原创《环境科学专业现代仪器分析课程的应用性课程改革》
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传统仪器分析是分析化学学科的重要分支,它主要利用比较特殊或复杂的仪器设备,通过测量物质某些物理或物理化学性质的参数及其变化（如磁学、电学和光学性质等）来获取物质的化学组成、组分含量以及化学结构等信息.随着科学技术的不断发展,尤其是生命科学、材料学、空间科学取得了突破性进步,逐渐形成了综合化学、物理学、生命科学、地学等学科的现代仪器分析.对于环境学科来说现代仪器分析是一门重要的专业基础课,其内容在环境监测、环境工程、环境化学、环境管理学、环境经济学等课程中都有涉及,同时具有这方面知识对于学生毕业从事环境监测、环境工程工作及环境科学研究均具有重要的指导意义.作为一门实用性很强的课程,现代仪器分析是各种理论知识与应用技术的连接桥梁.在教学中如能将更多的实际应用案例加入到教学实践中,必将极大的提升课程教学质量.笔者长期从事大型仪器管理的一线工作,熟识各类仪器设备的原理、应用、维护等知识,在承担的现代仪器分析课程中开展了应用型教学的探索和改革.一、传统仪器分析课程教学中存在的不足现代仪器分析课程主要任务是学习有关先进仪器的基本原理、掌握仪器操作技能及熟识其在相关领域中的应用.现代仪器分析课程可以为环境科学专业学生今后的学习与工作打下坚实的基础,是环境科学专业中一门重要的专业基础课.目前,在实际的教学过程中,传统现代仪器分析课程存在着许多不足.1.教学仪器台套数少,学生自主操作机会不多.仪器分析主要讲述的是大型分析仪器的原理及使用,以往由于设备种类较多、单价较贵,教学中无法提供所有的大型仪器设备,如气质联用仪、激光共聚焦显微镜、电感耦合等离子体-质谱联用、流式细胞仪等仪器的总价已超过了1000万.课程常以理论教学为主,学生不能自主操作仪器设备,而仪器的操作主要以演示的方式进行,这就造成了学生缺乏学习积极性,有些基础知识差的学生甚至无法理解老师讲述的原理内容,失去了学习的兴趣.这是传统仪器分析课程面临的主要问题之一.
2.课程内容较多且零散.传统的仪器分析课程主要包含了分析化学的光谱、色谱、质谱等三大谱以及电化学的内容.随着科技的进步,生态学、生物学以及地学等学科的研究手段在环境科学领域得到了广泛的应用,这就要求我们在环境科学仪器分析课程中加入相关内容.如此多种原理及应用各不相同的仪器设备放在一个课程中讲述,课程的学习难度非常的大,如不能将知识点有机的结合在一起,教学的效果很难保障.
3.理论教学与实际应用结合不紧.传统仪器分析教学中由于教材以及实验条件的限制,仪器的操作实验多以验证实验为主,学生只需按部就班的完成实验,很难认识到课程学习的重要性与实用性,难以提高学生学习的积极性.这就让学生忽视了课程在今后学习、工作、生活中的重大作用,课程也失去了本该具有的吸引力.
4.缺乏激励学生自主学习和独立思考的环节.对学生自主学习和独立思考能力的培养一直是大学教育的要点与难点,传统仪器分析课程的教学内容较多较散,学生在内容掌握方面有很大差异性,教学中很难加入自学的部分.为了提高学生在课程中自主学生与独立思考的能力,必须更好的调动学生发现问题的积极性、增强其解决问题的能力.
5.教学内容陈旧.各种分析类仪器多凝聚了各门类学科最尖端的核心技术,仪器本身也在快速的进步,如几年前在环境微生物检测方面广泛应用的DGGE（梯度凝聚电泳）,在近几年就以基本被高通量测序与宏基因组文库技术取代,失去了应用的价值.教师如不能快速主动的更新自己的知识结构,将导致教学内容陈旧,影响教学效果.
二、环境学科现代仪器分析课程应用型课程改革的探索1.在教学中应用虚拟仿真技术.虚拟仿真技术主要利用仿真软件将外形仿真、操作仿真和视觉感受仿真相结合,使用虚拟仿真模型作为参与者的操控平台,利用虚拟显示技术,通过仿真操作,使参与者有身临其境的切身体会.在仪器分析课程中,学生通过仿真实验几乎可以达到真正做实验的效果,或者在学生真正上仪器做实验之前,提供一个模拟平台,减少仪器的损坏率,更好的保护仪器.笔者课程组在北京欧贝尔公司开发的虚拟仿真软件的基础上,结合仪器分析课程特点,开发了一套针对性的虚拟仿真学习平台.此平台包含了气相色谱、液相色谱、原子吸收光谱、红外光谱等分析仪器的模块,每个模块不仅包含了仪器设备的全仿真操作界面,还有相关实验完整的操作及前处理过程.平台还包含了考核和自学板块,学生可以通过自学并接受考核获得独立操作设备的资质,在仪器闲时完成更多的上机实习.
2.建立专题授课体系.环境科学关注的是水、土、气、生等研究对象性质的分析测试,笔者课程组将仪器分析课程所需介绍的仪器按功能分为：环境样品理化性质分析、金属元素分析、有机污染物分析、微尺度观测与研究、分子生物学分析、地理信息及应用等6个专题.每个专题均包含了若干相互联系或互成系统的仪器设备,学生在学习此专题时不仅掌握了这几种设备的原理和使用方法及注意事项,还系统的学习了各类环境样品中金属分析的全过程.将单纯的理论学习转化为全过程的系统学习,理论知识与实际操作能力的教学效果均得到大幅提升.3.结合社会热点建立更有吸引力的实验库.在专题授课的基础上,结合最新的各类社会热点事件,发掘可以开展的相关实验建立实验库.如在讲述有机污染物分析专题时,结合近年来出现的在果汁饮料中添加邻苯二甲酸酯作为稳定剂的事件,设计了利用气质联用仪测定饮料中增塑剂的实验.授课过程中在讲述气质联用仪的原理及操作步骤的同时,介绍了增塑剂的危害以及近期一系列食品安全问题的前因后果.随着这些热点问题的代入,极大地活跃了课堂教学氛围,同时也加深了学生对仪器分析课程应用性的认识.课程组共建立了6个专题相关的18个课程实验,并在每年教学过程中不断更新,保证了课程教学的时效性.
4.协助学生寻找并设立自主实验课题.由于虚拟仿真技术的引入以及相关平台的开放,学生可以通过自学的方式完成大量的理论知识的学习.在课程教学中引入专题讨论与案例分析,学生发现问题的能力得到了一定的提升.在课程后期可以鼓励学生自己去寻找一些感兴趣的问题设计课题,老师可以在课题意义、实验设计、前沿进展等方面给学生提出建议.如有学生就从近期限制性使用抗生素的事件出发,设计了测定医院、养殖场附近土壤中抗生素的含量的课题,并参照相关科研论文制定了实验方案及方法.在完成了课题提出、设计、完成等一系列工作后,学生不仅更系统的学好了相关课程内容,更锻炼了发现和解决问题的能力,为以后的学习、工作打下良好基础.5.教师积极学习并提高自身能力.更好的课题教学氛围与学生更多的互动过程,不断促使教师提高自身的业务水平.参加相关学术会议、培训课程均是最直接的掌握仪器分析最新动态手段,同时必要的在职学历教育也可使教师得到更宽的发展前景,主持和参与相关科研项目的研究工作也能使教师及时掌握行业最新的分析对象及手段.
三、结语现代仪器分析课程是环境科学专业非常重要的专业课程,它涉及的学科非常广泛,内容抽象、繁杂、难于理解和掌握.通过课程的学习不仅需要学生学习各类仪器的原理及应用,还需掌握其性能、操作规程等.通过应用性课程改革实践,结合了虚拟仿真技术、专题式课程设计,通过将大量应用型实验加入课程教学中,学生的学习热情及效果得到了大幅提升.当然好的课程改革是一项长期的系统工程,有了教师与学生共同进步,教学质量必将得到进一步的提高.
仪器分析论文参考资料：
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