“仪器分析实验”教学中强化学生专业素质的培养

［摘 要］ 仪器分析实验已经成为现代实验化学的重要支柱，典型分析仪器的基本原理和实验技术已成为与化学相关的科技工作者所必须掌握的基础知识及技能，提高其教学效果对夯实学生的专业素质十分重要。然而，教学中存在学生预习流于形式，实验过程质量控制缺乏要求，仪器设备台套数较少和先进性不足，实验数据处理要求偏低，实验成绩评定不够科学合理等问题，这些严重制约了教学效果的提高。在火焰原子吸收分光光度法测定水中钙的实验中，以着力培养学生专业素质为切入点，从注重学生预习效果、细化实验过程质量控制要求、创新实验组织形式、提出高标准数据处理要求、创新考核方法等方面，对“仪器分析实验”教学进行有益的改革与探索，教学成效明显。

［关键词］ 仪器分析实验；专业素质培养；教学改革与实践

［基金项目］ 2022年度海南省教育厅高等学校教育教学改革研究项目“基于网络课程建设的‘仪器分析’‘混合式+翻转课堂’教学研究”（Hnjg2022-11）；2022年度海南大学教育教学改革研究项目“基于网络课程建设的‘仪器分析’‘混合式+翻转课堂’教学研究”（hdjy2213）；2021年度海南大学教育教学改革研究项目“基于‘互联网+’的仪器分析实验虚拟仿真平台的构建与实践”（hdjy2147）

［作者简介］ 罗盛旭（1964—），男，海南三亚人，工学博士，海南大学化学化工学院副院长，教授，博士生导师（通信作者），主要从事环境污染控制与先进材料研究；范春蕾（1979—），女，四川南充人，理学博士，海南大学化学化工学院副教授，主要从事大学分析化学与无机化学研究；刘 用（1994—），男，湖北广水人，理学博士，海南大学化学化工学院副教授，硕士生导师，主要从事生物医用材料研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）46-0177-04 ［收稿日期］ 2022-09-30

仪器分析是以测量物质的物理或物理化学性质为基础的分析方法，是“分析化学”课程的重要组成部分。随着科学技术的飞速进步，新的仪器分析方法不断涌现，拓宽了对物质进行分析检测的范围和层次，提升了分析检测的灵敏度和可靠性，在实际应用中发挥着越来越重要的作用。仪器分析在分析化学中所占的比例越来越大，仪器分析实验已经成为现代实验化学的重要支柱，典型分析仪器的基本原理和实验技术已成为化学及与化学相关的工作者所必须掌握的基础知识和基本技能。我校应用化学专业设置分析科学方向，主要面向化工、环保、检验检疫、海关、医药等生产和行政技术部门，培养从事专业检测的应用和研究的高级专门人才。因此，仪器分析及其实验课程是应用化学专业的核心课程。

仪器分析实验具有较强的理论性和实践性，涉及知识面宽，与化学、物理学、电子学和计算机应用等学科相关，提高“仪器分析实验”的教学效果，对学生的锻炼是综合性的，能够对学生专业素质的培养发挥关键作用。然而，笔者在从事“仪器分析实验”教学过程中，发现普遍存在教学效果不佳的问题，主要表现有：（1）学生预习流于形式，对仪器原理、分析方法、实验步骤、注意事项和数据处理等不甚了解；（2）实验要求不够全面，教材与实验内容匹配性较差，没有突出实验关键步骤的作用，对实验结果的精密度和准确度、实验过程质量缺乏明确要求；（3）仪器设备价格较高，使设备台套数较少，每组学生人数较多，实验中学生动手机会有限，形式近于演示实验，学生缺乏应有的锻炼，且实验仪器更新、维护不及时，一些高校仪器设备不够先进，学生在校学习期间使用型号相对较旧的仪器，不利于未来走上工作岗位快速适应更先进的仪器设备；（4）实验数据处理的要求不明确且要求偏低，学生缺乏数据处理的实践应用机会；（5）实验成绩的评定不够科学合理。基于以上的问题，笔者在火焰原子吸收分光光度法测定水中钙的实验教学中［1］，以着力培养学生专业素质为切入点，对实验教学进行了有益的改革与探索，取得了较明显的教学成效。

一、注重学生预习效果

实验前要求学生预习是通行的做法，其重要性已经得到广大教师的认同［2］。好的预习使学生在理解实验原理与方法、把握仪器构造和明确实验步骤等基础上，带着自己的想法去做实验，实验过程中充分发挥主观能动性，其实验效果必然事半功倍。然而，笔者在实验教学中发现，学生的预习多流于形式，出现所呈交的预习报告为摘抄实验教材中的内容应付教师检查的现象，对仪器原理、分析方法、实验步骤、注意事项和数据处理等不甚了解，很少有人有自己的理解、认识和方案。

针对这一问题，笔者借助火焰原子吸收分光光度法测定水中钙的实验，在课前通过QQ群共享教学资源，包括微课、教学视频等，让学生通过多种教学资源提前全面了解实验原理、方法、步骤、注意事项、数据处理、应用等，提高学生对该类分析方法的认知，熟悉仪器使用方法，便于在课上将更多的时间用于观察实验现象、分析结果。其中，微课作为“碎片化”的教学模式，可以抓住实验内容中的关键问题，精心设计教学，以图片和流程图向学生展示关键知识点和步骤，提高课程生动性，学生可以反复观看并熟悉相关内容。同时，在实验课中减少教师讲解内容，采用问题与讨论的形式检查学生预习效果，让学生在进行操作步骤前就对实验中的关键问题有较深入的理解和认识。具体做法：针对分组人数情况，设计若干问题，内容涉及实验测定原理、标准曲线法与标准加入法、精密度与准确度衡量、玻璃器皿洗涤与溶液配制、实验误差产生的主要途径与控制要求、仪器构造、燃气与助燃气供给、注意事项和实验数据的处理等多个方面，确保每名学生有1个以上的问题需要回答，并提前通知学生实验预习的检查形式，让学生有所准备；检测预习情况时，教师组织提问并依据学生的回答评分，同时围绕问题引导大家思考和讨论，教师再适当融入精讲，达到厘清问题、提高理解度并形成学生自己的见解的目的。实践表明，采用以上举措可使学生充分重视预习，夯实预习成效，尤其通过讨论提高了学生对实验内容的理解与认识，做到带着自己的想法进行实验的效果。

二、细化实验过程质量控制要求

高质量的“仪器分析实验”课中，学生应做到操作规范、控制好实验过程质量、达到实验结果的可靠性要求，有利于培养学生高水平的专业素质。为此，需要进一步突出实验关键步骤的作用，对实验过程质量、实验结果的可靠性提出具体要求。在火焰原子吸收分光光度法测定水中钙的实验中，笔者设计的实验内容包括钙标准贮备液、标准使用液和系列标准溶液的配制，水样的采取，标准曲线法和标准加入法，仪器的操作过程，回收实验和实验结果的评价等，力求涵盖样品处理、分析和数据处理过程的各个方面，同时针对这些方面提出关键问题，细化操作要求，提高实验过程的完成质量。例如，钙标准贮备液应该如何配制？为什么要配制“大浓度”？配制系列标准溶液时，为何还要配制标准使用液？并提出配制操作的规范性要求。水样的采取，为了达到取样的代表性要求，应该怎么做？理解仪器的构造原理和操作参数优化的影响，如何优化操作参数？标准曲线法和标准加入法各有何特点，适用范围有何不同？提出实现方法应用的关键步骤和具体要求。精密度和准确度如何衡量？为什么要做回收实验？如何提高实验结果的可靠性？细化具体要求。

实验过程中，以关键问题为引导，紧扣实验关键步骤和细节，细化实验过程质量控制要求，让学生在各种要求中感受仪器分析实验的关键环节，了解实验完成质量的重要性，自觉按照规范进行实验操作，在细化的要求中锤炼实验操作技术，在规范的氛围中感受实验的严谨性，培养学生扎实的专业素质。

三、创新实验组织形式，使学生获得有效锻炼

仪器分析实验所用设备往往价格较高，设备台套数较少［3］，而每小组学生人数较多，实验中学生动手的机会有限，形式几近于演示实验，学生缺乏应有的锻炼。对此，在火焰原子吸收分光光度法测定水中钙的实验中，尽管只有一台仪器，但笔者对实验组织形式进行了创新，使每名学生均获得了有效的锻炼。具体的做法：合理分组，使每组人数不超过8～9人，实验时对组内人员进行适当分工，并开展协同合作。对重复性的配制溶液操作，每名学生各领一种浓度的溶液进行配制，水样采集和配制也各自完成，上机测定时，参数的设置由师生共同讨论完成，轮到某个浓度或样品测定时，由相应负责的学生上机操作，亲自完成和测定自己配制的溶液，同时同组人员的所有数据又组成了某种测定方法（标准曲线法和标准加入法）的整套数据，在进行数据处理时可以共享。实验过程既有师生的讨论，个人的参与，又有合作环节。这种组织形式有效地解决了仪器台套数少，难于满足多名学生同时进行操作的问题，使学生能获得实际操作的感受和锻炼，同时又通过同组同学的合作，培养了团队协作精神。

与此同时，为了增加学生操作锻炼的机会，在实验教学中还探索了半开放实验室的教学模式，取得了较好的教学效果。即除了上课时间外，为充分发挥仪器的教学作用，各组学生还可以与实验室管理人员预约时间，在课外应用该仪器重复开展实验，或在教师的指导下应用该仪器开展相关的研究性实验，以提高对该仪器原理、构造及应用的认知程度。通过这些课外实验活动，可有效缓解仪器台套数不足的矛盾，使学生获得应有的锻炼。

实验仪器更新不及时，仪器设备先进性不足的问题，各高校均有存在。在实际教学中，笔者通过制作新型号设备及其应用的微视频，供学生观看，并对新型设备与实际操作设备的关键不同之处提出相关的思考题，让学生带着问题对照观看，总结新型仪器设备的先进性。通过组织这些教学活动，可有效克服仪器设备陈旧、不能及时更新的矛盾，有利于学生未来走上工作岗位快速适应更先进的仪器设备。

四、提出高标准的数据处理要求，让学生充分练习数据处理方法

作为高素质的专业人才，做好实验过程的质量控制，是获得可靠实验数据的关键，与此同时，还需要具备对实验数据进行高标准处理的能力，掌握科学的数据统计处理与评价方法。在火焰原子吸收分光光度法测定水中钙的实验中，笔者对学生提出了高标准的数据处理要求，包括可疑数据的处理，标准曲线的绘制、评价与应用，测定数据的精密度计算与评价，回收实验的回收率计算与评价，样品的测定结果表达等。首先，平行测定数据的离群值，要掌握可疑数据的处理方法，科学判断是否能舍去离群值，避免数据取舍的随意性。其次，标准曲线的绘制，线性相关系数要符合定量分析的要求，评价测量信号与含量之间线性关系的优劣。再次，精密度要达到高标准的教学要求，需要做3～5组样品的平行测定，确保有3组以上的样品测定数据符合可疑数据的统计处理标准而不被舍去，这样获得的精密度数据方能达到合格的要求。再次，由于样品的待测定值通常是未知的，而且往往缺乏标准参考物质，通常要求学生设计回收实验来测定回收率，以评价测量数据的准确度，实验教学中，需要给学生提出明确的要求，要达到合格的回收率才算完成实验。最后，样品的测定结果的表达必须符合规范性的要求，测定结果表达严谨且正确。

实验教学中提出高标准的数据处理要求，通过让学生充分练习数据处理方法，全面掌握科学的数据处理和评价方法，对于学生将来走上工作岗位，适应分析测试工作的要求十分关键。因此，在“仪器分析实验”教学中，有必要对学生强调高标准的数据处理要求，以培养学生科学全面的数据处理与评价能力，夯实其专业素质。

五、创新考核方法

实验课考核是实验教学中的重要环节，对提高实验课质量发挥纲举目张的指导作用。如何全面、合理地评价学生的实验成绩，直接影响学生的学习积极性，对学生的学习方法和态度也有重要的导向作用。以往“仪器分析实验”课程教学中，常采用“平时实验+实验报告”的考核方法，“平时实验”大多根据考勤及平时实验表现进行评分，没有形成固定的考核标准，而“实验报告”并非现场完成，其好坏难以准确判定学生实验的完成质量。因此，以往实验考核方法不够科学合理，无法准确反映学生的实际实验效果。对此，笔者对考核方法进行了创新，采取“考勤（占7.5%）+预习报告（占7.5%）+平时实验（占30%）+实验报告（占40%）+笔试考核（占15%）”的考核方法，增加了考核模块，使“仪器分析实验”课程考核的采分点更全面，能够反映学生实验的实际完成质量。对“平时实验”的判分增加了临场考核环节。在火焰原子吸收分光光度法测定水中钙的实验中，笔者设计了多个临场给分环节，以做实“平时实验”的考核。具体的环节，包括检查学生预习效果的回答问题环节、配制溶液的操作环节、控制误差环节、仪器测定环节等，使“平时实验”判分，能够较准确地反映学生的临场实验质量，从而引导学生养成规范操作、控制好实验过程质量和获取可靠实验结果的专业素质。笔试考核主要对学生的实验室安全、数据处理和仪器分析方法原理、仪器构造、分析方法的应用等相关知识进行笔试考核。通过实验考核方法的创新，有效引导学生，除了撰写好预习报告、实验报告外，还要注重预习效果，重视实验过程的完成质量，重视实验室安全，并做到理论与实验相互结合，融会贯通，以达到提高实验课程整体质量和效果的作用。