大学化学, 2016, 31(7): 52-56 doi: 10.3866/PKU.DXHX201507020

教学研究与改革

应用型和创新型人才培养在仪器分析教学目标中的合理定位及实施方略

吴少尉,, 王联芝, 向东山, 张升晖

Rational Positioning and Implement Strategies for Training Applied Talents and Innovative Talents in the Teaching of Instrumental Analysis

WU Shao-Wei,, WANG Lian-Zhi, XIANG Dong-Shan, ZHANG Sheng-Hui

通讯作者: 吴少尉, Email: wushaowei55@sina.com

基金资助: 湖北省高校优势特色学科群建设计划资助项目.  鄂学位[2015]5号
湖北民族学院教研课题项目.  2011JY27

Fund supported: 湖北省高校优势特色学科群建设计划资助项目.  鄂学位[2015]5号
湖北民族学院教研课题项目.  2011JY27

摘要

在化学工程与工艺、环境科学、化工与制药、化学、应用化学等专业的仪器分析必修课教学中,既需强调其应用性,又有培养创新型人才兼顾个性发展的要务。基于应用型和创新型人才培养在仪器分析教学目标中的合理定位,在教学主线引领下,从精选仪器分析教学内容、建设专业背景需求的仪器分析课程新体系,多彩多样教学方法的挖掘和适当使用,依层次循序渐进选择性开设仪器分析实验等3个方面系统组织构建人才培养方略。

关键词: 应用型 ; 创新型 ; 仪器分析 ; 教学目标 ; 方略

Abstract

In the teaching of instrumental analysis for students majored in chemical engineering and technology, environmental science, chemical and pharmaceutical engineering, chemistry and applied chemistry, emphases have to be made according to the specialty and the future career. With the rational positioning for training applied talents and innovative talents, the new course system was established by selecting course contents for specific major needs led by the main line of the teaching. Diversified teaching approaches as well as advanced instrumental analysis experiments are also adopted for training talents.

Keywords: Application-oriented ; Innovation-oriented ; Instrumental analysis ; Teaching objective ; System strategies

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吴少尉, 王联芝, 向东山, 张升晖. 应用型和创新型人才培养在仪器分析教学目标中的合理定位及实施方略. 大学化学[J], 2016, 31(7): 52-56 doi:10.3866/PKU.DXHX201507020

WU Shao-Wei, WANG Lian-Zhi, XIANG Dong-Shan, ZHANG Sheng-Hui. Rational Positioning and Implement Strategies for Training Applied Talents and Innovative Talents in the Teaching of Instrumental Analysis. University Chemistry[J], 2016, 31(7): 52-56 doi:10.3866/PKU.DXHX201507020

化学化工、材料化学、环境科学、生物医药及农林相关专业开设的仪器分析课程实际是一门建立在化学、物理学、数学、计算机科学、精密仪器制造等学科之上的交叉综合性课程。无论是国家一流大学还是地方院校,在其教学实施中整体上都保持着一条主线:首先讲解仪器分析方法的基本原理,其次剖析各类仪器的系统结构,最后结合各种仪器分析方法的特点、应用范围,引导学生根据分析对象和分析目的,学会正确选择仪器分析方法,解决相关问题,培养学生独立分析和解决一般实际问题的基本能力。目前在部分高校转型定位中,我们不能偏见地认为只国家一流大学需进行创新型人才培养,而地方院校在仪器分析教学中只需履行培养应用型人才要务。其实,国家一流大学在相关专业的仪器分析教学中也需强调其应用性,地方院校在仪器分析教学中也有培养创新型人才兼顾个性发展的责任。我们在教学中也常听到学生说仪器分析课程学习既轻松又困难,其实学生有这种认识是必然地,感觉轻松是因为教师在教学中对各类仪器分析方法教学主线的强化和对比,认为有难度是课程综合交叉属性所决定的。任何一种仪器分析方法都需要以上多个学科内容的支撑,学生在前期相关基础课知识面上的欠缺势必造成仪器分析深入学习的困难。一定程度上,这也从学生主体角度体现出教师在仪器分析教学中对培养应用型和创新型人才的合理把握和定位。

在多年仪器分析教学实践中,我们对化学工程与工艺、环境科学、化工与制药等相关专业的学生,侧重应用为主的教学目标,同时兼顾创新能力的培养。课程学习后,学生应会合理使用仪器分析方法解决专业研究方面的相关问题。对于化学、应用化学等专业的学生,教学上不仅要求他们会正确使用各种分析仪器,而且注重创新意识强化、创新思维训练,更加重视创新型人才的培养。基于应用型和创新型人才培养在仪器分析教学目标中的合理定位,针对不同专业,在教学主线引领下,我们从以下3个方面系统组织构建人才培养方式策略。

1 精选仪器分析教学内容,建设专业背景需求的仪器分析课程新体系

在传统的光谱分析、电化学分析、色谱分析三大部分内容上,基本内容不删减,合理选取教学内容,教学时数的倾斜突出专业背景需求。基本学时数(48或32)再加X学时,X学时用于引入实时报道的仪器分析新理论和新方法,以及在各个专业领域的新应用。主讲教师与时俱进地合理控制X具体值(0 ≤ X ≤ 4),X可灵活包括在基本学时内。以不同版本[1-4]教材为参考进行选取,表1为依据专业需求精简后的相应教学内容及教学大纲学时分配。课程组在每学期开学前进行教研会议、编制更新教学内容体系,开学后按教学计划执行。对于仪器分析的新理论、新方法以及新应用等更新内容,主讲教师可从国内外分析化学著名期刊(如美国化学会的Analytical Chemistry,英国皇家化学会的Chemical Communications、Journal of Analytical Atomic Spectrometry、Analyst、Analytical Method,Elsevier出版集团的Journal of Chromatography A or B、Analytica Chimica Acta、Analytical ChemistryResearch、Talanta,德国Springer数据库的Analytical and Bioanalytical Chemistry,国内的《分析化学》、《分析科学学报》、《光谱学与光谱分析》、《高等学校化学学报》等重要刊物)最新报道中动态选取。另外,还可从专题学术会议以及仪器厂商新品介绍中进行合理筛选、补充。任课教师教研会议交流对于地方院校课程组显得尤为重要,相互学习也是教学相长的源泉。

表1   依据专业需求精简后的仪器分析教学内容

专业名称(总学时)相应仪器分析内容选讲
化学专业(48+X学时)/绪论(2学时),气相色谱分析(6学时),高效液相色谱分析(6学时),电位分析法(2学时),
应用化学(48+X学时)伏安分析法(5学时),库仑分析法(自学),原子发射光谱分析(4学时),原子吸收光谱分析(4学时),原子荧光光谱分析(2学时),紫外吸收光谱分析(3学时),红外吸收光谱分析(4学时),激光拉曼光谱分析(2学时),核磁共振波谱分析(4学时),质谱分析(4学时)
化学工程与工艺(32+X学时)绪论(2学时),气相色谱分析(6学时),高效液相色谱分析(6学时),电位分析法(2学时),伏安分析法(2学时),库仑分析法(自学),原子光谱分析(4学时),分子光谱分析(6学时),热分析(4学时)
环境科学(32+X学时)绪论(2学时),气相色谱分析(6学时),高效液相色谱分析(6学时),电位分析法(4学时),伏安分析法(2学时),库仑分析法(自学),原子光谱分析(6学时),分子光谱分析(6学时)
制药工程(32+X学时)绪论(2学时),气相色谱分析(6学时),高效液相色谱分析(8学时),电位分析法(2学时),伏安分析法(2学时),库仑分析法(自学),原子光谱分析(6学时),分子光谱分析(6学时)

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以上5个专业仪器分析教学内容体系,首先都讲2学时的绪论,让学生对仪器分析的来源产生、发展变革及趋势前沿,研究应用,以及仪器分析方法性能指标有一个总体认识。再相继学习气相色谱,液相色谱分离分析方法。在这之中,就开始涉及电学(电流转化电压)和光学(光度吸收)的检测原理知识点,在教学内容和教学方式上有意识、一定程度地纵览电和光的知识章节,让学生开始了解仪器分析课程的全部内容。对于电化学分析中的库仑分析法,主要是法拉第电解定律的应用,而法拉第电解定律在高中阶段已经学过,显得相对容易,布置学生自学。仪器分析教材一般内容较多,为避免学生看到一本厚厚的书而产生畏难情绪,要引导学生善于将一本厚书读“薄”,有助于学生抓住主干,整体了解仪器分析课程内容及发展脉络。对于化学工程与工艺、环境科学、制药工程相关专业,在光谱仪器分析方法内容学习上,可以把原子发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱联系对比介绍,统一压缩为原子光谱分析。把分子光谱分析中的紫外吸收光谱和红外吸收光谱联系对比讲解。制药工程专业需加重色谱分析的内容,因其在药典标准分析方法上应用广。而对于化学工程与工艺专业,还需要补充热分析内容,因为他们在化工企业中涉及到测量物质的物理性质与温度关系的这类仪器分析技术。

2 多种教学方法的挖掘和适当使用

结合课程本身的内容及性质特点,采取传统教学(对重、难点的实时条理板书有利于学生抓住随堂的知识逻辑顺序)和现代多媒体教学手段(仪器结构、工作原理的图文并茂动态显示)相结合的教学方式。在现今大学课程“慕课”(Massive Open Online Course,MOOC)开放时代,我们已建立仪器分析视频课程中心,将仪器分析课程相关资料上网(http://www.hhxy.hbmy.edu.cn/yqfx/)共享,包括课程介绍、教学课件、教学队伍、教学大纲、授课教案、作业习题、实践指导、讲义编写、考核方法、授课录像、学科讲座、教研交流等,为学生远程学习本课程提供了便利。在具体教学过程中,既注重应用型人才培养,也要激发学生的创新思维。针对具体教学内容,要善于挖掘多种教学方法,并因地制宜地使用,以收到事半功倍的教学效果,保证教学目标的实现。

2.1 启发式讲授教学法

启发式讲授教学法是教学中最传统的方法,显著特点是激发学生的顺向思维。比如针对原子吸收光谱分析(AAS)的教学,从18世纪观察到太阳光谱中的原子吸收现象出发,启发诱导学生分析太阳光谱中暗线的产生。由浅入深地导入共振线、吸收线、气态原子、基态、激发态、锐线光源、连续光源等术语,以及谱线轮廓、谱线变宽、积分吸收与峰值吸收等概念,推导激发态原子数与基态原子数服从的Boltzmann分配定律,归纳出Walsh“峰值吸收”测量原理及原子吸收定量分析的理论依据。延伸拓展创新教育,介绍当今连续光源AAS实现多元素顺序测定的新仪器,学有余力的学生可参看Boltzmann分配定律联系吸光度和温度等重要工程参数的研究论文[5]。按照事物发展规律,逐步启发学生明白这其实就是一个科学研究的历程,知晓何为理论创新和怎样去技术创新。潜移默化地启迪学生关注各种仪器分析方法的最新研究成果,极大地激发学生的学习热情和求知欲,深深懂得掌握基础知识、学会熟练应用,才能达到升华创新。AAS内容启发教学效果明显,在期末考试中,对于由易到难所出的有关AAS内容试题,学生在这些知识点上很少丢分;对着打开的仪器,绝大部分学生能够讲清其部件作用和测试工作原理,每位学生都能够独立开机测试。

2.2 对比式教学法

例如气相色谱和液相色谱分离分析技术,从其分离分析原理、分类依据、仪器结构、分析性能及应用等方面一一对应比较异同点。抓住它们共性部分都是对复杂混合物分离后再逐一检测单组份信息,评价柱效的马丁辛格塔板理论和影响色谱峰流出曲线形状的范第姆特速率理论方程同样适合这两种分离分析方法,并有效区分固定相和流动相之间的不同作用,据此而衍生的各类色谱分离方法的微视频课件的动态适时展示,让学生短时间内抓住精髓。又如原子发射光谱、原子吸收光谱和原子荧光光谱分析的测量原理都涉及到目标元素的气态基态原子能级跃迁至激发态的过程,仪器部件都包含有光源、原子化器、分光元件和检测单元等。通过对比教学的方法讲授原子光谱分析技术[6],有效地重整精简了教学内容及学时,突出了重难点,使学生加深认识,前后联系,融为一体。将“知其然”与“知其所以然”并重,进而从能量作用方向和物质作用结构层次等方面把原子光谱与分子光谱潜在的关系对比揭示出来。对比式教学无形中也让学生掌握对比学习方法,促进他们发挥主观能动性,学会对比,触类旁通。

2.3 讨论交流式教学法

如果说启发式讲授教学方法是以教师为主,那么讨论交流式教学方法则是以学生为主。如讲授气相色谱仪器的各种检测器时,每组学生讨论研读一种检测器,并轮流讲授给大家听,然后集中讨论并总结热导检测、电子捕获检测、氢火焰离子化检测、火焰光度检测的特点及应用。最后老师归纳4种不同检测器配置的气相色谱仪器的分析性能及性价比,并及时点赞往届毕业生就一种检测器而从事的创业活动,让学生明白就某一个仪器的零部件,都可能有创新创业的空间。师生可通过仪器分析QQ群(成员当然也包括已毕业的学生,他们是仪器分析课程组宝贵的资源)、电邮等形式补充讨论交流学习。讨论交流教学法不仅有助于师生之间、学生之间培养感情,而且在彼此的讨论交流中,激发了思想火花,培养学生有自己的主见,教学效果好。

2.4 联想式教学法

联想式教学方法可以有效地训练学生的发散思维。仪器分析教学既要把前后的基础理论知识有机地联系,水到渠成地讲解联用分析技术,也要快速联想到某类仪器分析方法在生产生活中的热点应用,引导学生留心分析检测中的热点事件,教学中实时地切入热点问题,有意识地培养学生关注问题、分析问题、发现问题和解决问题的能力。比如“铬毒胶囊”、“镉大米”事件的曝光,食品药品中重金属铬、镉的限量标准是必检项目,我们可以在石墨炉原子吸收光谱分析(GFAAS)内容学习中实时提出,训练学生发散思维,GFAAS不仅可以测液体样也可以进行固体进样分析。同时联想到电感耦合等离子体发射光谱/质谱分析(ICP-OES/MS)和电热蒸发电感耦合等离子体发射光谱/质谱分析(ETVICP-OES/MS)的液、固体进样分析性能,顺理成章联想到悬浮、乳化、微萃取等样品前处理技术。分析技术的联用必然联想到去解决复杂的金属组学、蛋白质组学等前沿热点研究问题。联想式教学方法现实性强,使学生懂得学习仪器分析去做什么,充分调动了他们的学习热情和创新研究兴趣。将社会生活中出现的检验检测热点内容也融入仪器分析实验教学中,激发学生的创新思维,综合训练其动手操作能力。

3 依层次循序渐进选择性开设仪器分析实验

仪器分析课程既是一门丰富的理论课程,又是一门实践应用性强的课程。在教学过程中,课程组实行理论和实验平行授课,加强理性和感性同步认识,互为补充,及时地引导学生理论联系实践。针对专业培养目标需求,设定不同教学目标对应的实践实训课程,首先针对5个专业均开设24学时关于色谱、电化学、光谱仪器分析的基础理论和基本操作实验,如色谱柱分离效能测试[7]、外标法和内标标准曲线法定量分析、紫外可见光谱扫描及测定应用、自动电位滴定分析、原子和分子光谱单成分测定、压片法红外扫描、利用废旧仪器进行开盖拆装剖析仪器基本结构等。将仪器分析实验课程的教学与现实生活生产中的应用紧密结合起来,让学生清楚明白学以致用。再设定8学时的综合实验和X学时(16 ≤ X ≤ 64,16学时可折合1个创新学分)的创新实验,如食品中有益有毒金属组学信息的初步综合分析(全面训练学生实验方案设计,原子发射、原子吸收、原子荧光光谱分析检测应用,并与质谱法多元素高效同时检测结果对比)、食品中农药残留的综合分析等;化学和应化专业的学生必做,化学工程与工艺、环境科学、化工与制药专业学生依据个人兴趣选做。创新实验一般由主持研究课题的教师指导,并依据实验报告或者发表的论文给定相应成绩,并计入总学分。这种基础训练加综合分析到应用创新的模式、逐层推进的实践实训课程体系,使学生最大限度地得到全面的锻炼和培养,在综合和创新实验训练中,让学生深深理解仪器分析在国家科技创新、社会生产生活中的巨大作用,明白国家自然科学基金为何还单独列出了科学仪器制造专项资助等的重大意义。

此外,指导学生从国际著名仪器公司网站(比如Agilent Techlogy,Thermo Fisher Scientific)获取仪器分析的专业知识,去国家质检部门、环境监测站、地质检测认证实验室等相关单位参观见习等,作为实践教学方式的补充,多角度、全方位组织实施人才培养方略,达到教学目标。

4 结束语

我们对应用型和创新型人才培养在仪器分析教学目标中进行了合理定位,并从建设化学工程与工艺、环境科学、化工与制药、化学、应用化学专业背景需求的仪器分析课程新体系,多彩多样教学方法的挖掘和适当使用,到依层次循序渐进开设仪器分析实验等3个主要方面系统组织实施。既注重了专业整体需求,又注重个体发展,做到因材施教,对每位学生挖潜充电、发挥专长。最终的实施效果比较理想。每届学生通过教学系统网上逐项评教,总体反映教学目标明确和计划周密,学生能够快速适应、对号入座。教学思路清晰,授课方式多样,能充分与学生沟通、解答疑惑。课程组的教师评价和课程评价均在94分以上,据院学生科统计,以上5个本科专业2008-2015八届毕业考研学生中,有10人考取国内重点大学和科研院所分析化学专业研究生。2008-2015八届本科毕业生在读期间发表科研论文28篇;获批国家大学生创新实验项目6项,校内大学生科研创新项目26项;用人单位反馈我们的毕业生能够快速适应分析检测岗位任务,有405人已成长为研发骨干力量或担当检验中心主任、质检所长、环境监测站长等领导职务。

随着教学经验的积累,为了进一步提高教学质量、因材施教达到人才培养教学目标,地方院校仪器分析课程组要多结合当地资源开设学生创新实验,鼓励学生走创新创业之路。在实验技术人员引进层次和交叉学科背景要求上都应逐步提高,并要求其参加各类项目的研究,全天开放实验室,给予学生业余科研的最大保障。

参考文献

武汉大学化学系. 仪器分析,北京:高等教育出版社, 2001.

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北京大学化学系仪器分析教学组. 仪器分析教程,北京:北京大学出版社, 2002.

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吴少尉,郑晓霞.冶金分析,2010,No.12,26.

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陈贝贝,何蔓,胡斌.大学化学,2014,No.6,11.

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苏克曼; 张济新. 仪器分析实验,北京:高等教育出版社, 2005.

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