鄒桂征，孫樹喆,2，徐曉文，黃錫榮，楊國生，吳波，張斌,＊

1山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，濟南 250100

2山東大學(xué)泰山學(xué)堂，濟南 250100

儀器分析化學(xué)是高等院?；瘜W(xué)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，包括儀器分析理論和儀器分析實驗兩門課程，根據(jù)現(xiàn)有山東大學(xué)化學(xué)專業(yè)本科生培養(yǎng)方案，化學(xué)化工學(xué)院分別在第三和第四學(xué)期開設(shè)。它以物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，利用測量儀器對物質(zhì)進行定性、定量和形態(tài)分析，并發(fā)展與化學(xué)相關(guān)的測量策略、原理、方法與技術(shù)，以精準(zhǔn)獲取物質(zhì)組成、分布、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的時空變化規(guī)律[1]。儀器分析課程越來越多地呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉融合發(fā)展的時代特征，逐漸發(fā)展成為一門建立在化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上的綜合性課程，化學(xué)、材料、信息、能源、環(huán)境、生命、醫(yī)學(xué)和藥學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域?qū)ζ溆休^高的專業(yè)需求[2]。

隨著我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展進入轉(zhuǎn)型階段，高等教育也進入內(nèi)涵提升與轉(zhuǎn)型期，為適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展需求、解決教育領(lǐng)域存在的問題，改革探索一直在不斷進行。但不同的學(xué)科、課程千差萬別，需要根據(jù)課程自身的特點，采用符合學(xué)科規(guī)律的教學(xué)方法。因此，如何通過課程教學(xué)完成知識傳授、素質(zhì)和能力培養(yǎng)以及突出創(chuàng)新思維的引導(dǎo)，是當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式改革面臨的巨大挑戰(zhàn)。尤其是在化學(xué)“雙一流”建設(shè)背景下，陳舊的教學(xué)和實驗內(nèi)容以及傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不符合化學(xué)“雙一流”建設(shè)中的人才培養(yǎng)目標(biāo)[3-6]。本文針對近年來儀器分析課程教學(xué)中存在的問題，結(jié)合學(xué)科發(fā)展趨勢和專業(yè)特點，初步探討了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核評價方式等方面的改革思路，通過更新、完善現(xiàn)代儀器分析化學(xué)課程的理論教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生掌握現(xiàn)代化的專業(yè)基礎(chǔ)知識、具備優(yōu)良的專業(yè)素質(zhì)。

1 儀器分析課程教學(xué)現(xiàn)狀及疫情前后的教學(xué)評估結(jié)果比較

根據(jù)我院化學(xué)專業(yè)本科生培養(yǎng)方案，儀器分析課程設(shè)置在第三學(xué)期開課，即學(xué)生在第二學(xué)期應(yīng)先修完化學(xué)分析課程，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)學(xué)習(xí)掌握儀器分析的原理、方法和應(yīng)用。授課對象針對泰山學(xué)堂化學(xué)取向、化學(xué)專業(yè)強基班(自2021-2022年度秋季學(xué)期開始)、化學(xué)專業(yè)基地班、普通化學(xué)專業(yè)和化工專業(yè)五個不同層次。授課內(nèi)容、授課學(xué)時和考試要求等根據(jù)各自培養(yǎng)方案的不同而有所區(qū)別。2020年春季學(xué)期，面對突如其來的新型冠狀病毒肺炎疫情，學(xué)生無法返校，不能正常開展教學(xué)活動，2019級本科生的化學(xué)分析課程只能采用線上教學(xué)方式，這對教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)都帶來極大的挑戰(zhàn)。由于主客觀的原因(如教師授課方法、所使用的網(wǎng)上教學(xué)軟件、學(xué)生聽課方式的改變、學(xué)生學(xué)習(xí)的自律性、網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定等)，教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果均受到一定的影響。在隨后的秋季學(xué)期中，盡管2019級本科生的儀器分析教學(xué)恢復(fù)為線下正常教學(xué)，但教學(xué)過程中學(xué)生的課堂表現(xiàn)已反映出前面基礎(chǔ)課知識掌握不夠扎實的問題，在期末考試成績上也有所體現(xiàn)。

圖1為疫情前后化學(xué)專業(yè)2018級和2019本科生儀器分析課程教學(xué)評估的部分指標(biāo)對照結(jié)果(均為線下授課，人數(shù)相等，考試題目難易程度相當(dāng))。左圖為學(xué)生對課程的整體評價，認(rèn)為課程較難的比例從疫情前的23.8%上升至疫情后的36.1%；右圖為考試成績分布，優(yōu)秀和良好所占比例數(shù)下降顯著，并且班級平均分也從77.7下降為73.8。上述結(jié)果盡管可能存在其他不確定因素的影響，但直接反映出對于這類注重原理講解和邏輯分析過程推導(dǎo)的理論課教學(xué)，將教學(xué)方式直接簡單地從線下調(diào)整為線上，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有一定影響。

圖1 疫情前后儀器分析課程教學(xué)評估結(jié)果比較

除此以外，雖然第一次線上教學(xué)存在考核結(jié)果較不理想的弊端，但從部分學(xué)生的課后反饋來看，仍有不少學(xué)生認(rèn)為線上教學(xué)為學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)提供了空間和時間。尤其是眾多網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)資源可以通過搜索引擎實現(xiàn)檢索，這在豐富線上課堂較為枯燥的教學(xué)內(nèi)容和提高化學(xué)類學(xué)生自學(xué)能力方面大有幫助，也為后續(xù)嘗試探索線上線下相結(jié)合的多方位一體化教學(xué)新模式奠定了基礎(chǔ)。

2 儀器分析課程教學(xué)中存在的問題

化學(xué)學(xué)科的發(fā)展與社會生產(chǎn)力的發(fā)展密切相關(guān)，不斷地為社會發(fā)展提供解決問題的方法，化學(xué)領(lǐng)域的研究立足于解決社會發(fā)展的問題。隨著科技進步，不斷有新儀器、新技術(shù)和新方法出現(xiàn)，傳統(tǒng)的儀器分析課程教學(xué)內(nèi)容與科研中實際應(yīng)用的現(xiàn)代分析儀器、表征技術(shù)日益脫節(jié)的矛盾不斷加深。同時在教學(xué)模式上，由于該課程涉及到多種儀器和方法，各部分內(nèi)容相對獨立，各種儀器應(yīng)用差別較大，傳統(tǒng)教學(xué)方法使很多學(xué)生感覺到該課程“凌亂”，不能建立知識點之間的聯(lián)系，學(xué)習(xí)過程難以抓住重點。因此，現(xiàn)有儀器分析課程的教學(xué)和實驗內(nèi)容及教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足新時期一流專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，存在的主要問題表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 教材陳舊，教學(xué)內(nèi)容急需補充完善

現(xiàn)使用教材為南京大學(xué)主編、科學(xué)出版社2002年發(fā)行的《儀器分析》，該書在儀器結(jié)構(gòu)和分析原理部分?jǐn)⑹龅幂^為清晰有條理，更傾向于直白淺顯地介紹基本研究思路。但教科書中所涉及的有些分析方法已經(jīng)相對滯后，無法滿足當(dāng)前實際分析工作的需求；同時隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是近十年來納米材料制備和表征技術(shù)發(fā)展的突飛猛進，誕生了眾多光電分析新原理、新方法、新技術(shù)和新儀器[7]，比如表征納米材料結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡(AFM)，透射電鏡(TEM)和掃描隧道顯微鏡(SEM)；表征物質(zhì)相互作用的表面等離子共振(SPR)和石英晶體微天平(QCM)；以及太赫茲時域光譜技術(shù)(THz-TDS)及多種儀器的聯(lián)用進行綜合分析等。在有限的教學(xué)時間內(nèi)，如何將這些最新的儀器分析新原理新方法有機融合到現(xiàn)有課程體系中是一個亟需解決的問題。結(jié)合目前高等院校儀器分析課程開設(shè)學(xué)時數(shù)的現(xiàn)狀，以48學(xué)時和64學(xué)時為例，給出表1供教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時安排參考。

2.2 教學(xué)方法落后

現(xiàn)有教學(xué)模式大多采用傳統(tǒng)的“以課程教學(xué)為中心”的單一教學(xué)方法，側(cè)重單純知識傳遞、忽視學(xué)生能力素質(zhì)的培養(yǎng)，缺乏現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，學(xué)生處于被動的學(xué)習(xí)狀態(tài)，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀積極性。

2.3 缺乏科學(xué)化的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)

考核考試形式單一，往往只采用期末應(yīng)試型的閉卷考試方法，學(xué)生過程學(xué)習(xí)考核所占的比重偏低(儀器分析課程現(xiàn)有教學(xué)大綱規(guī)定平時成績占比為20%)，難以實現(xiàn)教與學(xué)的全過程質(zhì)量控制和有效評價，不利于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。

3 儀器分析課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式改革的幾點思考

3.1 教學(xué)內(nèi)容的更新和完善

1) 參考目前國內(nèi)外名校儀器分析課程的主流教材和學(xué)科發(fā)展趨勢，應(yīng)適當(dāng)刪減或增加部分教學(xué)內(nèi)容。突破原有課程框架的束縛，整合和更新儀器分析課程的基本內(nèi)容和側(cè)重點，大力加強對后續(xù)專業(yè)課“有用、必需”的知識，合理刪掉或簡化一些應(yīng)用性不強的內(nèi)容。另一方面，根據(jù)不同專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)的區(qū)別，對教學(xué)內(nèi)容進行必要的拓展及延伸。

儀器分析課程教學(xué)可以電化學(xué)分析(導(dǎo)論、極譜分析、庫侖分析)、色譜分析(導(dǎo)論、氣相、液相)、光分析(原子吸收與原子發(fā)射、紅外、拉曼、熒光)、波譜分析(核磁共振、質(zhì)譜分析)為主要內(nèi)容，適當(dāng)增加X射線衍射(XRD)、高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)、熱分析(DSC/TGA)、多維熒光等目前在物質(zhì)分離和結(jié)構(gòu)測定領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的分析手段的分析原理和儀器結(jié)構(gòu)原理的介紹。適當(dāng)壓縮繁雜的運算或公式推導(dǎo)部分介紹，但重要的結(jié)論或公式(如色譜保留基本方程、尤考維奇方程等)應(yīng)詳細(xì)闡述和重點考查。

表1 儀器分析教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時安排參考

2) 將基礎(chǔ)知識與學(xué)科前沿相結(jié)合。在理論教學(xué)中，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點，不斷洞察學(xué)科研究的新進展和新成果，在相關(guān)理論知識的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，引入該領(lǐng)域的最新研究動態(tài)，為學(xué)生的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)開拓思路。

3) 緊密結(jié)合學(xué)生的專業(yè)和實際生活，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)過程中，引入現(xiàn)實生活和工作中的實例和問題(比如霧霾的源解析方法、新冠病毒的檢測原理等)，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)的分析化學(xué)知識去解釋一些現(xiàn)象，一方面可以增加學(xué)生對儀器分析課程的學(xué)習(xí)興趣，另一方面也可以提高學(xué)生的理論聯(lián)系實際的能力。

4) 在理論課教學(xué)內(nèi)容完善的基礎(chǔ)上，再對儀器分析實驗的內(nèi)容進一步修訂。

3.2 教學(xué)模式的探索：利用信息化手段，引入多種教學(xué)模式相結(jié)合，探索“模塊式”教學(xué)可行性

1) 伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，混合式教學(xué)模式應(yīng)運而生。在研究分析課程教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、教學(xué)環(huán)境等因素的基礎(chǔ)上，精心設(shè)計教學(xué)過程，將線下(課堂教學(xué))與線上(網(wǎng)絡(luò)教學(xué))進行有機結(jié)合，使其達到優(yōu)勢互補，從而實現(xiàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化。

2) 理論與實驗教學(xué)相聯(lián)系。儀器分析化學(xué)是一門注重方法原理的理解、相對抽象的學(xué)科，理論課上的講解很難使學(xué)生記憶深刻。因此在儀器分析化學(xué)理論課上適當(dāng)滲透實驗課的教學(xué)十分必要，比如增加某些演示實驗、制作相關(guān)理論知識點的Flash、設(shè)計制作虛擬仿真實驗等。通過上述方法既可以豐富實驗教學(xué)手段、彌補現(xiàn)行實驗教學(xué)條件的局限性，也使學(xué)生通過感性認(rèn)識而加深對儀器分析基本原理的理解和記憶。

3) 提高學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)的積極性。學(xué)生通過在線預(yù)習(xí)和交流討論，完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決問題的能力。課堂上根據(jù)學(xué)生課前預(yù)習(xí)反饋評價，選擇性講解重點和難點，適當(dāng)拓寬知識面，達到內(nèi)化和鞏固知識的學(xué)習(xí)目標(biāo)。適時采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，讓學(xué)生講解知識點，教師和同學(xué)提出問題進行討論，提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的能力。

可以教師課堂授課為主，學(xué)生根據(jù)個人情況小組結(jié)合或個人對較新的文獻中所采用的儀器分析手段(鼓勵課外內(nèi)容)進行簡單介紹(每次課15 min以內(nèi))，內(nèi)容應(yīng)清晰闡述所使用儀器分析方法的分析原理、應(yīng)用實例、精密度、與其他方法的比較等。

4) 儀器分析的課程內(nèi)容主要分為光分析(紫外可見吸收、分子發(fā)光、紅外吸收)、電分析、色譜分析(氣相、液相、超臨界流體)、波譜分析(核磁共振、X射線熒光等)等幾個模塊，這與不同授課教師的科研方向密切相關(guān)，教學(xué)團隊將探索授課模塊式的可行性，即光分析的授課由某位從事該領(lǐng)域研究的教師負(fù)責(zé)，在理論基礎(chǔ)系統(tǒng)講解的基礎(chǔ)上，適當(dāng)引入相關(guān)實際科研工作中的應(yīng)用，而波譜分析等則由其他教師來承擔(dān)。一方面教學(xué)內(nèi)容由最擅長該領(lǐng)域的教師承擔(dān)，教學(xué)效果好，另一方面也可以避免一位教師從頭到尾講到底所帶來的“枯燥感”，提高理論課授課的活躍性。

3.3 探索分層次教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革

我院儀器分析課程的授課對象針對泰山學(xué)堂化學(xué)取向、化學(xué)專業(yè)強基班、化學(xué)專業(yè)基地班、普通化學(xué)專業(yè)和化工專業(yè)五個層次，各個專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)不同，因此應(yīng)當(dāng)在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上體現(xiàn)出差異，以分別實現(xiàn)不同專業(yè)方向的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

3.4 改進學(xué)生成績考核方法，研究建立完善的綜合評價機制

合理的課程考核方法是促進學(xué)生學(xué)習(xí)的有效手段。針對以往單一的期中期末閉卷考試形式的不足，研究建立課程考核信息庫，完善綜合考核評價機制，著重考核學(xué)生掌握知識能力、獨立思考能力、組織協(xié)調(diào)能力、創(chuàng)新思維能力。研究設(shè)置線上線下多元化的考核評價體系，主要包括課前預(yù)習(xí)、課堂互動、課后作業(yè)、單元測試、期中期末考試等模塊，并按適當(dāng)比例計入課程考核總成績。針對不同模塊要求，設(shè)計制作形式多樣的開放性探索題目，比如撰寫教研小論文、主題發(fā)言、課堂討論、網(wǎng)上交流、專題宣講等，學(xué)生根據(jù)教學(xué)進度在線及時完成相關(guān)測試。系統(tǒng)評價每個階段的學(xué)習(xí)成績和效果，從根本上保證課程的教學(xué)質(zhì)量和水平。

儀器分析課程考核成績組成及比例范圍建議如下：平時成績(20%-30%，作業(yè)+小組展示+綜述或某個課內(nèi)思考題的延伸思考1000字左右論文)+期末考試(50%-60%)+期中測驗(10%-20%)。作業(yè)應(yīng)當(dāng)全面地讓學(xué)生對于分析原理、簡要計算、優(yōu)劣點對比總結(jié)等有所掌握，期中考試可適當(dāng)增加一部分客觀類題目以檢測學(xué)生的基礎(chǔ)知識掌握，期末考試以主觀題(簡答、計算、推導(dǎo)、綜合應(yīng)用)形式考查基本知識的應(yīng)用為主，結(jié)合儀器分析的一部分簡單的應(yīng)用實例，體現(xiàn)儀器分析在科學(xué)研究的結(jié)果表征方面所發(fā)揮的重大作用。

3.5 教學(xué)中融入思政元素，提升專業(yè)課的育人功能

儀器分析課程的教學(xué)改革，一方面應(yīng)注重加強基礎(chǔ)專業(yè)知識的傳授和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，更重要的是應(yīng)突出教育“立德樹人”的根本方向，發(fā)揮專業(yè)課的育人功能。因此，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合儀器分析專業(yè)課程的特點，積極發(fā)掘與之相關(guān)聯(lián)的思政元素案例，將其自然融入專業(yè)課基礎(chǔ)教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀和價值觀。

例如，在第一章緒論的教學(xué)中，可引入月壤分析的實例[8]。2020年12月17日，嫦娥五號返回器成功降落，帶回凝聚了無數(shù)航天人心血與智慧的1731 g珍貴月壤樣品。而月壤分析的重要性不言而喻，其研究是探討月球起源與演化歷史的基礎(chǔ)，是了解月球物質(zhì)成分和月球礦產(chǎn)資源開發(fā)利用前景的依據(jù)。針對月壤樣品的珍貴性和特殊性，需要完善分析方法，提高相應(yīng)儀器的靈敏度和分辨率，研發(fā)新技術(shù)新方法。2021年7月12日，在北京舉行了首批月壤發(fā)放儀式，其中中國科學(xué)院、中國地質(zhì)大學(xué)等13家科研機構(gòu)和高校共獲得約17.4764 g月壤，這也代表著中國月球樣品的研究工作正式開始。因此，在教學(xué)中可給學(xué)生拋出問題：你如何分析月壤樣品？圖2列舉了月壤分析應(yīng)遵循的原則、部分檢測目的及所使用的儀器分析方法和技術(shù)。

圖2 月壤分析案例

通過這個案例的講解和討論，一方面可以使學(xué)生見證當(dāng)代中國發(fā)展的偉大成就，充滿了民族自豪感，嫦娥五號的成功返回完成了中國航天迄今為止最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一，標(biāo)志著我國科學(xué)家在航天航空、地外天體采樣、新材料研發(fā)等諸多領(lǐng)域取得的巨大成就。其次，“樣品具有代表性”和“原汁原味”等分析化學(xué)理念，體現(xiàn)在月球樣品的采集、封裝、運輸、移交整個處理過程中。第三，通過對月壤樣品分析方法和技術(shù)的簡單介紹，實現(xiàn)理論知識與科研熱點之間的關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)生對儀器分析課程的學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)語

以培養(yǎng)化學(xué)專業(yè)“雙一流”創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，貫徹落實“以學(xué)生為中心”“以學(xué)為中心”“以發(fā)展需求為中心”的理念，儀器分析課程的教學(xué)改革應(yīng)不斷完善理論教學(xué)和實踐教學(xué)內(nèi)容；運用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，實施多種研究型教學(xué)方法；加強教學(xué)過程考核，改革考試方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。完善課堂教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)體系，實現(xiàn)線上與線下教學(xué)相結(jié)合，教師引導(dǎo)與學(xué)生自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究學(xué)習(xí)的能力，強化創(chuàng)新思維培養(yǎng)，推進以價值塑造、能力培養(yǎng)和知識傳授為核心的“三位一體”課堂教學(xué)模式改革，全面提高儀器分析課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，為其后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及未來從事相關(guān)專業(yè)的工作奠定堅實的專業(yè)基礎(chǔ)。