積極性、增強其解決問題的能力。

5.教學內(nèi)容陳舊。各種分析類儀器多凝聚了各門類學科最尖端的核心技術(shù)，儀器本身也在快速的進步，如幾年前在環(huán)境微生物檢測方面廣泛應(yīng)用的DGGE（梯度凝聚電泳），在近幾年就以基本被高通量測序與宏基因組文庫技術(shù)取代，失去了應(yīng)用的價值。教師如不能快速主動的更新自己的知識結(jié)構(gòu)，將導致教學內(nèi)容陳舊，影響教學效果。

二、環(huán)境學科現(xiàn)代儀器分析課程應(yīng)用型課程改革的探索

1.在教學中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)主要利用仿真軟件將外形仿真、操作仿真和視覺感受仿真相結(jié)合，使用虛擬仿真模型作為參與者的操控平臺，利用虛擬顯示技術(shù)，通過仿真操作，使參與者有身臨其境的切身體會。在儀器分析課程中，學生通過仿真實驗幾乎可以達到真正做實驗的效果，或者在學生真正上儀器做實驗之前，提供一個模擬平臺，減少儀器的損壞率，更好的保護儀器。筆者課程組在北京歐貝爾公司開發(fā)的虛擬仿真軟件的基礎(chǔ)上，結(jié)合儀器分析課程特點，開發(fā)了一套針對性的虛擬仿真學習平臺。此平臺包含了氣相色譜、液相色譜、原子吸收光譜、紅外光譜等分析儀器的模塊，每個模塊不僅包含了儀器設(shè)備的全仿真操作界面，還有相關(guān)實驗完整的操作及前處理過程。平臺還包含了考核和自學板塊，學生可以通過自學并接受考核獲得獨立操作設(shè)備的資質(zhì)，在儀器閑時完成更多的上機實習。

2.建立專題授課體系。環(huán)境科學關(guān)注的是水、土、氣、生等研究對象性質(zhì)的分析測試，筆者課程組將儀器分析課程所需介紹的儀器按功能分為：環(huán)境樣品理化性質(zhì)分析、金屬元素分析、有機污染物分析、微尺度觀測與研究、分子生物學分析、地理信息及應(yīng)用等6個專題。每個專題均包含了若干相互聯(lián)系或互成系統(tǒng)的儀器設(shè)備，學生在學習此專題時不僅掌握了這幾種設(shè)備的原理和使用方法及注意事項，還系統(tǒng)的學習了各類環(huán)境樣品中金屬分析的全過程。將單純的理論學習轉(zhuǎn)化為全過程的系統(tǒng)學習，理論知識與實際操作能力的教學效果均得到大幅提升。

3.結(jié)合社會熱點建立更有吸引力的實驗庫。在專題授課的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的各類社會熱點事件，發(fā)掘可以開展的相關(guān)實驗建立實驗庫。如在講述有機污染物分析專題時，結(jié)合近年來出現(xiàn)的在果汁飲料中添加鄰苯二甲酸酯作為穩(wěn)定劑的事件，設(shè)計了利用氣質(zhì)聯(lián)用儀測定飲料中增塑劑的實驗。授課過程中在講述氣質(zhì)聯(lián)用儀的原理及操作步驟的同時，介紹了增塑劑的危害以及近期一系列食品安全問題的前因后果。隨著這些熱點問題的代入，極大地活躍了課堂教學氛圍，同時也加深了學生對儀器分析課程應(yīng)用性的認識。課程組共建立了6個專題相關(guān)的18個課程實驗，并在每年教學過程中不斷更新，保證了課程教學的時效性。

4.協(xié)助學生尋找并設(shè)立自主實驗課題。由于虛擬仿真技術(shù)的引入以及相關(guān)平臺的開放，學生可以通過自學的方式完成大量的理論知識的學習。在課程教學中引入專題討論與案例分析，學生發(fā)現(xiàn)問題的能力得到了一定的提升。在課程后期可以鼓勵學生自己去尋找一些感興趣的問題設(shè)計課題，老師可以在課題意義、實驗設(shè)計、前沿進展等方面給學生提出建議。如有學生就從近期限制性使用抗生素的事件出發(fā)，設(shè)計了測定醫(yī)院、養(yǎng)殖場附近土壤中抗生素的含量的課題，并參照相關(guān)科研論文制定了實驗方案及方法。在完成了課題提出、設(shè)計、完成等一系列工作后，學生不僅更系統(tǒng)的學好了相關(guān)課程內(nèi)容，更鍛煉了發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，為以后的學習、工作打下良好基礎(chǔ)。

5.教師積極學習并提高自身能力。更好的課題教學氛圍與學生更多的互動過程，不斷促使教師提高自身的業(yè)務(wù)水平。參加相關(guān)學術(shù)會議、培訓課程均是最直接的掌握儀器分析最新動態(tài)手段，同時必要的在職學歷教育也可使教師得到更寬的發(fā)展前景，主持和參與相關(guān)科研項目的研究工作也能使教師及時掌握行業(yè)最新的分析對象及手段。

三、結(jié)語

現(xiàn)代儀器分析課程是環(huán)境科學專業(yè)非常重要的專業(yè)課程，它涉及的學科非常廣泛，內(nèi)容抽象、繁雜、難于理解和掌握。通過課程的學習不僅需要學生學習各類儀器的原理及應(yīng)用，還需掌握其性能、操作規(guī)程等。通過應(yīng)用性課程改革實踐，結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)、專題式課程設(shè)計，通過將大量應(yīng)用型實驗加入課程教學中，學生的學習熱情及效果得到了大幅提升。當然好的課程改革是一項長期的系統(tǒng)工程，有了教師與學生共同進步，教學質(zhì)量必將得到進一步的提高。

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收稿日期：2016-11-30

基金項目：本文系安徽大學應(yīng)用性教學改革與建設(shè)項目研究成果：“儀器分析及實驗”課程建設(shè)