種瑞峰，常志顯，馮彩霞，張 凌,李德亮

(河南大學 化學化工學院，河南 開封 475004)

儀器分析是基于物質(zhì)的物理和化學性質(zhì)建立起來的一種分析方法。通過儀器分析實驗可以提高學生對分析方法理論知識的認識、理解、掌握和應用，關系到學生實踐能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。儀器分析實驗是高等教育化學實驗的基礎課程，具有學科交叉、知識點繁多和實用性較強等特點，是化學、生物、化工、材料、環(huán)境、醫(yī)藥、食品等科學研究和工業(yè)控制的一雙明亮的“眼睛”。與其他基礎實驗不同，儀器分析實驗中，學生利用各種大型精密儀器，通過測量物質(zhì)的物理化學參數(shù)及變化規(guī)律，來獲取物質(zhì)的化學組成、含量和結(jié)構信息[1]。然而，目前儀器分析實驗仍存在諸多不足，如硬件設施不足、實驗課時少、教學內(nèi)容陳舊、綜合性和創(chuàng)新性差、師資隊伍薄弱等問題[2]，導致對學生的培養(yǎng)質(zhì)量偏低，不能滿足未來科技發(fā)展的能力需求。為此，本文以“學生自主設計實驗”為突破口，對儀器分析實驗課程的教學進行探索，以期提升儀器分析實驗教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

1 學生自主設計儀器分析實驗的必要性

隨著高等院校擴招，高等教育資源的投入不足，特別是由此引發(fā)的實驗教學資源不足的狀況更為明顯。雖然近幾年實驗資源有所改善，但學生實驗技術綜合訓練不足和動手能力差等問題也日益浮現(xiàn)出來，而且已經(jīng)影響到他們畢業(yè)后的就業(yè)和深造[3]。同時，隨著科技的進步和社會的發(fā)展，傳統(tǒng)“講授-驗證”的實驗教學模式、固定的實驗項目、“照方抓藥”的實驗流程，大部分學生忽視對實驗內(nèi)容和過程的全面掌握，導致儀器操作水平較差，學生既沒有思考空間也沒有發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的機會。另外，實驗內(nèi)容也多依附于理論教學，內(nèi)容陳舊、脫離實際，學生難以產(chǎn)生興趣，影響了學生創(chuàng)新思維和綜合能力的培養(yǎng)。自主設計實驗的教學方法，與傳統(tǒng)實驗教學方法相比具有更靈活的特點，更能鍛煉學生查閱資料能力、獨立思考能力、實驗操作能力、協(xié)調(diào)公關能力、發(fā)現(xiàn)和解決問題能力等，從而使學生產(chǎn)生更濃厚的學習興趣，加深學生對基礎理論的理解和認識，促進學生綜合素質(zhì)的提升。

2 自主設計型教學模式的構建

自主設計實驗是根據(jù)講解知識，理論聯(lián)系實際，啟發(fā)學生根據(jù)現(xiàn)有的實驗條件，從實驗方案設計到實施，最后分析處理結(jié)果都由學生完成的實驗教學模式[4]。它是以學生為主體，注重學生的創(chuàng)造性、靈活性和實踐性的培養(yǎng)，提高學生的學習積極性、獨立思考能力和綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識。因此，探索以學生為主體、以能力培養(yǎng)為中心的自主設計儀器分析實驗教學模式，需要在實驗內(nèi)容、教學方法、實驗成績的考核等方面進行實踐探索。

2.1 實驗內(nèi)容的改革

傳統(tǒng)的儀器分析實驗教學內(nèi)容大多是圍繞理論課教材，實驗內(nèi)容比較陳舊，且大多為驗證性實驗，只注重實驗內(nèi)容與理論知識的銜接，內(nèi)容和儀器設備更新緩慢，與實際科學的進步不同步，導致學生對實驗課很難產(chǎn)生學習興趣和主動性。為此，要打破傳統(tǒng)理論課和實驗課教材的束縛，根據(jù)儀器分析實驗的課程教學目標和儀器發(fā)展現(xiàn)狀，有針對性地開展學生自主設計實驗，豐富實驗內(nèi)容。自主設計實驗應主要圍繞自主性、專業(yè)性、綜合性和挑戰(zhàn)性四個特點開展。

自主性：既然是自主設計實驗，那么實驗的內(nèi)容就應充分體現(xiàn)出“自主設計”這一主線。要求學生根據(jù)實驗的目的和實驗室工作條件，自主設定實驗題目和實驗方案。實驗內(nèi)容要求在實驗室條件下能夠正常完成。實驗方案要求包括樣品的制備、預處理、檢測和表征、結(jié)果與討論、三廢處理等。

專業(yè)性：儀器分析實驗是大部分理工科專業(yè)的必修課程。自主性實驗項目的開展在內(nèi)容上要充分結(jié)合學生的專業(yè)特點，只有這樣才能激發(fā)學生的學習興趣，以適應未來職業(yè)崗位要求的需要。

綜合性：儀器分析實驗一般在第三、四學期開設，此時學生的初步化學知識和實驗技能已經(jīng)具備。因此，自主性實驗一定要有一定的綜合性，使整個實驗過程中的每一步都體現(xiàn)學生參與的重要性，這樣才能真正地調(diào)動學生實驗的主動性，鍛煉學生的實踐能力，提高學生進行科學研究的綜合素質(zhì)。

挑戰(zhàn)性：根據(jù)實驗室條件，以學生掌握的基本化學知識、專業(yè)知識和實驗技能為基礎，結(jié)合實際應用、教師科研、專業(yè)前沿和熱點，將設置實驗內(nèi)容適當高于所學知識和技能，引導學生通過文獻調(diào)研對相關知識進行探究，激發(fā)學習興趣，能夠培養(yǎng)學生分析解決問題、探索創(chuàng)新和自主進行研究型學習的能力。

2.2 教學方法的改革

傳統(tǒng)的教學方法，一般是由實驗教師在課時的前15-20分鐘，對本次實驗的原理、操作步驟、注意事項及計算公式等用多媒體或者板書對學生進行講解，然后學生以實驗老師講解為主線，以教材和預習報告為基礎，照方抓藥完成實驗操作，這樣嚴重束縛了學生思維和創(chuàng)造性。自主設計實驗充分發(fā)揮學生的主體地位和主觀能動性，老師只進行啟發(fā)和引導，督促學生自主學習。

自主設計實驗不僅給與了學生充分的自主思考空間，而且通過選擇題目、交流討論、分工完成實驗步驟、課下探討和研究，營造出寬松、自由、活潑的教學方法，讓學生自主學習，獨立獲取信息、運用知識、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，同時還能促進學生理論與實踐結(jié)合、興趣與專業(yè)相結(jié)合、學習知識與科學研究相結(jié)合能力的培養(yǎng)。在實驗教學過程中，實驗指導老師是整個過程的組織者、指導者、激勵者、協(xié)調(diào)者、評價者。由于題目是學生自己選的，因此在整個實驗過程中，學生都會充滿了興趣和激情。當實驗出現(xiàn)挫折和失敗時，多不會輕易放棄，一定會通過各種途徑尋求辦法來解決，甚至不惜犧牲休息時間和假期。當實驗成功后，他們會覺得這是自己的成果，充滿自豪和成就感。

2.3 實驗成績的考核

傳統(tǒng)實驗課考核一般是考勤、預習報告、操作、實驗報告、注意事項幾個部分，實驗成績的考核重點多放在實驗結(jié)果與實驗報告撰寫上。而自主設計實驗主要是重過程和實驗方案設計的一種實驗創(chuàng)新，關鍵是發(fā)揮團隊的智慧，重點是思路、過程及其解決問題的方案。最后的實驗結(jié)果，不是考核的目的。因此，不能按傳統(tǒng)實驗那樣讓學生按照指導老師給定的實驗操作程序做一遍實驗，然后根據(jù)實驗報告給出一個分數(shù)，這樣就失去了自主設計實驗的意義。所以自主設計式教學模式下，實驗成績考核應在以往內(nèi)容的基礎上，增加文獻調(diào)研與分析、方案設計、多元化討論等的環(huán)節(jié)，且增大其權重。也就是說實驗考核重點要從選題意義和難度、ppt匯報、方案設計的優(yōu)劣、實驗過程中解決問題的態(tài)度和能力、儀器操作技能、實驗結(jié)果及意義等多個方面去考量。還要根據(jù)學生實驗題目選擇的難易程度，設定不同的分數(shù)系數(shù)。

3 自主設計實驗教學中常見問題及對策

實施學生自主設計實驗的目的，是激發(fā)學生的探索精神，開拓學生的視野，培養(yǎng)學生的學習興趣和職業(yè)素養(yǎng)，拓展其研究思路和科學思維能力，提高其解決問題和創(chuàng)新能力，提升儀器分析實驗的教學質(zhì)量。因此，在自主設計實驗教學中，要讓學生享有充分的自主權[5]。但在實施過程中，也經(jīng)常會出現(xiàn)一些問題。

興趣選題難度不易控制及對策。自主設計實驗是以培學生的科研素養(yǎng)、科研興趣為基本原則。如果能夠通過自主設計實驗讓廣大學生樂于進行創(chuàng)新實踐和科學研究，則符合我們當前的國家政策——全民創(chuàng)新的主題。科學的選題有助于學生以良好的心態(tài)去完成，實驗最大范圍增加學生可能接觸的知識量。但是在自主設計實驗初期，由于以往啟發(fā)式教育的滲透不足，研究型實驗進行太少，沒有更深的引導學生去思考，所以不少學生找不到實驗開展的切入點，天馬行空地去構思，容易造成學生耗時費工，甚至出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象。因此，應加強老師分類指導作用，題目的選擇要結(jié)合學生專業(yè)和興趣做到階梯性難度，從易到難。對敏銳好學愿意接受挑戰(zhàn)的學生，要鼓勵、支持，適當增加任務量及難度；對興趣不在本學科或者其他原因的學生，適當減少任務量，保證學習興趣及基本知識的掌握[6]。要指導學生把相關課程的實驗內(nèi)容進行深度融合，多讓教師與學生、學生與學生進行互動交流。

實驗技術及儀器存在的問題及對策。與傳統(tǒng)實驗相比，學生對自主設計實驗往往表現(xiàn)出較高的熱情，多選創(chuàng)新性的實驗，在自主設計實驗初期，不能在教學安排的時間內(nèi)完成任務，卻自愿利用休息時間來完成。但隨著后續(xù)實驗的進行，也有部分學生實驗技術欠佳，導致學生熱情度下降，對實驗過程簡單處理，選擇簡單的技術和操作敷衍完成實驗，導致實驗室的許多儀器處于閑置狀態(tài)，不能充分發(fā)揮自主設計實驗中應有的重要作用。針對這種現(xiàn)象，應對學生加強指導，向?qū)W生講解實驗技術，并推薦參考書、《儀器分析虛擬仿真實驗》軟件及相關操作視頻。對于一些在學生設計方案中經(jīng)常出現(xiàn)而實驗室沒有的儀器也要適時進行補充。同時對于一些大型儀器，學校通常多用于研究，不對本科生開放，指導老師要與學校、學院及儀器負責人溝通，讓他們支持本科生的教學需求。同時把相關的教材、資料和視頻放到實驗中心的網(wǎng)站上，讓學生熟悉儀器的原理和功能、操作流程、注意事項、數(shù)據(jù)分析，以便于學生隨時查閱。

操作時間安排存在的問題及對策。自主設計實驗一般用時較長，而且實驗過程具有未知性和復雜性，安排的操作時間內(nèi)未必能得到預定結(jié)果，大多需要安排2-4次的操作時間。所以，首先適當增加實驗項目的學時數(shù)。第二，適當減少驗證性實驗學時。第三，自主設計實驗要與本學期的學生創(chuàng)新活動或者其他志愿者活動相結(jié)合，來彌補操作時間過長問題。

藥品的累積及對策。自主設計實驗與驗證性實驗不同的是，組間選擇題目的差異性，長此以往會使藥品越積越多甚至過期浪費。針對這個問題應引導下屆學生選題時盡可能在原有實驗題目的基礎上進行改進或者創(chuàng)新，增加實驗的延續(xù)性。增加學生的責任感和小組間樣品共用，減少藥品的閑置浪費。

教師的工作量及對策。自主設計實驗的實驗條件、方法選擇、操作步驟及其實驗結(jié)果等多存在一定的未知性，這種探究性的教學方式往往打亂了學校的學時安排和實驗室開放時間，需要指導教師和實驗室管理人員投入更多的時間和精力，充分做好實驗前的規(guī)劃和準備工作，同時還得對實驗中遇到的問題有一定的預測性及合理解決方案，這樣勢必增加指導教師和實驗室管理教師的工作量。為此，應積極宣傳自主設計實驗在學生教學中的重要意義和作用，引導學校、學院在學生培養(yǎng)方案修訂中，適當增加自主設計實驗課程的學時數(shù)。其次，教師要充分利用通信和網(wǎng)絡設備，設立指導教師、實驗室管理者、儀器負責人、相關教務人員組成的微信圈，利用微信視頻和視頻會議等形式，盡可能減少不必要的重復性工作。另外，志愿者行動是在我國深化改革以倡導和推進愛心助人、奉獻社會為宗旨，繼承中華民族互幫互助的優(yōu)良傳統(tǒng)，推進精神文明建設的新舉措?？梢酝ㄟ^一定形式將教師課外工作量與志愿者活動相結(jié)合，增強教師的榮譽感和奉獻精神，提高教師參與自主實驗教學的積極性。

4 結(jié)束語

自主設計實驗的宗旨是鞏固基礎、激發(fā)興趣、訓練思維、自主設計、研究創(chuàng)新、提升素質(zhì)。將自主設計實驗引入到儀器分析實驗課程中，是順應新時代人才培養(yǎng)的發(fā)展要求，是對創(chuàng)新型實驗教學改革的探索和完善，是夯實其專業(yè)基礎、增強其專業(yè)素質(zhì)、培養(yǎng)其學習興趣和提高其創(chuàng)新思維及獨立解決問題等方面的綜合能力[7]的重要措施。在今后的實踐中，將進一步完善改革措施，勇于探索，及時解決實驗教學中出現(xiàn)的問題，為提高教學質(zhì)量盡一份教師的微薄之力，為社會培養(yǎng)出更多的優(yōu)秀人才。