王廣利 張強斌 師生寶 王新偉 李美俊

[摘 要]儀器分析課程主要講授各類現(xiàn)代大型科學(xué)儀器的組成、結(jié)構(gòu)、原理、方法和應(yīng)用，理論性和實踐性強，教學(xué)內(nèi)容既有廣度又有深度。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)充分吸收國內(nèi)外先進的教學(xué)和科研成果，以各類儀器基本原理的教學(xué)為主線，通過理論與實驗相結(jié)合，不同教學(xué)方式互相配合，生動形象、深入淺出的闡述各類儀器的基本原理、組成與結(jié)構(gòu)、定性和定量分析過程，培養(yǎng)學(xué)生運用基本原理來分析問題和解決問題的能力。

[關(guān)鍵詞]現(xiàn)代儀器分析;原理;實驗;教學(xué)方式;教學(xué)效果

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）02-0074-03

儀器分析（Instrumental analysis）是當今分析化學(xué)學(xué)科的核心，它在分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、食品科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)以及其他許多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1-3]。盡管并不需要使用儀器的所有人員都經(jīng)過完美的訓(xùn)練和擁有高超的分析技能，但使用者也不能簡單地將分析儀器當作黑匣子（black boxes）或無用數(shù)據(jù)的輸入輸出（garbage in， garbage out），這最終將導(dǎo)致大量實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)的誤用、濫用[3]。儀器分析課程在高等學(xué)校有關(guān)專業(yè)中對培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題能力和創(chuàng)新精神、掌握現(xiàn)代的研究手段與方法有重要作用[4]。鑒于此，這門課程已日益受到重視[1]。本文作者在環(huán)境科學(xué)本科生現(xiàn)代儀器分析以及研究生相關(guān)課程教學(xué)和科研工作的基礎(chǔ)上，探索儀器分析課程的教學(xué)方法和教學(xué)改革，以學(xué)生為中心，提升學(xué)生運用基本原理和方法解決實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

一、以儀器基本原理的教學(xué)為主線

儀器分析是以物質(zhì)的物理性質(zhì)為基礎(chǔ)建立和發(fā)展起來的一類分析方法，主要運用科學(xué)儀器獲得物質(zhì)的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)信息[1-2]。因此，它是一門理論性和實踐性都很強的課程[5]。講好“理論”或“原理”，可以激發(fā)學(xué)生的理論興趣， 拓寬學(xué)生的理論視野， 活化學(xué)生的理論思維， 提升學(xué)生的理論境界[6-7]，從而使他們掌握教學(xué)內(nèi)容的核心，指導(dǎo)后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

依據(jù)所測定物質(zhì)物理性質(zhì)的不同，儀器分析的具體方法可分為光學(xué)分析法、電化學(xué)分析法、熱分析法、色譜法和質(zhì)譜法等。盡管在外觀、組成和性能上千差萬別，但現(xiàn)代分析儀器總體上都由激發(fā)源、樣品室、檢測器、信號處理器（放大器）和輸出設(shè)備（記錄儀、工作站或計算機）幾個部分構(gòu)成。因此，在教學(xué)過程中我們緊緊抓住所測定物質(zhì)的物理性質(zhì)這個“牛鼻子”，以各類儀器的基本原理為主線，將其貫穿于各項內(nèi)容的教學(xué)，每一章的教學(xué)均按照原理→構(gòu)造→應(yīng)用的內(nèi)容進行教學(xué)設(shè)計。首先，“原理”是教學(xué)的重點和難點內(nèi)容，常常涉及量子力學(xué)等研究微觀粒子運動規(guī)律的物理學(xué)內(nèi)容，內(nèi)容較為抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大。因此，我們嘗試采用動畫和視頻等先進的多媒體技術(shù)進行講授，以幫助學(xué)生理解和掌握。其次，我們在講授儀器結(jié)構(gòu)和構(gòu)造時，將其與基本原理緊密聯(lián)系進行分析，讓學(xué)生不僅“知其然”而且要“知其所以然”。最后，讓學(xué)生運用實例講解譜圖解析和定性定量分析。光學(xué)分析法起源于人們對太陽光譜或自然光的觀測，是最古老也是目前應(yīng)用最為廣泛的鑒定自然界物質(zhì)的方法之一。以原子光譜法為例，19世紀初，Wollaston （1802）和Fraunhofer （1817）就分別發(fā)現(xiàn)太陽光譜中有暗線。此后，由Bunsen & Kirchhoff （1860）設(shè)計了最早的原子吸收試驗裝置。進入20世紀后，Woodson R.（1902） 利用原子吸收現(xiàn)象研究天體和星際間的化學(xué)組成。1955年，澳大利亞CSIRO化學(xué)家 Alan Walsh 在Spectrochimica Acta上發(fā)表“The Application of Atomic Absorption Spectra to Chemical Analysis”的著名論文，原子吸收光譜法（AAS），這一基于自由原子（蒸汽）對電磁波的吸收作用進行分析的方法開始得到迅速應(yīng)用和發(fā)展。在學(xué)生對原子光譜法起源和發(fā)展沿革過程有了認識后，教師講授原子的能級躍遷與光譜的產(chǎn)生，并以鈉原子為例，分析其特征譜線的產(chǎn)生和黃色火焰的形成，引入共振線、電離線等概念，借助Boltzmann公式探討影響譜線強度的因素。此后，教師對組成原子光譜儀的各個部分進行講授。對于原子發(fā)射光譜儀（AES）而言，需要利用能量（電能、熱能或ICP）激發(fā)樣品，產(chǎn)生發(fā)射光譜，并設(shè)置攝譜儀進行采集信號，可同時對70多種元素進行定性分析;對于原子吸收光譜儀（AAS）來說，則是運用銳線光源，對原子化后的樣品濃度或含量進行測定。最后，教師指導(dǎo)學(xué)生對原子光譜法的定性定量應(yīng)用進行學(xué)習(xí)，容易理解AAS只能進行定量分析，而且一次分析只能測定一種元素;而AES則主要是進行定性分析，且可同時測定多種元素。這樣的教學(xué)設(shè)計水到渠成、順理成章，有益于學(xué)生的理解和掌握。

再以質(zhì)譜法為例稍作介紹。質(zhì)譜（Mass Spectrometry， MS）分析法是將物質(zhì)分子電離并按離子的質(zhì)荷比進行分離和檢測的方法。既然如此，那么質(zhì)譜儀一定包括兩個核心的組成部分，一個是將中性分子進行電離從而形成帶電離子的裝置（稱為離子源），另一個是將質(zhì)荷比不同的離子進行分離的裝置（稱為質(zhì)量分析器）。同時，離子化及其分離過程須在高真空條件下才能完成，空氣分子的存在將大大影響這一過程，因此離子源（10-3～10-5 Pa）和質(zhì)量分析器（10-6 Pa）需要置于高真空系統(tǒng)中。根據(jù)所分析物質(zhì)或樣品性質(zhì)和組成的差異，可以選擇相應(yīng)的離子源和質(zhì)量分析器。如果分析對象是石油或油品，其組成復(fù)雜但熱穩(wěn)定性較高，可以選擇電子轟擊源（EI），它提供的能量較大，因此產(chǎn)生的分子碎片較多，可以提供豐富的結(jié)構(gòu)信息。然而，如果分析對象是熱穩(wěn)定較差的蛋白質(zhì)或多肽類有機大分子化合物，則應(yīng)當選擇基質(zhì)輔助激光解析電離（MALDI）或電噴霧電離（ESI）等能量較低的電離源。

總之，各類儀器原理應(yīng)當作為整個教學(xué)過程的核心和主線，這有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，避免“眉毛胡子一把抓”或者由于學(xué)習(xí)內(nèi)容多而迷茫不得法，即“學(xué)而不思則罔”。

二、充分吸收國內(nèi)外先進的教學(xué)科研成果

在備課和教學(xué)過程中，充分吸收和運用國內(nèi)和國外優(yōu)秀教材的教學(xué)成果，并融入到教學(xué)過程中。教學(xué)內(nèi)容深入淺出，有利于非化學(xué)類專業(yè)或物理、化學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱學(xué)生的學(xué)習(xí)。

依據(jù)2016年新修訂的教學(xué)大綱和最新國家級規(guī)劃教材（朱明華主編，儀器分析，第4版），參閱國內(nèi)其他優(yōu)秀教材和國外本科生（非化學(xué)類專業(yè)）經(jīng)典教材Undergraduate Instrumental Analysis（7th Edition， 2014），認真準備教學(xué)日歷、教案、講稿和教學(xué)課件，準確說明每部分教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)目的、基本知識點、重難點和教學(xué)方法?？荚囋u分標準合理，考試結(jié)果分析到位，考試資料保存完整。教師積極與學(xué)生交流，善于聽取學(xué)生的意見，及時解答學(xué)生提出的問題。教學(xué)內(nèi)容充實，能反映學(xué)科前沿，基礎(chǔ)性強，突出反映學(xué)科基本思想、基本方法和基本應(yīng)用的內(nèi)容，理論聯(lián)系實際，引入適當?shù)膽?yīng)用實例，專業(yè)課與應(yīng)用實際緊密結(jié)合。作業(yè)和考試中有較多綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性的內(nèi)容。教師在講授中能從現(xiàn)象、實際問題出發(fā)引出理論知識，介紹現(xiàn)代儀器的發(fā)展歷程、應(yīng)用實例，以此來調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生探究知識、應(yīng)用知識的自覺意識;在課堂內(nèi)外能給學(xué)生留下較大的思考空間，啟發(fā)學(xué)生積極思考，有意識地訓(xùn)練學(xué)生分析和解決問題的能力;積極將自己的科研心得和科研成果介紹給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的研究興趣。課堂氛圍活躍，學(xué)生積極思考和回答問題。

在教學(xué)過程中，注意引入和介紹現(xiàn)代分析儀器在一些國際科學(xué)前緣領(lǐng)域的應(yīng)用進展，以提升學(xué)生對科學(xué)的興趣和學(xué)習(xí)的積極性、主動性。首先，歷年來的諾貝爾獎成果中，常常出現(xiàn)分析儀器的身影。這些獎項或者是直接對儀器研發(fā)的貢獻，或者在其成果中儀器分析發(fā)揮了關(guān)鍵作用。如1989年物理獎“離子阱技術(shù)的發(fā)明”，1991年“傅里葉變換核磁共振法和二維核磁共振技術(shù)的發(fā)明”，2002年的“電噴霧（ESI）電離方法進行生物大分子分析”“基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜（MALDI）方法進行生物大分子分析”“利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法”。其次，儀器分析在國際科學(xué)前緣領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，在“好奇號”火星車上，裝有先進的原子光譜和紅外光譜組成的探測儀（覆蓋波長范圍240～850nm），可以實現(xiàn)對火星表面7m以上巖石和土壤樣品元素組成的快速分析鑒定;與此同時，“好奇號”上還裝有氣相色譜-質(zhì)譜儀（GC-MS），通過對火星富鐵礦物中生物標志物（脂肪酸）的分析，表明火星上曾經(jīng)有廣泛的微生物的活動。

三、理論與實驗和研討相結(jié)合

儀器分析課程的理論性和實踐性都很強，教學(xué)內(nèi)容既有廣度又有深度。因此，理論與實驗相結(jié)合、重視實驗教學(xué)，對于儀器分析課程的教學(xué)不可或缺[8-10]。為此，在本科生課程中安排了“氣相色譜儀靈敏度、分離度的測定”“紫外吸收光譜分析的應(yīng)用”“氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用觀摩實驗”和“原子吸收光譜定量分析實驗”等四個教學(xué)實驗，分別在“色譜法”“紫外光譜法”“質(zhì)譜法”和“原子吸收光譜法”等章節(jié)后進行，以配合理論教學(xué)。教學(xué)實驗分組進行，教學(xué)和實驗老師認真仔細地指導(dǎo)，保證每一位學(xué)生動手操作和實驗，培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?。學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性較高，教學(xué)效果良好。此外，還專門開設(shè)了數(shù)據(jù)分析與處理方法課程，對學(xué)生進行系統(tǒng)的實驗技能和實驗方法的培養(yǎng)。

隨著素質(zhì)教育、科技創(chuàng)新的廣泛開展和深入進行，研討式教學(xué)在開闊學(xué)生知識眼界、發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、激發(fā)學(xué)生探索創(chuàng)意等方面顯示出明顯的優(yōu)勢，逐步成為廣大教師追求的主要教學(xué)模式[11]。為了培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，專門安排了研討課進行課堂討論，每位學(xué)生自選題目，開展文獻調(diào)研，進行5～10min的發(fā)言，內(nèi)容涉及新技術(shù)、新方法、新應(yīng)用等。這些新技術(shù)如“全二維氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜”“傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜”等新型質(zhì)譜技術(shù)可以實現(xiàn)對復(fù)雜有機混合物的分析并應(yīng)用于油源對比和油氣運移示蹤，“離子探針技術(shù)”可以對巖石礦物元素進行精確定性定量分析，“二元同位素測定技術(shù)”作為一種新地質(zhì)溫度計有望得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，“紅外呼氣檢測儀”可以快速、準確地對酒駕后血液中乙醇濃度進行檢測。通過嘗試開展研討式教學(xué)方式，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，互相提問、討論和啟發(fā)，探究現(xiàn)代科學(xué)儀器的原理和應(yīng)用，課堂氣氛活躍，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和教學(xué)的效果。

四、不同教學(xué)方式互相配合

興趣是最好的老師，是推動學(xué)生提高學(xué)習(xí)效果最強的動力。對于教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)的關(guān)系，古人一貫強調(diào)教必有趣，以趣促學(xué)。因此，引人入勝的趣味教學(xué)在學(xué)習(xí)中必不可少，其也能明顯提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[12]。儀器分析課程一方面理論性強，一些物理和化學(xué)原理抽象;另一方面實踐性強，但又不可能在有限的學(xué)時內(nèi)對所有講授的儀器進行實驗和操作。因此在該課程中動畫、視頻、板書、習(xí)題和練習(xí)、多媒體等手段互相配合，并結(jié)合生產(chǎn)生活實際進行教學(xué)，就顯得十分重要和必要。

教學(xué)活動依據(jù)教學(xué)大綱，采用理論與實驗、課堂講授與學(xué)生討論的方式進行。課堂教學(xué)運用多媒體、板書等不同方式開展，多媒體圖文并茂。對于一些難以理解的物理化學(xué)原理采用動畫教學(xué)，如色譜的分離原理和過程、紅外光譜中多原子分子的振動方式等;對于譜圖解析和有機物結(jié)構(gòu)推斷則運用板書進行推演，以便于學(xué)生分析和理解。課堂上經(jīng)常通過提出問題或與日常生活相關(guān)的問題來引入所需要學(xué)習(xí)的專業(yè)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生思考和分析問題?？傊诮虒W(xué)過程中，教師要努力建設(shè)思路開闊、氣氛活躍、深入淺出的課堂，探索以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，從而大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動力。同時教師也要嚴格執(zhí)行考勤制度與維護課堂紀律，使教學(xué)效果良好。

教師要采取不同方式答疑，課間、課后（每次半小時左右）及時解答學(xué)生在教學(xué)過程中產(chǎn)生的問題，并安排專門時間答疑。在每個章節(jié)之后，均安排一定數(shù)量的習(xí)題或作業(yè)，由學(xué)生完成，并進行討論。安排期中課內(nèi)測驗和平時作業(yè)，以考查學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解和掌握程度，鞏固教學(xué)內(nèi)容，并訓(xùn)練學(xué)生初步對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成含量進行分析的能力。

五、結(jié)語

儀器分析是理工科學(xué)生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，在基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程學(xué)習(xí)中起到承上啟下的關(guān)鍵作用，不論對于學(xué)生繼續(xù)從事科學(xué)研究還是從事相關(guān)專業(yè)的應(yīng)用性和實踐性工作均具有重要價值。它一方面以大學(xué)物理和大學(xué)化學(xué)課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，另一方面又對后續(xù)許多專業(yè)課程的學(xué)習(xí)來說不可或缺。在教學(xué)過程中，教師要充分吸收國內(nèi)外先進的教學(xué)科研成果，運用動畫、視頻和多媒體等手段，以各類儀器的原理為主線，實驗和研討相結(jié)合，并貫穿于整個教學(xué)內(nèi)容，注重培養(yǎng)學(xué)生運用基本原理來分析問題和解決問題的能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，從而達到更佳的教學(xué)效果。

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[責任編輯：劉鳳華]