研究生仪器分析实验课程教学实践与探索_姚青倩.pdf

研究生教育研究生仪器分析实验课程教学实践与探索姚青倩 卢媛（南开大学环境科学与工程学院天津 ）摘要为了解决仪器分析实验选课困难的问题，南开大学环境学院自主开设了研究生仪器分析实验课程。立足于环境学科专业特色，结合学院大型仪器平台日常测试工作中遇到的问题，定制了研究生仪器分析实验教学体系，并融入了创新式教学方法，旨在培养本学院研究生的实践动手能力和应用创新能力，为之后的专业科研工作打下基础。多年的教学实践表明，由学院开设的研究生仪器分析实验课程不仅有利于提升本学院师生的专业技术水平，更加推动了学科的整体发展。关键词仪器分析环境学研究生实验教学 ：仪器分析实验课程的目的是使学生在理论学习的基础上，通过动手实践熟悉精密仪器的操作流程，培养学生的实践和创新能力。随着高校教学改革的不断深入，近年来，全国各大高校仪器分析实验课程也加入了不同程度的教学模式创新，如采用“互联网”线上线下混合授课模式、引导学生自主设计实验、开设双语教学等。相比于本科生，研究生需要更多地从事科研工作，更加离不开仪器测试分析方面的应用。年教育部发布了 关于深入推进世界一流大学和一流学科建设的若干意见，文件强调要引导高校在不同领域和方向争创一流，培育学科增长点，而开展专业特色的实验教学课程 是推 动一流 学科 建 设 必 不 可 少 的一环。课程开设背景南开大学仪器分析实验课程一直由南开大学化学学院中心实验室开设，面向全校一年级硕士研究生，课程内容涵盖化学、物理、生物、医学等多学科。年由于学校整体规划，部分学院搬迁到了津南新校区，学校虽增加了跨校区选课功能，但由于两校区距离远，往返至少以上，跨校选课增加了很大的时间成本，导致学院很多学生放弃选修该门课程。为落实南开大学以学生为中心的发展理念，年南开大学环境科学与工程学院自行开设了仪器分析实验课程，以学院大型仪器平台为依托，平台仪器管理人员担任主讲教师，面向环境学院一、二年级的研究生开设，实验仪器包含质谱、色谱、光谱、显微镜等。仪器分析实验课程优势 以学生为中心高校每年都会花费大笔经费采购大型精密仪器用于科研实验，同一学校内可能存在多台种类相同，但型号、功能不同的大型仪器。学生在进行大型仪器预约时往往只知道需要使用哪种仪器，而忽略了具体功能是否适用。以原子力显微镜为例，从类型上划分有生物型、材料型原子力显微镜，除了常规形貌扫描外还另外具备电学、力学等多种分析功能。由于缺乏相应的背景知识，学生经常在预约实验后才发现仪器类型不适合或不具备需要的功能，因此有针对性地开展大型仪器实验教学是十分必要的。由学院开设仪器分析实验课可以让本学院学生详细了解学院内现有仪器种类、功能、主要测试样品等情况，有助于提前规划测试实验。在本学院开设实验课程，也可以节省学生的通勤成本，把更多的时间用在科研上。此外，由于学院研究生数量较少，方便开设小班教学，保证每个学生都有充足的上机操作时间。促进实验教师自我提升学院实验技术人员不再单单只是仪器管理者，也有了从事实验教学的机会，这有利于实验技术人化学教育（中英文）（：）年第 卷第 期南开大学教育教学改革项目（）通信联系人，：员的全方位发展。在课程设计和准备过程中也可以实现对大型仪器的二次学习，增加自身的知识储备。在教学过程中实验人员也可以结合自身优势，尝试融入新模式、新方法，总结经验，产出教学成果，提高职称晋升的机会。推动学科整体建设由学院自行开设的仪器分析实验面向本专业的研究生，因此设计的实验内容以学科专业为主，可以推动本学科仪器分析教学的发展。实验教师在教学过程中会将本学院利用大型仪器发表的一些文章推荐给学生学习，让学生提前了解大型精密仪器在环境学科的应用，为之后的科研做铺垫。授课期间通过和本学院研究生交流也可以进一步了解学生的需求，合理调整学院内部仪器开放流程。提升实验室安全实验课程会将实验室安全作为授课内容之一，加强学生的实验安全意识。如为学生科普液氮操作的注意事项并现场演示如何正确为透射电子显微镜添加液氮等，避免因操作不当造成的人身伤害。也会对仪器的操作规范予以强调，如质谱实验室空调温度过高会影响仪器正常运行、电感耦合等离子质谱仪待测样品浓度过高会造成仪器污染等，避免因操作不当造成的财产损失。仪器分析实验课程教学体系构建在本学院仪器分析实验课程开设前，平台仪器管理人员详细调研了本校化学学院和全国其他高校仪器分析实验课程教学方式。除了吸纳前人优秀的实践经验外，也希望重点结合学科专业课程特色进行课程设计。环境学院仪器分析实验研究生课程开设的目的是为了让环境学科研究生对本学院大型仪器平台现有大型仪器形成系统性认知，包括放置地点、型号种类、具备功能、能够分析的样品种类以及如何对样品进行前处理或制备等。通过对仪器原理的了解，能够熟练掌握仪器测试流程，在保障人身和财产安全下进行独立上机操作，并且可以对获得的数据进行处理分析。最终目的是希望本院研究生能通过仪器分析实验课程实践，开拓思维，与之后的科研工作相结合，推动环境学科整体发展。在确定了仪器分析实验课程开设目的后，仪器平台实验人员针对不同大型仪器定制了实验教学内容，结合“互联网”的教学模式，通过多年教学 实践 不断调 整升 级 教 学 方 式 和 内容，制定了环境专业特色研究生仪器分析实验课程教学体系，见图。图环境专业研究生仪器分析实验课程教学体系 课前准备选取环境学院大型仪器平台内 台日常使用率高的大型精密仪器作为开课仪器。实验内容以环境学科为主，包含水环境、土壤环境、大气环境等。选用的实验材料来自学院日常分析测试所用样品，如可降解有机物、石墨烯、生物质等。年，本院大型仪器平台实验技术人员和“智慧树”在线教育合作自主拍摄了仪器操作教学视频若干，见图，由实验教师自己编写拍摄脚本，包含样品制备、方法编辑、仪器操作和数据分析等，拍摄好的教学视频由任课教师通过云平台分享给选课学生用做课前预习。除了在线教学视频，主讲教师也会把教学讲义、随堂习题、课堂 等提前上传到“雨课堂”小程序上用作学生课前预习、课堂检测和课后复习。此外，为了提高研究生的专业英文水平，在教学课件中对某些专业仪器分析词汇额外加入了英文注释。课堂教学比起本科实验教学，研究生仪器分析实验教学以大型仪器在本专业的实际应用为教学重点，由浅入深地引导学生了解：为何选用该仪器进行测试仪器测试前的准备工作如何使用该仪器进行测试。以原子力显微镜为例，研究生仪器分析实验教学重点如图所示。分组教学，区分重点学院共开设 个仪器分析实验，因学院研究生人数只有几十人，教学时间比较充裕，为了让每 年第 卷第 期化学教育（中英文）（：）图自主设计制作的大型仪器教学视频 图原子力显微镜仪器分析实验教学重点个学生都有充足的操作体验，课程采取小班教学方式，每个研究生可以选择和自己科研方向最相关的个实验，每组学生不超过人，每课程个学时。在仪器操作教学前，实验教师会提前了解本组研究生的科研方向，由于均来自环境学院，每组学生大多为同一研究方向，因此可以区分教学重点。以原子力显微镜为例，原子力显微镜日常测试主要以环境材料样品为主，环境微生物和大气环境研究方向的课题组使用较少。若本组学生研究方向为环境材料方向，日常仪器使用需求较多，则会增加参数调节和探针更换等高级应用培训；若本组学生所在课题组日常仪器使用需求较少，则会把教学重点放在常规形貌测试操作上，重点让学生掌握测试流程，不做其他深入讲解。针对不同科研方向的研究生定制不同的实验教学内容，可以满足不同层次学生的仪器使用需求，提高学生的学习兴趣和效率。共性到特性，系统教学在理论教学阶段，除了现场讲解本台仪器的结构、原理外，实验教师也会扩展教学内容，引导学生将已学过的知识和课堂知识融会贯通。如向学生提问同样是对样品形貌进行分析的显微镜，光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜之间的区别与联系是什么？如何选用适合的显微镜进行样品测试？在让学生自己思考回答后，实验教师会从仪器分辨率、成像方式、样品类型、工作环境等方面入手，对比不同显微镜的优缺点，具体如表所示，让学生知道如何选择正确的仪器以获得自己想要的测试结果。同理也适用于光谱仪、波谱仪和质谱仪的教学，如对比气相质谱和液相质谱的进样方式、不同谱图数据之间的横纵坐标区别等，举一反三，从共性到特性的学习过程既可以让学生通过仪器之间的联系系统地学习大型精密仪器，又可以让其通过大型仪器间的区别掌握每台仪器独特的分析功能。化学教育（中英文）（：）年第 卷第 期表不同显微镜之间的对比 光学显微镜扫描电子显微镜透射电子显微镜原子力显微镜分辨率 样品制备简单适中需要技巧简单样品类型活体或者非活体非活体非活体活体或者非活体测试环境大气、液体、真空真空真空大气、液体、真空视野大足够大有限适中功能性简单适中适中高级测试速度快适中慢慢技能要求低适中高级高级数据解释简单适中适中复杂 生动形象，结合案例在详细介绍每台仪器的功能、适合分析的样品种类后，实验教师会结合日常测试中遇到的问题进行举例教学。如在需要进行多种仪器分析测试前，尽可能事先确定样品测试顺序，先做无损测试，再做其他测试，如大部分扫描电子显微镜的样品需要进行喷金处理，会对样品造成损伤，因此最好放在其他表征之后测试；在进行 射线粉末衍射分析前，最好先通过电子能谱仪获得样品元素组成，以便进行随后的物相分析等。由点及面，扩展教学除仪器教学外，实验教师还会结合经验提供一些仪器分析中的小知识，方便学生未来的科研工作。如学院内仪器没有配备的某些特殊功能，哪些单位或机构可以提供该项服务；样品前处理或制备中所需的耗材试剂最好选用何种级别，如何购买等。帮助学生提前对自己的实验进行规划。课后评分课后评分由客观评价和主观评价组成。客观评价考查的是学生课堂听课效果和主动学习能力。客观 评 价 由 随 堂 测 试（）、实 验 理 论 总 结（）、课后习题（）和数据处理（）组成，随堂测试和数据处理均来自课堂讲解，可以从中掌握本组学生课堂听课效果，而理论知识总结和课后习题需要结合课堂知识进行课外资料查询，是对学生自主学习能力的评估。对研究生而言，除了从课堂中吸收知识以外，能否主动学习扩展知识储备、能否以严谨的态度对待数据结果往往更加重要。客观评价通过考查学生是否有浏览过课前分享的学习资料以及对实验数据的分析能力，可以对研究生综合素质做出更好的评价。主观评价考查的是学生动手实践能力和整体科研素养。包括上机操作表现（）和科研态度（）。上机操作时能否按照课堂演示步骤独立完成测试以及对仪器操作中细节的处理将作为动手实践能力的评分原则。科研态度是研究生开展科研工作的重中之重，包括分析能力、创新能力和沟通能力等。在实验过程中的小组配合情况、解决问题的方式以及创新观点的提出都将作为科研态度的评分标准。仪器分析实验教学效果经过多年的实验教学实践，仪器分析实验课获得了院内师生的一致好评。从最开始只作为环境科学专业课程开放，到成为全学院所有专业研究生的必修课程，选课人数从 人增加到现如今的 人，无一不说明课程的受欢迎程度。而教学效果也体现在了方方面面：（）在课堂表现方面，如已轮转过显微镜类仪器实验的小组会比还未轮转过的小组学生能够在不同显微镜对比的课堂问答上做出更好的回答；（）在日常仪器预约使用中，经过多年来仪器分析实验教学的开展，本学院研究生约错仪器、仪器操作失误、样品制备不正确等情况都大大减少，并且选修过实验课的学生可以在首次使用仪器前快速通过仪器培训考试，这为日常大型仪器平台管理提供了更多的便捷，也为学院实验室的开放化管理提供了更多可能；（）在学院仪器管理实验技术人员个人提升方面，实验教师在几年的实践教学中产出了众多教学成果，与实验教学相关的文章、项目、奖项都大有增加，如积极参与到教育部的产学合作协同育人项目中，通过总结教学经验与企业合作开发仪器虚拟仿真教学系统或参与到学校自制仪器项目中，通过自行研制小型仪器设备提升教学质量等，都进一步推动了学科专业的发展。年第 卷第 期化学教育（中英文）（：）结语立足于学科建设的仪器分析实验课程与传统课程相比更加关注本学科研究生的专业科研技能培养，通过结合日常仪器管理使用中的常见问题，重点培养本学科研究生在专业领域开展仪器分析测试的应用能力和解决科研测试中遇到问题的能力，为今后的科研工作打下基础。通过打造学科特色实验教学课程，不仅可以健全研究生教育体系，更能提高本专业学生的整体科学素养，为国家经济社会发展提供坚实的人才支撑和智力支持。参考文献李俊波，白慧云，张鑫鑫，等化学教育（中英文），（）：向东山，翟琨，杨勍，等高分子通报，（）：王京，张翠，郭东升，等化学教育（中英文），（）：郭明，楼丹，吴荣辉，等化学教育（中英文），（）：李芳，吴祥，李 冰，等化 学 教 育（中 英 文），（）：种瑞峰，常志显，冯彩霞，等实验科学与技术，（）：耿萍，徐志爱实验室研究与探索，（）：柴晓 兰，丛 培 盛，朱 仲 良实 验 技 术 与 管 理，（）：郭明，夏琪涵，周建钟，等化学教育（中英文），（）：王荷 芳，孔 明 德，唐 安 娜，等化 学 教 育（中 英 文），（）：赵晓丽，刘晓航，王笛，等实验室研究与探索，（）：付颖，张永忠，高爽，等实验室研究与探索，（）：，（，），；化学教育（中英文）（：）年第 卷第 期