梁一釩，鄭翔云,2，徐曉文,＊，鄒桂征，張斌,＊

1山東大學化學與化工學院，濟南 250100

2山東大學泰山學堂，濟南 250100

儀器分析化學是高等院?；瘜W專業(yè)的核心專業(yè)基礎課程，包括儀器分析理論和儀器分析實驗兩門課程。它以物質的物理、化學性質為基礎，利用測量儀器對物質進行定性、定量和形態(tài)分析，并發(fā)展與化學相關的測量策略、原理、方法與技術，以精準獲取物質組成、分布、結構與性質的時空變化規(guī)律[1]。隨著以高新技術為代表的現代科學的迅猛發(fā)展，儀器分析基礎研究的重要性以及對尖端分析儀器的依賴性愈加凸顯，儀器分析在實際應用中越來越多地呈現出多學科交叉融合發(fā)展的時代特征，傳統(tǒng)儀器分析課程的教學改革也面臨著新的挑戰(zhàn)。

國內高?；瘜W專業(yè)現使用的儀器分析教材中[2-5]，由武漢大學主編、高等教育出版社2018年發(fā)行的《分析化學》(第6版下冊)和南京大學主編、科學出版社2002年發(fā)行的《儀器分析》是目前較受歡迎的優(yōu)秀儀器分析教材。其針對分析原理部分和儀器結構的敘述較為清晰，對基本研究思路的介紹直白淺顯，但教科書中所涉及的有些分析方法已經相對滯后，不能很好地反映近些年來儀器分析研究及應用的發(fā)展方向。同時，在儀器分析教學中還存在學時有限、所學內容有限的問題。作為對《儀器分析課程教學內容和教學方式改革的幾點思考》一文的補充[6]，本文收集了國外部分代表性高?；瘜W專業(yè)與儀器分析教學相關的現使用教材和課程體系，通過梳理和比較分析，對今后儀器分析課程建設、教學內容完善以及考核評價標準的改革思路提出了建議。

1 國外儀器分析相關教材概況

我們對收集到的10本國外儀器分析相關教材進行了歸納整理，按照大體框架將其分為儀器分析類(3種)、分析化學類(5種)和應用研究類(2種)，共三大類，見表1。其中涉及分析化學類的教材也用了較大篇幅來講述儀器分析的內容。例如Gary主編的《Analytical Chemistry》(7th Edition)一書分為定量分析方法、儀器分析法、基因研究和實驗4大部分共27章節(jié)[7]，其中第2部分11-26章是關于儀器分析的內容。從出版時間上看(以最新版本為準)，最早的為2014年(3本)，最新出版的為2021年(1本)。

表1 部分國外儀器分析教材

從教材作者所在國家來看，其中6本的主要作者來自美國，其余教材的作者分別來自西班牙、英國、印度。這些教材均由世界知名的出版機構發(fā)行，包括Wiley (3種)、CRC Press (3種)、Cengage Learning (2種)、Oxford University Press (1種)、McGraw Hill Education (1種)、Apple Academic Press (1種)和World Scientific (1種)。

從各國引進情況來看，日本東京大學將《ハリス分析化學》(對應《Quantitative Chemical Analysis》，9th Edition)作為其指定教材；我國華東理工大學于2017年出版了《分析化學》(對應《Analytical Chemistry》，7th Edition，李銀環(huán)等譯)。這也在一定程度上說明了這兩本教材所具有的使用價值。

化學學科的發(fā)展與社會生產力的發(fā)展和需求密切相關，而物理學、電子技術和高精密制造業(yè)的發(fā)展則是儀器分析發(fā)展進步的巨大驅動力。儀器分析的應用主要體現在臨床、環(huán)境、藥物、食品、材料、質量評定等領域的相關科研與定性定量分析中，其中在分析儀器的原理與制造研究、綠色分析技術及生化分析領域的應用備受關注。國外教材中對于儀器分析在上述幾個方面的應用較為重視，甚至會專門著書或增加章節(jié)來填補這方面的研究空白。例如偏重儀器原理的《Instrumentation,Measurement and Analysis》(4th Edition)和《Analytical Chemistry A Chemist and Laboratory Technician’s Toolkit》；研究綠色化學的《Challenges in Green Analytical Chemistry》(2nd Edition)和《Green Analytical Chemistry Past, Present and Perspectives》；以及前文中提到的專門為基因研究設立章節(jié)的《Analytical Chemistry》(7th Edition)一書。國外許多教材會借鑒這些領域當中的相關研究作為案例以及拓展閱讀加入文中，對此后文不再贅述。

2 國外儀器分析相關教材的主要特點

2.1 內容豐富，結構完整

國外儀器分析教材一般包括電化學分析法、色譜分析法、光譜(波譜)分析法及其他分析法(質譜、熱重等)四大部分，這與國內相關教材的主要內容基本一致。這些教材的篇幅都很大，一般都在800頁以上，最多的高達1248頁。在如此大的框架之上，大部分的教材會將分析方法的基本原理與歷史發(fā)展、現實生活、科學前沿、實驗儀器與操作等相關聯，從而將儀器分析的文字性內容與讀者學習經歷與知識儲備相融合，便于讀者吸收理解。例如《Fundamentals of Analytical Chemistry》(8th Edition)一書中，在每一章節(jié)的開頭均用對美國該領域中的權威科學家的采訪作為引言，一方面可以為讀者提供一個了解科學家科研經歷的途徑，另一方面通過對有關儀器分析發(fā)展史的了解也能夠引起讀者的興趣，提高其學習意愿[8]。

此外，這些教材非常重視圖示化在教學及學習中的作用，制作了大量精美簡潔的配圖，幾乎做到每頁都有圖形語言(non-verbal language)。從經典儀器的實物圖以及關鍵部件，到具體操作過程與實驗現象，貼近實驗分析實際過程的同時也將實驗儀器搬到了課本中，便于讀者自行探索和理解更加細化的知識。教材中的練習題也會配以詳細的解釋圖像，例如《Quantitative Chemical Analysis》(9th Edition)中詳細地在每一類新題型出現時配以直觀的圖像解釋，對于讀者快速掌握知識并形成客觀理解具有很大的幫助[9]。

2.2 再版次數多，教材內容與時俱進

所選取的教材之中有3本是第7次出版，甚至有兩本達到第9次出版，其余的則是近幾年內的新編教材。儀器分析方法的建立與改進在很大程度上依賴于物理學上對物質屬性的新發(fā)現以及精密儀器制造技術和微電子領域的突破?，F代化制造業(yè)、集成電路以及半導體科學等理論的迅猛發(fā)展影響著傳統(tǒng)分析方法所使用的儀器乃至方法本身。這些新儀器、新分析方法會在教材每一次的再版當中得以體現，例如《Principles of Instrumental Analysis》(7th Edition)在電化學章節(jié)的最后介紹了“細胞微生理計”(Measuring the Parts to Understand the Whole: The Microphysiometer)的相關內容[9]。同時，教材當中所使用的案例也都會更新為與內容密切相關的科學界最新發(fā)現或是某一領域的研究前沿，但仍會保留一些經典的、便于理解的案例。例如《Quantitative Chemical Analysis》(9th Edition)一書在介紹原子發(fā)射光譜時，使用2012年NASA發(fā)射的“好奇號”火星車在火星表面的科研工作作為例子[8]；又如，幾乎所有教材都會在介紹核磁共振原理時使用拉莫爾進動模型作為輔助說明。一方面可以使讀者切實體會到儀器分析方式的發(fā)展趨勢以及分析方法在實際科研或生產中的應用，同時還保留了傳統(tǒng)教學內容中的易吸收部分。

2.3 側重原理

國外教材會將儀器分析所通用的數學物理原理基礎放在教材開篇介紹，例如《Principles of Instrumental Analysis》(7th Edition)在第一章節(jié)“測量基礎”(Measurement Basic)中介紹了一些簡單數字信號處理以及儀器構造原理的相關基礎知識，如信號峰的數學模型與置信度和傳統(tǒng)光譜儀的組成板塊，讀者可以按需自學這些學科基礎內容[10]。與國內教材類似，國外教材會分門別類地在各章開頭為該大類分析方法的原理給以解釋，這一點與國內由武漢大學聯合廈門大學、中山大學、南開大學和浙江大學等高校主編的《分析化學(下)》(第六版)一書尤為類似。一方面具有很好的講解針對性，同時也確保了內容的連貫性。鑒于國內外對儀器分析教學要求和化學教育體系的區(qū)別，國外教材會在涉及到微觀分子結構的內容時輔以概念圖或是實物顯微圖來介紹。例如《Analytical Chemistry》(7th Edition)在介紹鍵合相色譜與離子交換色譜的固定相與工作原理時采用了大量的概念圖以及電子顯微圖像，力求將概念清晰地呈現出來，便于讀者理解[7]。

2.4 拓展延伸性好

新教材都會建立相應網站，將一部分內容作為線上知識點存放在網站當中，這些內容主要是拓展閱讀、習題解答、相關實驗等有可能打亂文章內容連貫性的信息。同時在各章節(jié)的課后習題當中，會適當地添加一些該領域的原始文獻作為拓展閱讀。國外儀器分析教材大多看重科學史的相關介紹，這主要是因為儀器分析方法的發(fā)展一方面具有較強的邏輯連貫性；另一方面儀器分析是一門近現代以物理理論的發(fā)展為基礎、以探測手段為需求而逐漸發(fā)展起來的學科，能夠反映時代特征。大量與儀器分析相關的工作成果都獲得了諾貝爾獎就能夠很好地證明這一點，對這些分析方法發(fā)展過程的了解有助于提升讀者的理解層次。有的教材會配有專門的教師參考書、學生參考書和習題冊，以確保這套教材的完整性[8,10]。

2.5 注重讀者友好性

這些教材多為精裝本，印刷質量好，使用銅版紙印刷，配有部分彩圖或者全彩。有的教材中會配有漫畫內容講解，有的則會將重要公式用彩色背景標識出來，以形成較好的層次感。

3 國外儀器分析相關課程概況

通過線上渠道，我們查閱了國外部分高校儀器分析開設課程相關的教程說明，詳見表2[11-14]。盡管在一些大學，例如Massachusetts Institute of Technology (MIT)以及Oxford University官網上的教學計劃中并沒有找到儀器分析的相關信息，但是出現了一些諸如物質分離方法的類似色譜法的課程。我們推測這些學?？赡苁菍x器分析內容融入到不同專業(yè)的原理課程以及實驗課程，簡化儀器分析課程的同時，強調其應用性而拋棄了繁瑣的原理內容。

同時我們也發(fā)現了一些仍然在教學計劃中的儀器分析課程，例如University of Washington于2022年冬季學期由Zhang Bo教授開設的Instrumental Analysis課程[15]。本文也會注重從這一類課程歸納其特點。

值得注意的是，東京大學的分析化學課程安排中多出了X射線光譜分析法和能譜分析技術兩部分內容，具體有X射線吸收光譜法(XAS)、X射線衍射分析法(XRD)、X射線熒光光譜法(XRF)，以及X射線光電子能譜分析法(XPS)、俄歇分析法。

4 國外儀器分析相關課程的主要特點

4.1 教學手段多樣化

國外授課方式自由度較大，會分為很多小節(jié)，便于臨時調整。美國高校儀器分析課程一般會上18周共36次課，每節(jié)課占時在1.5小時左右。在基本的教學要求以外，還會額外地安排一些講座以及任務型教學法(Task-based approach，TBA)。例如Western Carolina University會在學期末舉行兩周半共5節(jié)課的TBA以檢驗學生的知識理解轉化情況。同時有的大學還會備有自己的課程講義，例如Michigan State University就備有多達264頁的講義，內容主要是從課件上復制而來，包含了課堂上會討論的例題、重點內容，以及會用到的數學處理方法。

4.2 考試形式自由度大，評價標準科學

國外學校對學生的過程化考核所占比重較大，易于實現教與學的全過程質量控制和有效評價。其考試方式通常包含課后作業(yè)、課堂測試和期末考試幾部分，并且分數的權重也與國內有較大差別。如Utah State University采取均分制，1次課后自我測驗、3次隨堂檢測，以及最后的期末考試各占總分的20%；也有一些大學如Michigan State University賦分形式較為寬泛，10次隨堂提問共占12.5%、三次隨堂檢測各占12.5%、期末考試占25%、學期論文占12.5%、報告占12.5%；也有一些與國內賦分情況類似的，例如Western Carolina University的賦分情況為各類測驗占70%、平時分占5%，實驗占25%。

表2 部分國外高校儀器分析教學大綱和教學計劃

4.3 注重理論與實驗教學的聯系

儀器分析化學是一門注重方法原理的理解、相對抽象的學科，實驗教學可以使學生通過感性認識對所學知識的原理加深理解和記憶。在上述高校的教學計劃中，儀器分析實驗與理論教學安排在同一個學期內。有的大學下午在實驗室中所做的實驗就是上午課堂里學過的內容，實驗內容與理論課程緊密的聯系性也是儀器分析實驗的一個特點。相對而言，我們現在實驗課程設置的時間安排滯后于理論課學習一個學期，使得理論和實踐教學嚴重脫節(jié)，教學效果欠佳。

5 結語

針對國內儀器分析教學中存在的教材較為陳舊、課程內容未能體現學科的最新發(fā)展、考核評價方式和標準缺乏科學化等問題，本文收集了國外部分代表性高?；瘜W專業(yè)與儀器分析教學相關的教材和課程體系，從教材內容完善、出版、教學手段和考核方式等方面進行了全面分析，歸納整理出其特點，希望能為我們的儀器分析教材更新、教學內容優(yōu)化以及教學方法的改革探索提供有益的借鑒。同時針對現有儀器分析教材篇幅較長，而化學類專業(yè)儀器分析課程的課時安排通常為64學時，實際教學中不能做到包羅萬象和面面俱到，如何實現既要在教學中側重儀器分析基本原理的講授，突出儀器分析在化學專業(yè)教學中的基礎作用，又要體現儀器分析的多學科交叉性和學科發(fā)展前沿性，也是我們面臨亟需解決的問題。