仪器分析课程论文

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仪器分析实验课程教学探讨论文

摘要: 分析仪器分析实验课程教学中存在的问题，探讨辅助教学手段在仪器分析实验教学中的运用，提出将仿真技术引入教学、合理运用微课、建设网络教学平台等对策。

关键词: 仪器分析实验;辅助教学手段;课程教学

仪器分析实验课程是化学类及相关专业开设的主要基础课程之一，课程内容主要包括电化学分析法、紫外可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、色谱法、原子吸收光谱法、荧光光谱法等模块。通过这门课程的学习，学生可以加深对有关仪器分析方法基本原理的理解，掌握仪器的基本结构及使用方法，合理选择实验条件，正确处理实验数据和表达实验结果，为后续课程的学习及未来职业岗位的胜任奠定一定基础。

1仪器分析实验教学存在的主要问题

1．1硬件资源不足，学生缺乏实操训练

仪器分析实验所用大型仪器每台价格少则几千元，多则几万元，甚至几十万元。许多院校受到资金和场地的限制，无法配置课程所需的全部设备，或者仅有1～2台面向全体师生。因此，硬件资源的不足，导致仪器分析实验教学不能像基础实验那样，采用独立操作的方式，让每位学生都参与实验，只能靠教师演示或让学生做些辅助性的操作来完成教学任务。例如:在红外光谱实验中，学生可以进行的操作大多是固体样品的压片;在液相色谱实验中，学生的主要任务是配置溶液、用超声除去气体、用微孔滤膜过滤等。而仪器参数的设置、进样等涉及仪器操作的部分大多由教师演示，学生则少有动手操作仪器的机会。

1．2精密仪器的特殊性使学生使用受到限制

精密仪器的操作技术要求高，使用人员只有在熟悉仪器性能和熟练掌握操作规程的前提下，才能进行实际操作。一旦使用不当，不仅会造成仪器损坏，而且相对高昂的维护费用和相对较长的维护时间会给日常教学带来严重影响。因此，在仪器分析实验教学中，通常采用大循环方式组织教学。大多数任课教师为了保证设备处于良好的运行状态，避免或减少故障的发生，在课上只是亲自演示，不允许学生随意开启、关闭仪器，随意旋转仪器按钮，随意改变仪器工作参数。在这种情况下，学生只能走马观花地看演示，达不到理想的学习效果。

1．3注重培养操作能力，忽视介绍内部结构

仪器分析实验的教学目标为掌握实验原理，了解仪器构造、各部分功能，以及仪器的使用、维护和保养。多数学校在现有条件下，收获较为理想的教学效果也只是学生能在课程结束后掌握机械操作仪器的方法，而学生对仪器的内部结构和原理却了解甚少，也不懂常规维护和保养，能力自然不能得到充分锻炼。这对日后工作帮助显然不够，难以满足职业教育技能型人才培养的实际需求。

1．4辅助教学手段针对性不强

随着信息化时代的来临，在硬件资源不足的情况下，教师可以借助互联网上的教学视频来进行辅助教学，对学生掌握实验原理、仪器构造也能起到一定效果。但由于仪器设备型号不同，软件、硬件操作规程差别较大，学生观看互联网上的视频后，面对本校的实验设备可能还是无从下手。例如:利用百度搜索到的紫外可见分光光度计的教学视频多为721、722、752、UV756MC型号;气相色谱仪教学视频主要是GC120M、AGILENT6890N型;而液相色谱仪、原子吸收分光光度计、原子荧光光度计、气质联用仪等仪器的网络教学资源十分有限。针对以上问题，根据实际条件，选择、开发适合本校的辅助教学手段，用来弥补教学资源的不足，不失为一条可行之路。

2辅助教学手段在仪器分析实验教学中的运用

2．1将仿真技术引入教学

分析仪器仿真技术是利用计算机技术、网络技术、仿真技术和信息技术，在计算机上建立一套与真实分析仪器完全相同的虚拟分析系统［1］。它能够借助图像、动画来描述设备的特性，显示实体的真实动作，模仿真实操作过程。国内大型分析仪器仿真技术现已成熟，以由北京东方仿真软件技术有限公司开发的大型分析仪器仿真操作系统系列软件为例，它涵盖紫外分光计、红外分光计、气相色谱装置、原子吸收光谱、高效液相色谱、色质联用分析仪仿真等内容。该系统采用计算机虚拟仿真技术进行开发。软件具备机理模型，虚拟场景逼真度高，且以真实实验数据库作为支撑，能够自动模拟相应的实验现象，得到与真实实验相似的实验结果。操作方式灵活真实，仿真操作过程与真实仪器操作过程极其相似。学生可以通过仿真技术在计算机上建立的虚拟实验操作平台，完成对昂贵分析仪器设备的模拟操作，就如同在真实的分析仪器上操作。它不仅能够满足日常训练、常规考核以及技能大赛等需求，也为剖析仪器的内部结构、原理提供极大方便。仿真实训室的建立可利用校内现有计算机机房进行扩充，购买相应操作软件。这与添置设备相比，仿真技术投入少、消耗低、使用周期长、维护方便。大型分析仪器仿真软件的引入，与传统的教学方式相比，不仅能满足设备数量与学生数量之间巨大差距的矛盾，弥补办学硬件资源的不足，还可对设备的内部结构、实验原理等相关知识进行形象剖析和立体化讲解。仿真仪器的反复操作不仅不会增加实验成本，遇到操作不当、参数设置不正确时，也不会损坏仪器、出现安全问题，能够帮助学生尽快、全面掌握仪器设备的操作技能。

2．2合理运用微课

针对仪器分析实验硬件资源不足的问题，如何把有限的实训资源整合到传统教学环境里来，使其最大限度地发挥作用，需要教师认真对待。从技术角度来看，微课这种灵活、主题突出的新型教学模式就是一个有效的方法。微课是以教学视频为主要载体，反映教师在教学活动过程中针对某个知识点或教学环节开展教与学的各种教学资源有机组合。开发仪器分析实验相关微课，借助网络与视频技术，通过视频、图片、PPT等形式，可形象直观地将实训项目操作技能视觉化，供学生反复观看，更有利于学生理解与掌握专业技能［2］。它还能将课堂教学延伸到课外，学生能够在课前、课后利用电子设备浏览实训课教学内容，有针对性地学习。教学视频是微课的'核心组成部分，时长一般在5～8分钟，主题突出，经过后期制作的视频及配套辅助资源的总容量一般为几十兆字节，视频格式须是支持网络在线播放的流媒体格式(如rm，wmv，flv)等［3］。仪器分析实验的微课制作可采用“录像法”，把仪器部件、旋钮、操作方法、实训内容完整地展现出来。如对红外光谱实验中固体样品的压片过程、分光光度计的使用，均可全程录制。而对于大型设备，如气相色谱、高效液相色谱、原子吸收分光光度计等，一次完整的实验耗时较长，微课的制作可按动作节点把操作步骤碎片化成不同单元，针对碎片化后的知识点进行录制。步骤要连贯，不能轻易跳过。视频的后期制作中，加入关键词，以字幕的形式补充其不宜讲清楚的部分。以G5气相色谱仪的操作为例，可碎片化成以下几部分录制:一是仪器构造，主要介绍气路控制系统、仪器控制面板、进样器、色谱柱箱、检测器(包括控制电路)等;二是开机方法，介绍开机操作顺序及载气流量的调节;三是样品测定，主要介绍主菜单功能，设置温度、桥电流的方法，由于升温时间较长，过程省略;四是取样进样的操作;五是关机方法，介绍怎样返回至主菜单，设置桥电流，怎样关恒流源降温，最后关主机;六是软件操作部分，可使用“Camtasia”录屏软件，将软件操作过程完整录制下来。仪器操作的录制过程，既要有设备的整体画面，又要注重细节，让学生能够在整套设备中准确找到相关按键或旋钮，同时又能看清操作方法。

2．3建设网络教学平台

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》中提出，要“加强网络教学资源体系建设，开发网络学习课程，创新网络教学模式”。网络教学平台是实现教育教学方法创新，促进优质教育资源普及共享的重要途径和基础保障［4］。网络教学支持平台是指建立在互联网的基础之上，为网络教学提供全面支持服务的软件系统的总称，包括支持网络教学的硬件设施和支持网络教学的软件系统。网络教学平台主要有点播式教学平台和互动式网络教学平台。点播式教学平台能够实现教学资源的快速传递，学生可以随时点播音频、视频课件，查阅电子教案等教学内容。而互动式教学平台可使师生通过网络进行交流，教师也可利用教学平台对学生的学习情况进行跟踪，并根据学生的学习情况有选择性地发布课程内容。网络教学平台建设包括硬件建设和软件建设。硬件设施主要有全方位的校园宽带网、功能完善的网络多媒体教室、服务器、多媒体教学材料和软件的存储设备。软件方面主要是教学系统平台。教师可将仪器分析课程的课件、教案、专业资料、仪器使用的微课程上传至平台，供学生自主学习。学生可先通过网络平台观看仪器操作的微课程，熟悉仪器结构和操作要领，然后上机操作，这使得教学更具有针对性。目前国内许多院校或公司研制和开发了适合自身需要的网络教学平台产品，如北京师范大学研制的Vcalss、上海交通大学的Answer教学系统平台，都可以引进使用。

2．4其他辅助手段的使用

根据仪器分析实验课程的特点，教师也可选择简单易行的辅助手段，如:制作大型仪器操作流程图，并将其打印、压膜塑封后放在仪器旁边，学生在使用之前需仔细阅读，按照说明进行操作;针对现在高校大学生几乎都有智能手机的现状，在没有网络教学平台的情况下，教师也可将微课、视频通过微信发送给学生;也可通过易企秀软件，生成二维码，学生通过扫描二维码的方式在课后观看相关教学视频进行自学等。

3结束语

仪器分析实验课程是一门实践性很强的课程，对分析仪器的需求较高。在教学资源有限的情况下，我们应当积极探索辅助教学手段的运用，帮助学生深入、直观地理解和掌握所学知识，提高动手能力和独立操作能力，为学生独立调试、使用仪器打下良好基础，从而达到提高教学质量的目的。

作者:柳意 单位:锦州师范高等专科学校

参考文献:

［1］田文德，丁辉，姚飞．分析仪器的计算机仿真［J］．现代科学仪器，2001(3):41－49．

［2］胡海星，张春霞，张春燕．微课在高职实训教学中的应用研究［J］．长沙大学学报，2015(3):125－126．

［3］柳意．微课在环境工程技术专业实训中的应用［J］．哈尔滨职业技术学院学报，2016(2):42－44．

［4］徐旭松．ActRes互动式网络教学平台的开发与应用［J］．江苏理工学院学报，2015(4):82－86．

在各种分析仪器的发明和研制过程中,有着许许多多的发人深省、鼓舞人心的历史事例,在这其中无数化学家做了大量艰苦卓绝的探索工作,取得了令人瞩目的成就,这些伟大的化学家们都具有令人敬仰的个人品质及孜孜不倦投身科学的奉献精神。在仪器分析发展史中有许多位科学家获得了诺贝尔奖,回顾这些对近代科学发展的重大贡献, 追踪科学家走过的足迹, 激发了我参与科研和追求创新的热情。核磁共振从其一开始就与诺贝尔奖联系在一起:1945 年以Bloch 和Purcell 为首的两个课题组同时发现了核磁共振现象,为此他们获得了1952 年诺贝尔物理学奖; Richard Ernst 教授因为他在高分辨率核磁共振二维波谱新技术方面的贡献而获得1991 年诺贝尔化学奖; Kurt Wuthrich 教授又因其在应用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的新方法而获得了2002 年诺贝尔化学奖。由于核磁共振提供分子空间立体结构的信息,目前已经发展成为分析分子结构和研究化学动力学的重要手段,在有机化学、生物化学、药物化学等领域里得到了广泛的应用,这反映出了核磁共振技术的迅猛发展及其对世界前沿研究工作的巨大贡献。在质谱分析发展史中,先后有3 位科学家获得了诺贝尔化学奖。他们是:英国科学家Aston 设计了世界上第一台质谱仪,并使用该仪器发现了212 种同位素,将人类研究微观粒子的手段大大向前推进了一步,因而获得了1922 年诺贝尔化学奖;日本科学家田中耕一和瑞士科学家Kurt Wuthrich 共同开发出生物大分子的质谱分析技术和发展了基质辅助激光解析电离法,为发展生物大分子的鉴定与结构分析方法所做出了重大贡献,因而获得了2002 年诺贝尔化学奖瑞典皇家科学院称赞他们的研究工作“提升了人类对生命进程的认识”。随着科学技术的进步,仪器分析方法的发展日新月异,从航天工程使用的特种材料到生命科学的过程研究,先进的分析仪器和有效的分析方法都成为了不可或缺的手段。对于当今的大学生来说,由于计算机和互联网的迅速发展,使得他们获得最新科技信息的途径被大大地拓宽。因此,将最新的分析仪器和分析方法介绍给学生,对于他们理解最前沿的科技动向具有很有利的帮助作用,从而激发了他们对所学专业的热爱以及为科学献身的崇高理想。比如,傅立叶变换红外光谱(FTIR) 可提供有关分子结构的多种信息,辅以二阶导数、去卷积、曲线拟合等解析方法可以研究蛋白质二级结构的变化规律。近几年,应用FTIR从分子水平的角度研究癌症正是生物医学领域的热门课题[4 ] 。癌组织和正常组织的谱图表明癌组织样品与正常样品的红外光谱存在明显差异,通过谱图解析可直接或间接地阐明引起谱图变化的主要原因,以及细胞癌变的可能机理及病程进展各期。通过在教学过程中穿插相关的图片、实验数据等,生动地将正常组织与肿瘤组织的红外谱图在谱型、强度、频率等谱学参数上存在明显的差异展示给学生,从而使学生了解红外分析方法的重要意义。在对生物大分子的分析中,生物质谱与其他分析方法相比具有准确性和灵敏度高、快速、易于大规模和高通量操作等优点,因此在基因组学和蛋白质组学研究中扮演着越来越重要的角色[5 ] 。例如,在蛋白分析技术中生物质谱以其不可比拟的优越性能,已经成为蛋白质组学研究中必不可少的技术平台[6 ] ,在蛋白质鉴定、序列分析、定量、翻译后加工(修饰) 及蛋白质相互作用等方面已得到了较广泛的应用,其中用于蛋白序列分析的生物质谱鉴定方法有基质辅助激光解吸- 飞行时间- 肽质量指纹谱(MALDI - TOF- PMF) 、串联质谱的肽序列标签以及肽段的从头测序。随着人类探知未知世界的手段的不断进步,即使有先进分析仪器的不断涌现,仅借助于某一种单一的仪器分析方法往往也难以达到分析检测的目的,于是出现了分析仪器联用技术。从这个课程的学习，我体会到科学家们既积极探索、勇于创新的科学精神,所以我们要主动投入到学习和科研中去。