潘 偉，陳明星，關(guān) 妍

（北京大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 海淀區(qū) 100871）

儀器拆裝在儀器分析實驗中的實踐

潘 偉，陳明星，關(guān) 妍

（北京大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 海淀區(qū) 100871）

為了讓學(xué)生對高端化學(xué)分析儀器的結(jié)構(gòu)和組成有更深入的了解，搭建了面向本科生的儀器拆裝實驗和展示平臺。在進(jìn)行儀器分析實驗教學(xué)的同時，學(xué)生有親自動手拆裝儀器的機(jī)會。通過儀器拆裝深入觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生從熟悉儀器的各種功能零件出發(fā)，加強(qiáng)逆向思維訓(xùn)練，進(jìn)而能夠更好地掌握分析儀器測試原理，消除對于高端儀器的抵觸和神秘感，搭建起理論學(xué)習(xí)和動手實踐認(rèn)知之間對接的橋梁。實踐表明，此種模式的推廣讓大學(xué)生創(chuàng)新教育和素質(zhì)教育更加深入，人才興趣培養(yǎng)得到優(yōu)化，顯著提高了學(xué)生動手能力和創(chuàng)新精神。

儀器拆裝；分析儀器；逆向思維；實驗教學(xué)；儀器分析

儀器分析實驗是大學(xué)化學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)實驗課程。作為實驗教學(xué)的重要組成部分，儀器分析實驗著重于培養(yǎng)學(xué)生的實際操作和動手能力，要求學(xué)生能夠基本掌握主要常用分析儀器的分析測試方法和工作原理［1］。儀器分析教學(xué)內(nèi)容大都以課堂教學(xué)傳授知識為主［2］，分為兩個階段：1）通過理論課程的講解，讓學(xué)生全面學(xué)習(xí)分析儀器的基本原理；2）通過操作實驗培養(yǎng)學(xué)生實際操作及動手能力［3］。通過儀器分析實驗教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在實驗中始終覺得高端儀器就是一個功能強(qiáng)大的“黑匣子”，對于儀器內(nèi)部構(gòu)造卻無法直觀了解，也因此對其存在很強(qiáng)的神秘感。在傳統(tǒng)教學(xué)中教師講解后由學(xué)生按照實驗步驟進(jìn)行操作［4］，所開設(shè)的實驗均屬于操作性和驗證性實驗［5］。盡管儀器分析實驗課程能夠讓學(xué)生在實驗教材的指引下達(dá)標(biāo)完成檢測試驗，但是在一定程度上學(xué)生缺乏對國外高端分析儀器深入直觀的了解。實際工作中發(fā)現(xiàn)，一些高年級本科生和研究生存在一個典型的問題，就是對于一些分析儀器的印象不深刻，操作更不用說。如何能夠在有限的實驗教學(xué)時間里培養(yǎng)學(xué)生實驗技能和創(chuàng)新能力并激發(fā)實驗的興趣、強(qiáng)化動手能力的訓(xùn)練［6］，讓學(xué)生對高端分析儀器有充分的了解，開闊學(xué)生的知識視野，促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的基本素質(zhì)素養(yǎng)的形成［7］，設(shè)計出理論和實際操作相結(jié)合的實驗內(nèi)容是非常必要的，不但有利于知識的傳授，更有利于開展后續(xù)的科學(xué)研究工作［8］。

1 實驗設(shè)計的目的

為了激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，我們在儀器分析實驗中設(shè)計了儀器拆裝的環(huán)節(jié)，通過這個過程打開國外高端分析儀器這個“黑匣子”，消除學(xué)生心中存在的神秘感，讓學(xué)生深入了解儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成，加強(qiáng)逆向思維的特點，更好地掌握分析測試原理，搭建起理論學(xué)習(xí)和動手認(rèn)知之間對接的橋梁。

2 實驗建設(shè)的內(nèi)容

國內(nèi)很多高校針對培養(yǎng)學(xué)生的需要，從國外購置了大量先進(jìn)的高端分析儀器設(shè)備用于儀器分析實驗教學(xué)，高校大型儀器設(shè)備的數(shù)量和質(zhì)量都得到了極大的提高［9－11］。北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院中級儀器實驗室作為面向全校開放的公共儀器服務(wù)平臺已成立18年，為學(xué)生提供了充分、自由的學(xué)習(xí)機(jī)會。在實驗室建立之初，購置的一些國外高端分析儀器在教學(xué)科研工作中已經(jīng)發(fā)揮了應(yīng)有的作用，由于使用比較頻繁，導(dǎo)致儀器老化，這些儀器設(shè)備雖然不再具有精確的分析測試功能，但是硬件部分仍然完整。我們把這些不再適用于科研的舊儀器集中起來，搭建了儀器拆裝實驗和展示平臺，在本科生的儀器分析實驗教學(xué)中開放使用。學(xué)生在了解相關(guān)儀器原理的前提下，通過實驗教師的指導(dǎo)，親自動手拆裝解剖儀器，具體實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

目前實驗室的舊儀器有美國Varian公司生產(chǎn)的紫外光譜儀（UV）和美國Finigan公司生產(chǎn)的氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC－MS），我們也收集了有些課題組報廢的儀器，如德國Brucker公司生產(chǎn)的紅外光譜儀（IR）和美國Digital Instrument公司生產(chǎn)的原子力顯微鏡（AFM）。結(jié)合這些廢舊儀器資源分別開展拆裝實驗，具體內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點如表1所示。

實驗儀器就是一部綜合性很強(qiáng)的實物教材，實驗過程中拆開的儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)涉及多方面的現(xiàn)代知識體系，包括光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、計算機(jī)應(yīng)用等多方面的知識。在開始拆裝實驗之前，讓學(xué)生充分了解分析儀器內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的采集和傳輸系統(tǒng)等，在拆裝過程中同學(xué)之間可采用靈活的溝通和交流方式。在儀器拆裝實驗過程中通過對儀器的拆裝解剖，學(xué)生能比較直觀地了解儀器內(nèi)部的構(gòu)造，學(xué)習(xí)儀器設(shè)備拆裝過程的操作要點、裝配要求，熟悉儀器內(nèi)部相應(yīng)零部件的功能，并且對儀器內(nèi)部的構(gòu)造和儀器工作控制有比較直觀認(rèn)識。實驗指導(dǎo)教師則可鼓勵大家針對拆裝實驗過程中出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行討論和分析，通過分析探討現(xiàn)有儀器的優(yōu)缺點，最后做出相應(yīng)總結(jié)。實驗過程結(jié)束后要求學(xué)生通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，了解一些前沿的儀器技術(shù)，加強(qiáng)對一些核心技術(shù)產(chǎn)品的認(rèn)知，譬如高真空系統(tǒng)、分子渦輪泵、質(zhì)量分析器等。要求對典型的高端分析儀器做進(jìn)一步的深入學(xué)習(xí)，并且在實驗過程中熟悉相關(guān)技術(shù)的專利體系，讓學(xué)生認(rèn)識到研發(fā)精神培養(yǎng)的重要性。

表1 儀器拆裝實驗主要內(nèi)容

圖2 紅外光譜儀內(nèi)部圖

圖3 質(zhì)譜儀內(nèi)部圖

3 儀器拆裝實驗的意義

儀器拆裝可以使學(xué)生在做好常規(guī)測試實驗的同時對儀器構(gòu)造有一個直觀的認(rèn)識，消除了自身對國外進(jìn)口先進(jìn)精密儀器的神秘感，從而能夠更好地理解理論課中內(nèi)容。儀器拆裝能提高學(xué)生的動手和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，興趣是最好的老師，可激發(fā)人的創(chuàng)造熱情、好奇心和求知欲［12］，從而為理論課學(xué)習(xí)的進(jìn)一步提高奠定了基礎(chǔ)。

開設(shè)該實驗具有很強(qiáng)的實踐性和應(yīng)用性，體現(xiàn)了理論聯(lián)系實際的教學(xué)過程，解決了學(xué)生探索求知精神和創(chuàng)新能力弱的問題［13］。學(xué)生在自己動手拆裝儀器的過程中學(xué)習(xí)和掌握了一定的儀器拆裝技術(shù)和技巧，能夠借助于“逆向工程”（通過拆卸競爭者產(chǎn)品以達(dá)到理解和改善產(chǎn)品的目的）在有限的實驗教學(xué)時間里起到很好的銜接理論教學(xué)的作用?？梢粤私鈬庀冗M(jìn)儀器的設(shè)計思想和方法，培養(yǎng)自信和自主創(chuàng)新的精神，成為激發(fā)創(chuàng)新精神的催化劑，從而更加有利于學(xué)生以后的科學(xué)研究工作。

廢舊大型儀器的資源得到了再次很好的利用，讓國有資產(chǎn)充分發(fā)揮更多更好的效用，同時對實驗室人員提出了更高的要求，促使相關(guān)工作人員的水平得到更好的提高，促進(jìn)了實驗室的建設(shè)和良性發(fā)展。

4 結(jié)束語

在學(xué)校的教學(xué)實驗中，學(xué)生動手能力的培養(yǎng)是一件很困難的事情，儀器拆裝這種方式雖然相對比較繁瑣，但是能充分開闊學(xué)生的知識視野。想要學(xué)生在短時間完整地掌握各種儀器內(nèi)部的構(gòu)造和功能是非常困難的，但在這種該教學(xué)模式下，在給予學(xué)生充分自由的前提下根據(jù)學(xué)生個人的興趣自由選擇拓展實驗課程，不會給緊張的實驗課程帶來額外的負(fù)擔(dān)。經(jīng)過參與實驗的同學(xué)反饋，該實驗?zāi)Ｊ襟w驗很好，很有挑戰(zhàn)和樂趣。此種模式的推廣能讓大學(xué)生創(chuàng)新教育和素質(zhì)教育更加深入，人才興趣培養(yǎng)得到優(yōu)化，顯著提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新精神，同時能夠有利于吸引更多的青年人才對高端分析儀器的研發(fā)與制造產(chǎn)生興趣，讓大學(xué)生科技創(chuàng)新活動更加豐富多彩，增加學(xué)生自己的專業(yè)競爭力，能夠培養(yǎng)出適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的知識和技能。

［1］趙藻藩，周性堯，張悟銘，等.儀器分析［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［2］崔皆凡，劉曉明，孟奇愷.面向“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”實踐創(chuàng)新型電氣工程才的培養(yǎng)［J］.實驗技術(shù)與管理，2015，32（2）：11－13.

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Practice of Instrument Assembly and Disassembly in the Instrument Analysis Experiment

PANWei，CHEN Mingxing，GUAN Yan
（College of Chemistry and Molecular Engineering，Peking University，Haidian 100871，China）

In order to allow the students have amore in－depth understanding of the structure and composition of the advanced chemical analysis instrument，an apparatus for the undergraduate s instrument assembly and disassembly experiment is set up.At the same time，students get the opportunities to hand the assembly and disassembly instrument in the instrumentanalysis experiment teach ing.Through the instrument disassembly in－depth observation of the internal structure，students are familiar with the instruments of various functional parts.Then it can strengthen the reverse thinking training，and let them grasp the principle ofanalytical instruments，eliminate the conflict and the sense ofmystery，build up the bridge between the theory of learning and practice.Practice shows that the promotion of thismodel can significantly improve the students practical ability and innovative spirit.

instrument assembly and disassembly；analysis instrument；reverse thinking；experiment teaching；instrumental analysis

G642.0；TH707

A

10.3969／j．issn．1672－4550.2017.03.010

2015－12－05；修改日期：2017－04－17

青年科學(xué)基金項目（21204001）。

潘偉（1978－），男，碩士，工程師，主要從事大型儀器管理、分析測試及實驗室管理方面的工作。