黃軍，周穎琳，呂占霞，高珍，李美仙

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

儀器分析實驗屬分析化學課程體系，在化學基礎實驗訓練和未來研究中的重要性不言而喻。本課程的主要教學目的包括：(1) 使學生加深對儀器分析基礎知識的理解，了解和熟悉一些大型分析儀器的基本原理、基本構造；(2) 了解每種儀器分析方法的特點和局限性；掌握每種分析方法的主要參數(shù)；(3) 對于不同分析目的，能夠選擇正確的分析方法。

2016年北京大學教學改革之前，儀器分析實驗課程一直是化學及相關專業(yè)學生的必修課，選課對象包括化學、環(huán)科、元培、城環(huán)、工學等院系的學生。由于學生人數(shù)較多，內(nèi)容設置和教學形式不夠靈活，不能充分調(diào)動學生學習的積極性和主動性。隨著學校為促進本科人才培養(yǎng)質(zhì)量提升而持續(xù)開展的教學改革，教學計劃進行了相應的調(diào)整，儀器分析實驗課程由必修課改為專業(yè)限選課。

為了滿足創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的要求，儀器分析實驗教學團隊以學生成長為核心，以提升學生的實踐能力、創(chuàng)新能力、分析問題和解決問題的能力為目標，從多個方面探索進行課程建設，所開展的工作主要包含以下幾個方面。

1 明確目標式的教學要求，激發(fā)學生的主觀能動性

儀器分析實驗的學習，除了能幫助學生更好地建立分析化學中“量”的概念、懂得如何保證測定結(jié)果的準確性和可靠性外，更重要的是讓學生掌握各種樣品的前處理方法，理解如何通過優(yōu)化實驗條件達到測定所要求的靈敏度和選擇性，以及如何針對不同的樣品和不同的測試目標選擇合適的儀器分析方法。圍繞這些教學目的，我們打破過去“照方抓藥”式的實驗教學模式，提出了明確目標式的教學要求，實驗所測定的對象增加了日常生活用品或食品等實際樣品，如牙膏、白酒、飲料等，具體內(nèi)容見表1[1]。這種“實戰(zhàn)”操作引入了分析測定過程中的干擾因素，訓練學生將課堂理論、實驗室操作和實際應用緊密聯(lián)系起來解決問題，充分體會到分析方法的實用性和重要性。圖1是高效液相色譜法測定飲料中色素的流程圖。

表1 儀器分析實驗項目

圖1 高效液相色譜法測定飲料中色素的流程圖

在此基礎上，還允許學生自己攜帶感興趣的測試樣品，要求學生根據(jù)測試目標自擬方案，經(jīng)指導教師審核方案后進行嘗試。如關于氟離子選擇電極的實驗，有的學生選擇測試飲用水中的氟含量，有的學生選擇測定牙膏中的氟含量；在高效液相色譜法測定飲料中的食用色素含量以及氣相色譜法分析白酒中的微量組分的實驗中，有的學生則自帶常飲用的有色飲料和白酒。這種選擇上的自由，激發(fā)起學生們濃厚的學習興趣，既充分發(fā)揮了學生的主觀能動性，又培養(yǎng)了學生分析問題、解決問題的能力。

2 更新實驗內(nèi)容與安排，采用不同方法測定同一樣品的比較學習方式

由于儀器分析實驗涵蓋的方法較多，過去在實驗內(nèi)容設置上采取的教學模式是用不同的儀器分析方法分析不同的樣品，逐一學習不同的方法，不便于學生比較不同方法的特點及它們之間的關系。在2017年，我們嘗試了對同一樣品采用不同的儀器分析方法進行測試，例如針對奶粉中微量元素的測定，分別采用原子吸收光譜法和原子發(fā)射光譜法，讓學生比較、歸納、總結(jié)不同方法的特點和局限性，有利于學生梳理知識體系，比較不同方法的適用性和優(yōu)缺點。同時，針對不同儀器的特點進行樣品分析，便于學生了解不同儀器在結(jié)構和性能上的相同和不同點。如奶粉中微量金屬元素的測定，將待測奶粉和碳粉按一定比例混合，制備固體樣品，讓學生采用改造后的WP1型一米平面光柵攝譜儀定性測定奶粉中含有的元素，而消解后的奶粉樣品采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進行定量分析。針對氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測定環(huán)境中的多環(huán)芳烴實驗，由于質(zhì)譜用于多環(huán)芳烴的鑒定存在碎片離子少的劣勢，但結(jié)合氣相色譜強大的分離能力，可將質(zhì)譜無法區(qū)分的同分異構體通過氣相色譜進行鑒定，讓學生學會靈活運用分析方法。

此外，由于儀器分析是隨著科學和技術的進步而不斷發(fā)展的學科，尤其是儀器方面發(fā)展更新很快，為了讓學生了解儀器的內(nèi)部構造和發(fā)展過程，我們將一些淘汰的舊儀器拆開，儀器內(nèi)部的結(jié)構一目了然，與相應新儀器放在一間實驗室，授課教師進行對比講解，便于學生比較學習。如圖2是實驗用的原子吸收光譜儀和拆解開淘汰的原子吸收光譜儀圖片；圖3是實驗用的高效液相色譜儀和拆解開淘汰的儀器圖片。

圖2 原子吸收光譜儀

圖3 高效液相色譜儀

3 改進教學形式，實行小班制教學，鼓勵學生自主選擇合作或獨自完成實驗

盡管每次實驗課有40-60人同時上課，但每一項實驗都采用4-6人的“小班制”教學模式，不但有利于教學互動，而且1-2人使用一臺儀器，學生能充分學習、了解和掌握所使用儀器的基本原理、結(jié)構組成及操作方法，特別是通過獨立的實驗設計和操作環(huán)節(jié)，學生們的實驗操作能力以及分析問題和解決問題的能力得到了提高。有些實驗(如高效液相色譜法測飲料中的色素、氣相色譜法分析白酒中的微量組分、庫侖滴定法測砷等)實施讓學生自主選擇獨自完成還是兩人合作完成的教學方式。這兩種形式相結(jié)合，既培養(yǎng)了學生的協(xié)作精神，又培養(yǎng)了學生獨立思考和動手的能力。

4 教學資源多樣化，線上線下相結(jié)合，充分調(diào)動學生的學習主動性

儀器分析是采用比較復雜或特殊的專用儀器設備，通過測量物質(zhì)的某些物理或物理化學性質(zhì)的參數(shù)及其變化，以獲取物質(zhì)的化學組成、成分含量及化學結(jié)構等信息的學科[2,3]。儀器分析實驗需要的儀器設備價格相對昂貴，受儀器臺數(shù)的限制，儀器分析實驗課程采用大循環(huán)的安排形式；而儀器分析理論課和實驗課在同一學期開課，因而大部分學生是在沒有儀器分析相關理論知識基礎的情況下進行實驗。為了解決這個矛盾，我們拍攝了儀器分析實驗慕課，具體內(nèi)容包括每種實驗方法的分析原理、基本儀器組成和相關實驗內(nèi)容。通過智慧樹在線平臺將資料提供給學生，要求學生在實驗課前自學和預習，對實驗預習環(huán)節(jié)提出嚴格的要求，通過提問檢查預習情況，并規(guī)定沒有預習報告者不允許做實驗。例如在做氟離子選擇電極測定牙膏中的氟這個實驗時，會提問學生為何氟離子選擇電極的內(nèi)充液中要含有一定濃度的氯化鈉？如果學生提前看了相關的視頻內(nèi)容，就知道是為了保證Ag/AgCl內(nèi)參比電極的電位穩(wěn)定。接著還能啟發(fā)學生思考，為何氟離子選擇電極里要包含Ag/AgCl內(nèi)參比電極？它的作用實際是作為導線，引出膜電勢。通過實驗課的線上線下相結(jié)合的學習模式，既解決了學生在缺乏理論基礎的情況下做實驗，導致實驗效果不佳的問題，又調(diào)動了學生主動學習的積極性，還避免了研究生助教在理論講解方面可能存在的欠缺，保證了教學質(zhì)量。

5 增加實驗基礎操作培訓環(huán)節(jié)，規(guī)范學生的基礎操作以確保實驗教學效果

為了保證實驗教學效果，在儀器分析實驗開始前，我們增設了基本操作的培訓如樣品的稱量和溶解、溶液的轉(zhuǎn)移和定容、移液管和移液槍的使用等等，確保了學生在儀器分析實驗中基本實驗操作的規(guī)范性。

6 結(jié)語

總之，通過以上列舉的這些改革嘗試，儀器分析實驗課程的吸引力顯著提升。雖然改為限選課，但學生的選課人數(shù)逐年增加，2018年春季學期為40人，2018年秋季學期增加到77人，2019年秋季學期上升為117人，2020年秋季學期上升為120人。這表明儀器分析實驗課的改革舉措獲得了學生們的認可，實驗教學成效顯現(xiàn)。

當然，我們在教學的過程中也在不斷地思考，這門實驗課程在哪些方面還有待進一步完善？如何更好地將理論課和實驗課進行銜接？在課程內(nèi)容的設置方面仍需要進一步探索，哪些實驗需要必做、哪些實驗可用來選做？如何在實施教學計劃的同時，讓學生有更多的自由選擇空間，更好地激發(fā)學生的潛能？注重新時期學生的學習特點和學習興趣，真正做到因材施教是今后實驗教學中還需繼續(xù)探索的方向。