大学化学, 2022, 37(4): 2108084-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202108084

教学研究与改革

仪器分析课程教学内容和教学方式改革的几点思考

邹桂征1, 孙树喆1,2, 徐晓文1, 黄锡荣1, 杨国生1, 吴波1, 张斌,1

1 山东大学化学与化工学院,济南 250100

2 山东大学泰山学堂,济南 250100

Investigation into Reforming the Curricula Content and Teaching Methods of Instrumental Analysis

Zou Guizheng1, Sun Shuzhe1,2, Xu Xiaowen1, Huang Xirong1, Yang Guosheng1, Wu Bo1, Zhang Bin,1

1 School of Chemistry and Chemical Engineering, Shandong University, Jinan 250100, China

2 Taishan College, Shandong University, Jinan 250100, China

通讯作者: 张斌, Email: binzhang68@sdu.edu.cn

收稿日期: 2021-08-30   接受日期: 2021-09-13  

基金资助: 山东大学教育教学改革研究项目.  2021Y234
“基础学科拔尖学生培养计划”研究课题.  20180212

Received: 2021-08-30   Accepted: 2021-09-13  

Abstract

In view of the developing trend in the field and course characteristics of instrumental analysis, we analyzed the problems existing in its instruction in recent years. To solve these problems, ideas for reforming the content, teaching mode, examination, and evaluation standards are proposed. By improving and updating the theoretical content of modern instrumental analytical chemistry and promoting quality of teaching, students can master the basics to excel professionally. Simultaneously, ideological and political elements should be integrated into the content to comprehend the educational function of professional courses.

Keywords: Analytical chemistry ; Instrumental analysis ; Teaching reform ; Course ideology and politics

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本文引用格式

邹桂征, 孙树喆, 徐晓文, 黄锡荣, 杨国生, 吴波, 张斌. 仪器分析课程教学内容和教学方式改革的几点思考. 大学化学[J], 2022, 37(4): 2108084-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202108084

Zou Guizheng. Investigation into Reforming the Curricula Content and Teaching Methods of Instrumental Analysis. University Chemistry[J], 2022, 37(4): 2108084-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202108084

仪器分析化学是高等院校化学专业的核心专业基础课程,包括仪器分析理论和仪器分析实验两门课程,根据现有山东大学化学专业本科生培养方案,化学化工学院分别在第三和第四学期开设。它以物质的物理、化学性质为基础,利用测量仪器对物质进行定性、定量和形态分析,并发展与化学相关的测量策略、原理、方法与技术,以精准获取物质组成、分布、结构与性质的时空变化规律[1]。仪器分析课程越来越多地呈现出多学科交叉融合发展的时代特征,逐渐发展成为一门建立在化学、物理学、数学、计算机科学等学科基础上的综合性课程,化学、材料、信息、能源、环境、生命、医学和药学等诸多学科领域对其有较高的专业需求[2]

随着我国社会经济高速发展进入转型阶段,高等教育也进入内涵提升与转型期,为适应社会经济发展需求、解决教育领域存在的问题,改革探索一直在不断进行。但不同的学科、课程千差万别,需要根据课程自身的特点,采用符合学科规律的教学方法。因此,如何通过课程教学完成知识传授、素质和能力培养以及突出创新思维的引导,是当前教学内容和教学方式改革面临的巨大挑战。尤其是在化学“双一流”建设背景下,陈旧的教学和实验内容以及传统的教学模式已经不符合化学“双一流”建设中的人才培养目标[3-6]。本文针对近年来仪器分析课程教学中存在的问题,结合学科发展趋势和专业特点,初步探讨了教学内容、教学模式和考核评价方式等方面的改革思路,通过更新、完善现代仪器分析化学课程的理论教学内容,提高教学质量,使学生掌握现代化的专业基础知识、具备优良的专业素质。

1 仪器分析课程教学现状及疫情前后的教学评估结果比较

根据我院化学专业本科生培养方案,仪器分析课程设置在第三学期开课,即学生在第二学期应先修完化学分析课程,在此基础上继续学习掌握仪器分析的原理、方法和应用。授课对象针对泰山学堂化学取向、化学专业强基班(自2021–2022年度秋季学期开始)、化学专业基地班、普通化学专业和化工专业五个不同层次。授课内容、授课学时和考试要求等根据各自培养方案的不同而有所区别。2020年春季学期,面对突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情,学生无法返校,不能正常开展教学活动,2019级本科生的化学分析课程只能采用线上教学方式,这对教师授课和学生学习都带来极大的挑战。由于主客观的原因(如教师授课方法、所使用的网上教学软件、学生听课方式的改变、学生学习的自律性、网络信号不稳定等),教师教学质量和学生学习效果均受到一定的影响。在随后的秋季学期中,尽管2019级本科生的仪器分析教学恢复为线下正常教学,但教学过程中学生的课堂表现已反映出前面基础课知识掌握不够扎实的问题,在期末考试成绩上也有所体现。

图 1为疫情前后化学专业2018级和2019本科生仪器分析课程教学评估的部分指标对照结果(均为线下授课,人数相等,考试题目难易程度相当)。左图为学生对课程的整体评价,认为课程较难的比例从疫情前的23.8%上升至疫情后的36.1%;右图为考试成绩分布,优秀和良好所占比例数下降显著,并且班级平均分也从77.7下降为73.8。上述结果尽管可能存在其他不确定因素的影响,但直接反映出对于这类注重原理讲解和逻辑分析过程推导的理论课教学,将教学方式直接简单地从线下调整为线上,对学生的学习效果有一定影响。

图1

图1   疫情前后仪器分析课程教学评估结果比较


除此以外,虽然第一次线上教学存在考核结果较不理想的弊端,但从部分学生的课后反馈来看,仍有不少学生认为线上教学为学生的自主性学习提供了空间和时间。尤其是众多网络化学习资源可以通过搜索引擎实现检索,这在丰富线上课堂较为枯燥的教学内容和提高化学类学生自学能力方面大有帮助,也为后续尝试探索线上线下相结合的多方位一体化教学新模式奠定了基础。

2 仪器分析课程教学中存在的问题

化学学科的发展与社会生产力的发展密切相关,不断地为社会发展提供解决问题的方法,化学领域的研究立足于解决社会发展的问题。随着科技进步,不断有新仪器、新技术和新方法出现,传统的仪器分析课程教学内容与科研中实际应用的现代分析仪器、表征技术日益脱节的矛盾不断加深。同时在教学模式上,由于该课程涉及到多种仪器和方法,各部分内容相对独立,各种仪器应用差别较大,传统教学方法使很多学生感觉到该课程“凌乱”,不能建立知识点之间的联系,学习过程难以抓住重点。因此,现有仪器分析课程的教学和实验内容及教学模式已经不能满足新时期一流专业人才培养的需求,存在的主要问题表现在以下几个方面。

2.1 教材陈旧,教学内容急需补充完善

现使用教材为南京大学主编、科学出版社2002年发行的《仪器分析》,该书在仪器结构和分析原理部分叙述得较为清晰有条理,更倾向于直白浅显地介绍基本研究思路。但教科书中所涉及的有些分析方法已经相对滞后,无法满足当前实际分析工作的需求;同时随着科学技术的迅速发展,尤其是近十年来纳米材料制备和表征技术发展的突飞猛进,诞生了众多光电分析新原理、新方法、新技术和新仪器[7],比如表征纳米材料结构的原子力显微镜(AFM),透射电镜(TEM)和扫描隧道显微镜(SEM);表征物质相互作用的表面等离子共振(SPR)和石英晶体微天平(QCM);以及太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)及多种仪器的联用进行综合分析等。在有限的教学时间内,如何将这些最新的仪器分析新原理新方法有机融合到现有课程体系中是一个亟需解决的问题。结合目前高等院校仪器分析课程开设学时数的现状,以48学时和64学时为例,给出表 1供教学内容及学时安排参考。

表1   仪器分析教学内容及学时安排参考

教学学时基本教学内容及参考学时拓展教学内容及参考学时
481. 电化学分析(约12学时)不要求
1.1导论(约3学时)
1.2电位分析(约3学时)
1.3库仑分析(约3学时)
1.4极谱分析(约3学时)
2. 色谱分析(约10学时)
2.1导论(约4学时)
2.2气相色谱法(约3学时)
2.3液相色谱法(约3学时)
3. 光谱分析(约16学时)
3.1导论(约4学时)
3.2原子吸收与原子发射(约4学时)
3.3红外光谱法(约4学时)
3.4荧光光谱与拉曼光谱(约4学时)
4. 波谱分析(约10学时)
4.1核磁共振(约6学时)
4.2质谱分析(约4学时)
641. 电化学分析(约12学时)专题一。纳米材料结构表征:原子力显微镜(AFM)、透射电镜和扫描隧道显微镜(TEM和SEM)原理与应用(约4学时)
1.1导论(约3学时)专题二。物质相互作用表征:表面等离子共振(SPR)和石英晶体微天平(QCM)原理与应用(约4学时)
1.2电位分析(约3学时)专题三。晶体材料结构表征:X射线衍射(XRD)技术原理与应用(约3学时)
1.3库仑分析(约3学时)专题四。水合物组成表征:热重分析(DSC/TGA)原理与应用(约3学时)
1.4极谱分析(约3学时)专题五。联用技术简介:气相色谱-质谱联用(GC-MS)原理与应用(约2学时)
2. 色谱分析(约10学时)
2.1导论(约4学时)
2.2气相色谱法(约3学时)
2.3液相色谱法(约3学时)
3. 光谱分析(约16学时)
3.1导论(约4学时)
3.2原子吸收与原子发射(约4学时)
3.3红外光谱法(约4学时)
3.4荧光光谱与拉曼光谱(约4学时)
4. 波谱分析(约10学时)
4.1核磁共振(约6学时)
4.2质谱分析(约4学时)

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2.2 教学方法落后

现有教学模式大多采用传统的“以课程教学为中心”的单一教学方法,侧重单纯知识传递、忽视学生能力素质的培养,缺乏现代信息技术与教育教学深度融合,学生处于被动的学习状态,不利于激发学生的学习兴趣和主观积极性。

2.3 缺乏科学化的评价方法和标准

考核考试形式单一,往往只采用期末应试型的闭卷考试方法,学生过程学习考核所占的比重偏低(仪器分析课程现有教学大纲规定平时成绩占比为20%),难以实现教与学的全过程质量控制和有效评价,不利于创新性人才的培养。

3 仪器分析课程教学内容和教学方式改革的几点思考

3.1 教学内容的更新和完善

1) 参考目前国内外名校仪器分析课程的主流教材和学科发展趋势,应适当删减或增加部分教学内容。突破原有课程框架的束缚,整合和更新仪器分析课程的基本内容和侧重点,大力加强对后续专业课“有用、必需”的知识,合理删掉或简化一些应用性不强的内容。另一方面,根据不同专业的人才培养目标的区别,对教学内容进行必要的拓展及延伸。

仪器分析课程教学可以电化学分析(导论、极谱分析、库仑分析)、色谱分析(导论、气相、液相)、光分析(原子吸收与原子发射、红外、拉曼、荧光)、波谱分析(核磁共振、质谱分析)为主要内容,适当增加X射线衍射(XRD)、高效液相色谱(HPLC)、气相色谱-质谱联用(GC-MS)、热分析(DSC/TGA)、多维荧光等目前在物质分离和结构测定领域应用较为广泛的分析手段的分析原理和仪器结构原理的介绍。适当压缩繁杂的运算或公式推导部分介绍,但重要的结论或公式(如色谱保留基本方程、尤考维奇方程等)应详细阐述和重点考查。

2) 将基础知识与学科前沿相结合。在理论教学中,教师应结合学生专业特点,不断洞察学科研究的新进展和新成果,在相关理论知识的学习基础上,引入该领域的最新研究动态,为学生的创造性学习开拓思路。

3) 紧密结合学生的专业和实际生活,培养学习兴趣。在教学过程中,引入现实生活和工作中的实例和问题(比如雾霾的源解析方法、新冠病毒的检测原理等),引导学生用所学的分析化学知识去解释一些现象,一方面可以增加学生对仪器分析课程的学习兴趣,另一方面也可以提高学生的理论联系实际的能力。

4) 在理论课教学内容完善的基础上,再对仪器分析实验的内容进一步修订。

3.2 教学模式的探索:利用信息化手段,引入多种教学模式相结合,探索“模块式”教学可行性

1) 伴随着信息技术的发展,混合式教学模式应运而生。在研究分析课程教学内容、学生学习基础、教学环境等因素的基础上,精心设计教学过程,将线下(课堂教学)与线上(网络教学)进行有机结合,使其达到优势互补,从而实现教学效果的最优化。

2) 理论与实验教学相联系。仪器分析化学是一门注重方法原理的理解、相对抽象的学科,理论课上的讲解很难使学生记忆深刻。因此在仪器分析化学理论课上适当渗透实验课的教学十分必要,比如增加某些演示实验、制作相关理论知识点的Flash、设计制作虚拟仿真实验等。通过上述方法既可以丰富实验教学手段、弥补现行实验教学条件的局限性,也使学生通过感性认识而加深对仪器分析基本原理的理解和记忆。

3) 提高学生自主探究学习的积极性。学生通过在线预习和交流讨论,完成相应的学习任务,培养学生自主学习和解决问题的能力。课堂上根据学生课前预习反馈评价,选择性讲解重点和难点,适当拓宽知识面,达到内化和巩固知识的学习目标。适时采用翻转课堂模式,让学生讲解知识点,教师和同学提出问题进行讨论,提高学生主动学习和深度学习的能力。

可以教师课堂授课为主,学生根据个人情况小组结合或个人对较新的文献中所采用的仪器分析手段(鼓励课外内容)进行简单介绍(每次课15 min以内),内容应清晰阐述所使用仪器分析方法的分析原理、应用实例、精密度、与其他方法的比较等。

4) 仪器分析的课程内容主要分为光分析(紫外可见吸收、分子发光、红外吸收)、电分析、色谱分析(气相、液相、超临界流体)、波谱分析(核磁共振、X射线荧光等)等几个模块,这与不同授课教师的科研方向密切相关,教学团队将探索授课模块式的可行性,即光分析的授课由某位从事该领域研究的教师负责,在理论基础系统讲解的基础上,适当引入相关实际科研工作中的应用,而波谱分析等则由其他教师来承担。一方面教学内容由最擅长该领域的教师承担,教学效果好,另一方面也可以避免一位教师从头到尾讲到底所带来的“枯燥感”,提高理论课授课的活跃性。

3.3 探索分层次教学内容和教学方法的改革

我院仪器分析课程的授课对象针对泰山学堂化学取向、化学专业强基班、化学专业基地班、普通化学专业和化工专业五个层次,各个专业的人才培养目标不同,因此应当在教学内容和教学方法上体现出差异,以分别实现不同专业方向的人才培养目标。

3.4 改进学生成绩考核方法,研究建立完善的综合评价机制

合理的课程考核方法是促进学生学习的有效手段。针对以往单一的期中期末闭卷考试形式的不足,研究建立课程考核信息库,完善综合考核评价机制,着重考核学生掌握知识能力、独立思考能力、组织协调能力、创新思维能力。研究设置线上线下多元化的考核评价体系,主要包括课前预习、课堂互动、课后作业、单元测试、期中期末考试等模块,并按适当比例计入课程考核总成绩。针对不同模块要求,设计制作形式多样的开放性探索题目,比如撰写教研小论文、主题发言、课堂讨论、网上交流、专题宣讲等,学生根据教学进度在线及时完成相关测试。系统评价每个阶段的学习成绩和效果,从根本上保证课程的教学质量和水平。

仪器分析课程考核成绩组成及比例范围建议如下:平时成绩(20%–30%,作业+小组展示+综述或某个课内思考题的延伸思考1000字左右论文)+期末考试(50%–60%)+期中测验(10%–20%)。作业应当全面地让学生对于分析原理、简要计算、优劣点对比总结等有所掌握,期中考试可适当增加一部分客观类题目以检测学生的基础知识掌握,期末考试以主观题(简答、计算、推导、综合应用)形式考查基本知识的应用为主,结合仪器分析的一部分简单的应用实例,体现仪器分析在科学研究的结果表征方面所发挥的重大作用。

3.5 教学中融入思政元素,提升专业课的育人功能

仪器分析课程的教学改革,一方面应注重加强基础专业知识的传授和创新意识的培养,更重要的是应突出教育“立德树人”的根本方向,发挥专业课的育人功能。因此,应当充分结合仪器分析专业课程的特点,积极发掘与之相关联的思政元素案例,将其自然融入专业课基础教学中,激发学生的学习兴趣、家国情怀和使命担当,引导学生树立正确的世界观和价值观。

例如,在第一章绪论的教学中,可引入月壤分析的实例[8]。2020年12月17日,嫦娥五号返回器成功降落,带回凝聚了无数航天人心血与智慧的1731 g珍贵月壤样品。而月壤分析的重要性不言而喻,其研究是探讨月球起源与演化历史的基础,是了解月球物质成分和月球矿产资源开发利用前景的依据。针对月壤样品的珍贵性和特殊性,需要完善分析方法,提高相应仪器的灵敏度和分辨率,研发新技术新方法。2021年7月12日,在北京举行了首批月壤发放仪式,其中中国科学院、中国地质大学等13家科研机构和高校共获得约17.4764 g月壤,这也代表着中国月球样品的研究工作正式开始。因此,在教学中可给学生抛出问题:你如何分析月壤样品?图 2列举了月壤分析应遵循的原则、部分检测目的及所使用的仪器分析方法和技术。

图2

图2   月壤分析案例


通过这个案例的讲解和讨论,一方面可以使学生见证当代中国发展的伟大成就,充满了民族自豪感,嫦娥五号的成功返回完成了中国航天迄今为止最复杂、难度最大的任务之一,标志着我国科学家在航天航空、地外天体采样、新材料研发等诸多领域取得的巨大成就。其次,“样品具有代表性”和“原汁原味”等分析化学理念,体现在月球样品的采集、封装、运输、移交整个处理过程中。第三,通过对月壤样品分析方法和技术的简单介绍,实现理论知识与科研热点之间的关联,激发学生对仪器分析课程的学习兴趣。

4 结语

以培养化学专业“双一流”创新型人才为目标,贯彻落实“以学生为中心”“以学为中心”“以发展需求为中心”的理念,仪器分析课程的教学改革应不断完善理论教学和实践教学内容;运用现代化信息技术手段,实施多种研究型教学方法;加强教学过程考核,改革考试方法,激发学生的学习兴趣和积极性。完善课堂教学标准体系,实现线上与线下教学相结合,教师引导与学生自主学习相结合,提高学生自主学习和研究学习的能力,强化创新思维培养,推进以价值塑造、能力培养和知识传授为核心的“三位一体”课堂教学模式改革,全面提高仪器分析课程的教学质量和教学效果,为其后续相关专业课程的学习以及未来从事相关专业的工作奠定坚实的专业基础。

参考文献

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