大学化学, 2022, 37(4): 2110023-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202110023

教学研究与改革

适应创新性人才培养的仪器分析实验教学改革初探

黄军, 周颖琳, 吕占霞, 高珍, 李美仙,

Preliminary Exploration on the Teaching Reform of Instrumental Analysis Laboratory for the Cultivation of Innovative Talents

Huang Jun, Zhou Yinglin, Lü Zhanxia, Gao Zhen, Li Meixian,

通讯作者: 李美仙,Email: lmwx@pku.edu.cn

收稿日期: 2021-10-12   接受日期: 2021-11-1  

Received: 2021-10-12   Accepted: 2021-11-1  

Abstract

In order to adapt to the cultivation of innovative talents, preliminary exploration on the teaching reform of instrumental analysis laboratory at the College of Chemistry & Molecular Engineering, Peking University, was introduced, including adopting the learning mode of online and offline combination, conducting real sample test, carrying out small-class teaching, and comparing test results of the same sample. The implementation of these reform measures has significantly improved the course quality and the teaching effect.

Keywords: Instrumental analysis laboratory ; Teaching ; Reform ; Exploration

PDF (1777KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

黄军, 周颖琳, 吕占霞, 高珍, 李美仙. 适应创新性人才培养的仪器分析实验教学改革初探. 大学化学[J], 2022, 37(4): 2110023-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202110023

Huang Jun. Preliminary Exploration on the Teaching Reform of Instrumental Analysis Laboratory for the Cultivation of Innovative Talents. University Chemistry[J], 2022, 37(4): 2110023-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202110023

仪器分析实验属分析化学课程体系,在化学基础实验训练和未来研究中的重要性不言而喻。本课程的主要教学目的包括:(1) 使学生加深对仪器分析基础知识的理解,了解和熟悉一些大型分析仪器的基本原理、基本构造;(2) 了解每种仪器分析方法的特点和局限性;掌握每种分析方法的主要参数;(3) 对于不同分析目的,能够选择正确的分析方法。

2016年北京大学教学改革之前,仪器分析实验课程一直是化学及相关专业学生的必修课,选课对象包括化学、环科、元培、城环、工学等院系的学生。由于学生人数较多,内容设置和教学形式不够灵活,不能充分调动学生学习的积极性和主动性。随着学校为促进本科人才培养质量提升而持续开展的教学改革,教学计划进行了相应的调整,仪器分析实验课程由必修课改为专业限选课。

为了满足创新性人才培养的要求,仪器分析实验教学团队以学生成长为核心,以提升学生的实践能力、创新能力、分析问题和解决问题的能力为目标,从多个方面探索进行课程建设,所开展的工作主要包含以下几个方面。

1 明确目标式的教学要求,激发学生的主观能动性

仪器分析实验的学习,除了能帮助学生更好地建立分析化学中“量”的概念、懂得如何保证测定结果的准确性和可靠性外,更重要的是让学生掌握各种样品的前处理方法,理解如何通过优化实验条件达到测定所要求的灵敏度和选择性,以及如何针对不同的样品和不同的测试目标选择合适的仪器分析方法。围绕这些教学目的,我们打破过去“照方抓药”式的实验教学模式,提出了明确目标式的教学要求,实验所测定的对象增加了日常生活用品或食品等实际样品,如牙膏、白酒、饮料等,具体内容见表 1[1]。这种“实战”操作引入了分析测定过程中的干扰因素,训练学生将课堂理论、实验室操作和实际应用紧密联系起来解决问题,充分体会到分析方法的实用性和重要性。图 1是高效液相色谱法测定饮料中色素的流程图。

表1   仪器分析实验项目

仪器方法实验内容仪器方法实验内容
原子发射光谱(AES)原子发射光谱对奶粉样品中微量金属元素的定性定量分析气相色谱(GC)气相色谱分析白酒中的微量组分
原子吸收光谱(AAS)火焰原子吸收光谱法测定奶粉中的钙液相色谱(HPLC)高效液相色谱法测定饮料中食用色素的含量
核磁共振(NMR)有机化合物结构式的核磁共振解析气质联用(GC-MS)气相色谱-质谱联用法测定环境中的多环芳烃
电分析化学1 (EC1)氟离子选择电极测定饮用水中和牙膏中的氟;库仑滴定法测定砷毛细管电泳(CE)毛细管区带电泳法分离离子型化合物
电分析化学2 (EC2)循环伏安法;铋膜电极微分脉冲溶出伏安法测定水中的痕量铅

新窗口打开| 下载CSV


图1

图1   高效液相色谱法测定饮料中色素的流程图


在此基础上,还允许学生自己携带感兴趣的测试样品,要求学生根据测试目标自拟方案,经指导教师审核方案后进行尝试。如关于氟离子选择电极的实验,有的学生选择测试饮用水中的氟含量,有的学生选择测定牙膏中的氟含量;在高效液相色谱法测定饮料中的食用色素含量以及气相色谱法分析白酒中的微量组分的实验中,有的学生则自带常饮用的有色饮料和白酒。这种选择上的自由,激发起学生们浓厚的学习兴趣,既充分发挥了学生的主观能动性,又培养了学生分析问题、解决问题的能力。

2 更新实验内容与安排,采用不同方法测定同一样品的比较学习方式

由于仪器分析实验涵盖的方法较多,过去在实验内容设置上采取的教学模式是用不同的仪器分析方法分析不同的样品,逐一学习不同的方法,不便于学生比较不同方法的特点及它们之间的关系。在2017年,我们尝试了对同一样品采用不同的仪器分析方法进行测试,例如针对奶粉中微量元素的测定,分别采用原子吸收光谱法和原子发射光谱法,让学生比较、归纳、总结不同方法的特点和局限性,有利于学生梳理知识体系,比较不同方法的适用性和优缺点。同时,针对不同仪器的特点进行样品分析,便于学生了解不同仪器在结构和性能上的相同和不同点。如奶粉中微量金属元素的测定,将待测奶粉和碳粉按一定比例混合,制备固体样品,让学生采用改造后的WP1型一米平面光栅摄谱仪定性测定奶粉中含有的元素,而消解后的奶粉样品采用电感耦合等离子体发射光谱仪进行定量分析。针对气相色谱-质谱联用法测定环境中的多环芳烃实验,由于质谱用于多环芳烃的鉴定存在碎片离子少的劣势,但结合气相色谱强大的分离能力,可将质谱无法区分的同分异构体通过气相色谱进行鉴定,让学生学会灵活运用分析方法。

此外,由于仪器分析是随着科学和技术的进步而不断发展的学科,尤其是仪器方面发展更新很快,为了让学生了解仪器的内部构造和发展过程,我们将一些淘汰的旧仪器拆开,仪器内部的结构一目了然,与相应新仪器放在一间实验室,授课教师进行对比讲解,便于学生比较学习。如图 2是实验用的原子吸收光谱仪和拆解开淘汰的原子吸收光谱仪图片;图 3是实验用的高效液相色谱仪和拆解开淘汰的仪器图片。

图2

图2   原子吸收光谱仪


图3

图3   高效液相色谱仪


3 改进教学形式,实行小班制教学,鼓励学生自主选择合作或独自完成实验

尽管每次实验课有40–60人同时上课,但每一项实验都采用4–6人的“小班制”教学模式,不但有利于教学互动,而且1–2人使用一台仪器,学生能充分学习、了解和掌握所使用仪器的基本原理、结构组成及操作方法,特别是通过独立的实验设计和操作环节,学生们的实验操作能力以及分析问题和解决问题的能力得到了提高。有些实验(如高效液相色谱法测饮料中的色素、气相色谱法分析白酒中的微量组分、库仑滴定法测砷等)实施让学生自主选择独自完成还是两人合作完成的教学方式。这两种形式相结合,既培养了学生的协作精神,又培养了学生独立思考和动手的能力。

4 教学资源多样化,线上线下相结合,充分调动学生的学习主动性

仪器分析是采用比较复杂或特殊的专用仪器设备,通过测量物质的某些物理或物理化学性质的参数及其变化,以获取物质的化学组成、成分含量及化学结构等信息的学科[2, 3]。仪器分析实验需要的仪器设备价格相对昂贵,受仪器台数的限制,仪器分析实验课程采用大循环的安排形式;而仪器分析理论课和实验课在同一学期开课,因而大部分学生是在没有仪器分析相关理论知识基础的情况下进行实验。为了解决这个矛盾,我们拍摄了仪器分析实验慕课,具体内容包括每种实验方法的分析原理、基本仪器组成和相关实验内容。通过智慧树在线平台将资料提供给学生,要求学生在实验课前自学和预习,对实验预习环节提出严格的要求,通过提问检查预习情况,并规定没有预习报告者不允许做实验。例如在做氟离子选择电极测定牙膏中的氟这个实验时,会提问学生为何氟离子选择电极的内充液中要含有一定浓度的氯化钠?如果学生提前看了相关的视频内容,就知道是为了保证Ag/AgCl内参比电极的电位稳定。接着还能启发学生思考,为何氟离子选择电极里要包含Ag/AgCl内参比电极?它的作用实际是作为导线,引出膜电势。通过实验课的线上线下相结合的学习模式,既解决了学生在缺乏理论基础的情况下做实验,导致实验效果不佳的问题,又调动了学生主动学习的积极性,还避免了研究生助教在理论讲解方面可能存在的欠缺,保证了教学质量。

5 增加实验基础操作培训环节,规范学生的基础操作以确保实验教学效果

为了保证实验教学效果,在仪器分析实验开始前,我们增设了基本操作的培训如样品的称量和溶解、溶液的转移和定容、移液管和移液枪的使用等等,确保了学生在仪器分析实验中基本实验操作的规范性。

6 结语

总之,通过以上列举的这些改革尝试,仪器分析实验课程的吸引力显著提升。虽然改为限选课,但学生的选课人数逐年增加,2018年春季学期为40人,2018年秋季学期增加到77人,2019年秋季学期上升为117人,2020年秋季学期上升为120人。这表明仪器分析实验课的改革举措获得了学生们的认可,实验教学成效显现。

当然,我们在教学的过程中也在不断地思考,这门实验课程在哪些方面还有待进一步完善?如何更好地将理论课和实验课进行衔接?在课程内容的设置方面仍需要进一步探索,哪些实验需要必做、哪些实验可用来选做?如何在实施教学计划的同时,让学生有更多的自由选择空间,更好地激发学生的潜能?注重新时期学生的学习特点和学习兴趣,真正做到因材施教是今后实验教学中还需继续探索的方向。

参考文献

北京大学化学与分子工程学院分析化学教学组, 编著. 基础分析化学实验. 北京: 北京大学出版社. 2010: 2.

[本文引用: 1]

李克安. 分析化学教程, 北京: 北京大学出版社, 2005, 3

[本文引用: 1]

叶宪曾, 张新祥, 等编著. 仪器分析教程. 北京: 北京大学出版社. 2007: 1.

[本文引用: 1]

/