仪器分析实验创新教学模式探讨
——以红外吸收光谱为例∗

王 健, 谢松志, 谢贞建, 李小红, 周 闯, 肖龙泉, 张 崟

(成都大学食品与生物工程学院, 四川 成都 610106)

仪器分析实验是现在高校食品、 化学、 材料、 生物、 药学等专业的一门基础课程, 整门实验课以气相色谱、 液相色谱、红外吸收光谱等仪器实验为主, 主要是让学生熟悉不同仪器的测试原理以及测试方法, 进一步掌握各种仪器分析方法的应用范围和主要分析对象[1-2]。 旨在通过本门课的学习能够让同学们掌握各种分析仪器的基本参数、 操作方法和实验数据的处理方法, 能够独立完成对实验结果的分析, 培养学生严谨的科学作风、 良好的实验素养和求实的科研精神, 能够利用所学知识解决生活中的实际问题。 现在传统的仪器分析实验课教学存在例如知识点偏难、 可使用设备偏少和教学时间偏短等问题造成有些同学对知识点的掌握不完全, 从而不能实现好的教学效果[3]。 现在新的人才培养计划和 “卓越计划” 对实验课的教学提出了更高的要求, 并且当前依然严峻的疫情防控形势促使实验课的教学模式必须实现线上线下混合教学创新。 所以本文以仪器分析实验课中一门重要的实验课-苯甲酸红外光谱的测定和解析为例, 分析了传统实验课教学存在的不足和困难, 并且针对性地探讨了仪器分析实验教学的新教学模式, 旨在更好地完成该门实验课的教学, 增强对学生综合能力与创新能力的培养, 能够利用所学的实验知识解决生活与工作中的实际问题[4]。

1 传统仪器分析实验课存在的主要问题和困难

1.1 实验课偏难, 教学时间短

仪器分析实验课是在仪器分析理论课授课完过后进行的实验课程, 通常来说同学们应当对理论知识有了一定的了解。 但仪器分析理论课的教学以基础知识为主, 而仪器分析实验课由于涉及到仪器的实际操作和结果处理、 分析, 所以介绍的知识偏难一点。 以苯甲酸红外光谱的测定和解析为例, 仪器分析理论课主要只是简单介绍了红外吸收光谱的原理、 测试方法和应用, 而对用红外吸收光谱分析和推断化合物存在的官能团以及具体结构的判断并没有做太高的要求。 而在实验课当中, 就要求同学们利用红外吸收光谱所学的知识来判断自己所做的谱图有没有苯甲酸的特征吸收峰, 从而推断所做的实验是否成功。除了对所做样品进行红外结构的判断, 该实验的另外一个难点是在样品的干燥、 研磨和压片样的制备, 如果以上环节稍微出一点差错, 就会导致得不到苯甲酸的特征吸收峰和出现一些杂峰, 从而造成实验的失败。

此外, 仪器分析实验课每门实验课的学时是4 个学时, 要让同学们在这4 个学时里面深入地掌握理论知识以及实验操作的要点, 时间显然是非常紧张的。 在实际教学经验方面, 很多同学在课堂上对以前仪器分析所学的理论课知识掌握的不是很扎实, 所以需要花很多时间对理论知识进行回顾和深入, 这样的话就会造成时间的严重不足。 对该实验课提前认真做好实验预习的同学可能没有问题, 但课前没有熟悉该实验课内容或者基础知识薄弱的同学就跟不上授课和实验进度, 导致不能掌握该节实验课的知识。

1.2 实验设备不足, 仪器更新滞后

开设仪器分析实验课的目的是让同学们掌握各种分析仪器的操作方法来处理实验数据和分析实验结果。 所以要有好的教学效果, 就必须让同学们亲自来操作使用机器并且全程参与整个实验过程。 但实际上, 由于大型仪器例如红外光谱仪、 气相色谱和液相色谱等的价格都比较昂贵, 一般整个实验室只有一台仪器, 因此做实验时只能分组进行。 在苯甲酸红外光谱的测定和解析这个实验中, 小组中一些对红外知识掌握不好的同学和学习态度不端正的就可能变为旁观者甚至浑水摸鱼, 全程不参与红外压片样品的制备和测试, 做完实验下来借鉴其他同学的苯甲酸的红外分析数据来交差, 完全没有掌握到苯甲酸的红外特征峰和红外吸收光谱的原理等知识。 还有存在的问题就是现在大型精密仪器的发展速度也很快, 仪器测试的精度和速度也不断提高。 但是由于实验设备比较昂贵和实验场地受限, 大型精密仪器更新换代的速度比较慢, 从而导致同学们不能学习到最前沿的仪器分析技术。 另外仪器设备的陈旧老化会导致机器在分析处理数据时速度和反应较慢、 出现系统误差和测试效果不理想等问题, 导致学生做实验的体验度较差, 严重影响到实验课的教学质量。

1.3 教学手段单一, 课程内容稍显枯燥

现代仪器分析实验课的教学的普遍手段是教师利用板书或者多媒体课件对该节实验课内容进行一个简单的讲述, 然后亲自在机器上操作示范给学生展示, 最后学生分组操作来完成实验。 这种单一的教学手段在特殊情况发生时不能做到 “停课不停学”, 去年疫情的影响对传统的教学模式产生了较大的冲击,该教学模式不能适应新的教学要求, 必须进行创新。

另外还存在的缺点就是学生只是单纯的接触理论知识, 核心内容的授课还存在一定的局限性。 以苯甲酸红外光谱的测定和解析为例, 课程涉及到的红外光谱仪的内部结构以及工作原理等内容有一定的抽象性, 学生对仪器缺乏更直观更感性的认识, 导致有些学生不能完全掌握该节课的核心内容, 再加上实验课内容稍显枯燥, 课程难度大, 最终导致力不从心, 不是抱着一个积极的态度来做实验, 而是简单地去应付这个实验, 从而达不到一个良好的教学效果。 实验课需要同学们在实验操作过程中不断思考和领悟来完成整个实验, 所以丰富教学手段,提升同学们对实验课的兴趣就显得异常重要。

2 仪器分析实验新教学模式探讨创新教学新模式探讨

为了解决传统仪器分析实验课教学模式存在的问题, 跟上现在适应疫情防控常态化的教学要求, 本文探讨了仪器分析实验课的新教学模式, 具体如下:

2.1 丰富实验教学的手段

要使同学们对枯燥的实验课内容感兴趣, 就要丰富教学手段, 而不是简简单单地在实验室里进行授课。 首先可以提前录制和准备好教学操作视频和仪器工作原理动画, 结合好超星、智慧树等网络平台的图书和视频等公共资源, 让同学们在上课之前认真观看学习, 达到一个好的预习效果。 例如具体了解傅里叶红外光谱仪的工作原理, 从而对红外吸收光谱图是怎么得到的有一个更加形象直观的了解。 通过观看教学操作视频, 了解红外样品(苯甲酸和溴化钾)的添加比例以及在压片制备中的注意事项, 通过书本知识和视频讲解着重强调苯甲酸在红外吸收光谱中的特征吸收峰, 为课堂上的实际操作和结果分析打下坚实的基础。

2.2 利用虚拟仿真辅助实现线上线下混合教学

去年年初的疫情给传统实验课的教学方式带来了很大的冲击, 在网上由于无法实现实验课的教学, 从而对学院的教学进度产生很大的影响。 而虚拟仿真实验就可以解决这个问题, 虚拟仿真实验教学是现在高等教育实验教学示范中心建设的重要内容[5-6]。 虚拟仿真实验因其直观、 高效及方便等特性, 可以弥补实验教学项目受场地、 规模、 安全等因素制约的缺点, 给实验教学模式带来了新的发展方向[4-7]。 所以建立 “虚实结合” 实验教学模式, 是当前实验教学发展的方向之一。 而现在虚拟仿真平台收纳了大部分仪器分析实验, 包括气相、 液相和红外吸收光谱等。 通过对仪器分析实验开展虚拟仿真, 可以解决在实际教学中仪器不足的缺点, 在苯甲酸红外光谱的测定和解析这个实验当中, 可以让每一名同学都全程参与苯甲酸压片样品的制备和苯甲酸样品的红外谱图解析, 培养学生独立解决问题以及思维创新的能力。 虚拟仿真实验突破了传统实验在操作过程中时间、 空间和实验次数的限制, 学生可以随时随地联网在虚拟环境中开展仪器分析实验, 包括课前预习和课后复习, 加强了学生自主学习的能力, 有效地巩固了所学的知识。另外, 虚拟仿真特有的学习模式和考核模式也为仪器分析的教学如虎添翼[4,6]。

2.3 多元化的考核方式

现在实验课常规的考核方式是实验报告考核和期末卷面考试, 其中实验报告包括预习报告和课后的结果分析报告, 包含实验目的、 实验原理、 实验步骤、 实验结果分析、 思考题和心得体会等。 虽然考核方式已经很完善, 但并不能完全反应同学们对实验知识的掌握和对整个实验操作的熟悉程度。 对实验操作的线下考试由于仪器和场地的限制并不能很好地实行, 因此可以借助虚拟仿真平台实现一个线上的模拟考核, 可以更好地检验同学们在实验过程中的操作规范程度、 重要操作步骤的准确性以及对实验结果的分析判断。 这样多元化的考核方式不仅可以更好地评判同学们对仪器设备的掌握和应用的能力, 也能加强学生对实验操作的印象, 能够更好地做到以后在实际生活中的应用[6]。

2.4 课程中实现课程思政

现在一门优秀的课程不仅要培养学生良好的专业知识, 更要培养学生优良的品德素质, 而要达到这个培养目的需加强思政的引入, 实现仪器分析实验课的课程思政。 首先是向有丰富教学经验的老师学习, 改进完成由思政引领的《仪器分析实验》教学大纲的制定, 确定出各个实验的理论教学模式; 在学习通或QQ 群等平台发布问卷, 实时分析学生们反馈的意见, 查漏补缺, 改进教学方法[8]。 在讲解的过程中注意启发学生的思维, 培养学生的创新精神和爱国情怀。 以红外吸收光谱法为例, 我会让同学们反思为什么现在常用的傅里叶红外光谱仪可以取代以前单纯的红外分光光度计和光栅型红外光谱仪, 为什么傅里叶红外光谱仪有更高的分辨率、 更快的扫描速率和更高的波数准确度。 通过以上讲解发散学生的创新思维能力。 同时强调现在市场上常见的红外光谱仪都是由国外所生产, 中国在这方面的缺点是什么, 引发同学们的思考, 激发同学们的奋斗精神和爱国情怀。 要实现课程思政, 我们老师就要紧跟新时代教育的步伐, 努力接受新理论、 新思想, 把实现中华民族伟大复兴的中国梦的教育贯穿在课堂中[9]。

3 结 语

仪器分析实验是大学教育的一门基础实验课程, 它能够为学生在以后专业课的学习和科学研究工作打下坚实的基础。 所以我们老师在授课的时候也应该与时俱进, 做好 “教书与育人” 齐头并进, 利用好线上线下的教学资源, 采取更加丰富的教学手段, 利用创新教学模式来培养学生的上课兴趣以及做实验积极性, 有效地扩展实验内容的趣味性, 提升教学质量, 并且将 “课程思政” 与仪器分析实验知识相结合, 帮助学生树立科学的价值观和人生观, 将来学以致用, 报效祖国。