基于问题学习方式的仪器分析实验教学改革

谢 微， 汤 泉， 陈秋娟， 苏辉兰， 罗杨合

(贺州学院 a.食品科学与工程技术研究院 b.化学与生物工程学院，广西 贺州 542899)

基于问题学习方式的仪器分析实验教学改革

谢 微a， 汤 泉b， 陈秋娟b， 苏辉兰b， 罗杨合a

(贺州学院 a.食品科学与工程技术研究院 b.化学与生物工程学院，广西 贺州 542899)

针对不同层次的学生，通过强化综合性实验和开放性实验设计，精选仪器分析实验内容，结合“基于问题的学习”方式的仪器分析实验教学方法的改革，提出实验室课堂教学与科研项目相结合的教学改革模式，以大型精密仪器设备为依托，以开放性实验项目为载体，让学生通过合作来解决真正的问题，提高解决问题的技能和自主学习的能力，目的是培养多元化发展、技能灵敏化、适应社会发展的应用型人才。通过仪器分析实验教学改革，学生自主性强，创造空间大，仪器操作能力、分析能力得到增强，科研能力得到提高。

PBL模式； 仪器分析实验教学； 改革

0 引 言

《全国食品药品监管中长期人才发展规划(2011-2020年)》〔2012〕104号指出：建立科研基金，扶持中青年研究人才，培养一批研究型检验检测人才。食品安全检验检测是食品生产经营和食品执法监管的重要技术支撑，在准确识别判断食品质量、有效防范食品安全风险方面具有十分重要的作用。在培养检验检测人才的规划中，仪器分析实验是一门重要的基础课程，具有一定的完整性和独立性；也是一门与仪器分析理论课相辅相成的实验课程；更是解决生命、化学及相关学科许多科研问题的重要手段[1]。它既是理论课的延续和提高，同时也是培养学生动手能力，理论联系实际的过程。面对培养应用型人才改革的目标要求，仪器分析实验课程教学应将从过去单纯的专业知识学习和简单技能训练的培养方式向理论与实践的结合；从单纯的知识传授向创新能力的培养转变。因此，在这种大历史背景的驱动下，仪器分析实验教学方式的改革势在必行。

基于问题的学习(Problem-Based Learning，PBL)[2-3]，是让学生围绕着如何解决一些结构不良的、真实的问题而进行的一种有针对性、实践性的学习。它倡导学习要以问题为起点，在教师的指导下，通过小组合作和学生的自主探究，以达到解决问题的目的。

近年来，国家对高等院校给予雄厚的资金支持，相续购置了一批大型精密仪器，建立了学院仪器平台，旨在推动实验教学，培养学生的创新能力，以促进学院的教学、科研水平有跨越式的发展。学院开设仪器分析实验这门课，是为了适应当代社会对应用型人才的需求，使学生熟练掌握各种大型仪器操作的基本技能。作者通过综合实验设计、精选仪器分析实验内容，结合“基于问题的学习”的方法和手段组织安排仪器分析实验，改革实验教学和实验考核的形式，以大型精密仪器设备为依托，以开放性实验项目为载体，物尽其用，更能培养多元化发展、技能灵敏化、适应社会发展的应用型人才。

1 综合性实验和开放性实验特点

综合性实验是一种研究性、探究性实验，学生根据给定的实验要求，查阅文献，正确选择实验方法及实验仪器，合理安排实验步骤，独立操作完成实验的全过程[4-5]。综合实验所需知识多，是将多种基础知识和基本实验技能有机地结合，具有设计技术高、实验难度大、数据处理较复杂等特点，是有一定的创新分量的综合灵活应用实验。

开放性实验是由学生根据自己的兴趣亲自选定实验课题、选择仪器设备、制定实验步骤、完成实验操作、分析实验数据、得出实验结论。在这期间要求培养学生主动性与创造性的实践能力，形成自主式、合作式和研究式的学习方式。其次，开放性实验既综合单一学科的知识和技术，又融进相关学科的内容，具有较强的实践性和应用性，而且一般也都具有超前性。

2 合理实验选题，逐步建立仪器分析课程体系

2.1 实验选题原则

合理的实验选题遵循实验难度适宜，顾及3大基本分析方法——光谱法、色谱法和电化学方法的原则，依据探索未知、寻求真理的目的，经历“理论——实验——实践”的过程，具有综合性、实用性、趣味性和可扩展性等现实意义。

2.2 实验选题来源

在选题的设计和选择上既要体现综合性、能够培养学生创新意识和实践能力、提高学生的综合素质，也要切合学生的学术水平，考虑到仪器分析实验的课时安排、实验的延续性和难度控制等实际问题，让学生在探索问题时，有意识地结合文献给予的启发与前期研究中的新发现，结合文献报道中存在的矛盾与争议，挖掘实验的真谛，探索实验的奥秘。

2.3 实验选题实例

实例1 原子荧光光谱法测定食品中硒含量实验。该实验依托原子荧光光谱仪的技术优势结合当地特色的食品而开出的实验实现了教学与科研实践“无缝对接”。完成实验，能够掌握原子荧光光谱法测定的基本原理，建立荧光光谱测定食品中硒的方法，图1中以“微波消解-原子荧光光谱测定稻谷中硒含量”[6]为例子具体说明。整个实验，学生首先要理解实验和仪器的工作原理。然后结合不同的样品，考虑试剂、温度、压力等选择，做好前处理，可有不同的设计方案。

图1 “微波消解-原子荧光光谱测定稻谷中硒含量”实验设计框架

实例2 高效液相色谱法测定果冻中的合成色素[7-10]实验以定量分析为核心，采用高效液相色谱法进行分析。学生通过查阅文献了解人工合成色素的种类，理解高效液相色谱法的基本原理，掌握仪器的基本操作。具体实验方案见图2。

图2 “高效液相色谱法测定果冻中的合成色素”实验设计框架

学生需要考虑果冻中色素的提取方法；制定样品的前处理方法；归纳实验所需器材和试剂；需配制一定浓度的色素标准溶液；利用色素标准品优化流动相的梯度、流速、波长等测定条件及pH、盐度、温度等溶液条件以及根据研究对象选取合适的测定条件和溶剂条件。

实例3 电化学方法测定环境中有机污染物[11-13]实验以电化学分析法为核心，具体实验方案见图3。学生在调研文献的基础上制定样品前处理方案、熟悉实验方案，注意实验条件中电极的选择，设计频率、扫描电位范围、扫描圈数等仪器参数设置；重点研究pH、扫速、离子强度等电解液的溶液条件的影响。

图3 “电化学方法测定环境中有机污染物”实验设计框架

3 构建PBL学习和考核方法

根据综合实验的设计，按照“全体覆盖、突出重点、分类实施”的原则，针对学生的多层次性，学生根据自己的学习实际，几个同学组合，共同完成综合实验，考核方式为：实验试题70%+教师评价20%+学生自评5%+学生互评5%。

“基于问题的学习”是以问题解决和多种学习途径为中心，激发和支持学习者的高水平思维的教学模式[13]。学生在整个过程中扮演的角色是对问题积极思考的学习者，是解决问题的行动者和实践者，在分析实验过程中，不断的分析问题，解决问题。教师具有双重角色，是学生的同伴，与学生一起寻找解决问题的方法，又要实时给学生指导，对学生的学习效果进行评估。

3.1 多种设计方案，思维发散

实验方案的设计是分析实验需求和问题的基础上，进一步确定解决实验问题的步骤和方案，它是解决实验问题的关键，它以实验最优化效果为目的，不同层次的学生设计实验方案有所不同。在教师的指导下，确定了研究方向，分头查阅文献，收集材料，共享所获信息，共同讨论，设计具体实验步骤；进行实验；分析、整理数据。通过实验项目的完成，将仪器分析课分解到实际的活动中，整个过程有分工有合作，使学生们相互商讨、沟通，有助于培养他们主动帮助别人和寻求别人帮助，获取与人合作共同谈论、研究问题的体验。实验过程是动态呈现的、思维是发散的。

3.2 实验考核，以技能考核为中心

实验不仅强调实验数据和结果，也需要对实验基本操作进行考核。一般而言实验考核的内容主要包括实验素养、书写实验报告水平、实验动手能力、综合分析和解决问题的能力以及实验理论知识考核等5个方面[14-15]。其中，以技能考核为中心，重点关注实验操作规范与否，实验注意事项是否明确，实验设备的选择与使用是否正确规范，实验中遇到问题是否能尽快分析和解决。学生在实验过程中，若是能够提出建设性、创新性的见解，实验考核给予适当加分。例如：液相色谱实验中遇到管路有气泡该如何排除、食品中重金属检测，如何排除其他离子的干扰、如何保证平行实验条件的一致性以求可信的实验结果等。

3.3 引入开放性实验项目，拓展学生技能

拓展学生技能，以科研项目为基础，开放精密仪器室，拓宽进入渠道，通过大学生实验室助理的方式、教师助理的方式，大型精密仪器为媒介，逐步在开放实验室中引入大型仪器，既可以提高学生综合实践能力和科研创新能力，又提高了大型精密仪器使用率，具有双重效果[16-17]。部分引进大型精密仪器的开放性实验项目见表1。

表1 部分引进大型精密仪器的开放性实验项目

4 改革成效

化学教育、应用化学、食品科学与工程、食品质量与安全专业的学生通过仪器分析实验课程改革实践，动手能力大幅提高，科研能力增强。每年可获得校级大学生科研项目5项，广西区大学生创新创业训练项目10项，国家级大学生创新创业训练项目2项，参加广西化学化工类论文竞赛获奖人数在10人次以上；部分已就业的大学生，由于具备熟练的仪器操作使用和分析能力，屡屡获得用人单位的好评。

5 结 语

精选仪器分析实验内容，结合“基于问题的学习”的方法和手段组织安排仪器分析实验，改革实验教学和实验考核的形式，以大型精密仪器设备为依托，以开放性实验项目为载体，是基于应用型人才培养的仪器分析实验教学改革的一个重要突破与创新，是有利于学生多元化发展及技能灵敏化的方式，是由单一的知识教育转变为能力教育的有效途径。实践证明，仪器实验教学改革后，学生自主性强，创造空间大，能够增强学生自信，激发学生的潜能，达到“以人为本，因材施教”的目的。

[1] 蔡向忠, 王秀红, 李银生. 改革仪器分析实验教学培养学生创新能力[J]. 实验室研究与探索, 2014(11): 168-171.

[2] 吴殿朝. PBL教学与建构主义教育理论探析[J]. 河南商业高等专科学校学报, 2011(2): 95-97.

[3] 吴 刚. 基于问题式学习模式(PBL)的述评[J]. 陕西教育(高教版), 2012(4): 3-7.

[4] 黄品梅, 黄道平, 梁 锦. 开发综合设计性实验促进创新人才之培养[J]. 实验室研究与探索, 2010(6): 93-95.

[5] 朱志彪, 高山. 设置综合设计性实验提高学生综合素质[J]. 实验室研究与探索, 2010(7): 238-240.

[6] 袁 建, 蒋旭玲, 石嘉怿, 等. 微波消解—原子荧光分光光度法测定稻米中硒含量[J]. 粮食与油脂, 2012(12): 27-30.

[7] 陈 艳, 刘思洁, 李 皓. 高效液相色谱法测定果冻中的合成色素[J]. 食品科学, 2007(9): 487-490.

[8] 王淑惠, 刘印平, 胡 平, 等. 高效液相色谱法同时测定糖果中的6种合成色素[J]. 应用化工, 2013(9): 1723-1725,1728.

[9] 钱 聪. 高效液相色谱法同时测定果冻中9种添加剂[J]. 食品研究与开发, 2014(21): 109-111.

[10] 吴晓红, 蒋彩云, 胡文彦, 等. 高效液相色谱法测定配制酒中6种人工合成色素[J]. 酿酒科技, 2014(5): 102-104.

[11] 孟 宁. 电化学方法测定环境水体中的有机污染物[D]. 呼和浩特:内蒙古大学, 2004.

[12] 陈 波. 新型样品前处理技术在环境有机污染物分析检测中的应用研究[D]. 重庆:西南大学, 2012.

[13] 蔡小琼. “基于问题的学习”在电化学教学中的应用研究[D]. 福州:福建师范大学, 2013.

[14] 林伟君. 多元化实验考核的实施研究[J]. 实验室科学, 2011(2): 201-204.

[15] 马志广, 刘 磊, 李志林, 等. 基础化学实验考核体系的探索[J]. 实验技术与管理, 2012(3): 9-11.

[16] 赵杭美, 李金华, 孔利利, 等. 多途径提高大型精密仪器设备的使用效益[J]. 实验技术与管理, 2014(11): 248-251.

[17] 邱伟强, 王锡昌, 谢 晶, 等. 浅谈提高高校大型精密仪器设备的使用效率[J]. 高校实验室工作研究, 2013(2): 87-89.

Reform of Instrument Analysis Experimental Teaching System with Problem-Based Learning

XIEWeia,TANGQuanb,CHENQiujuanb,SUHuilanb,LUOYanghea

(1. Research Institute of Food Science & Engineering Technology, 2. School of Chemical and Biological Engineering, Hezhou University, Hezhou 542899, Guangxi, China)

Facing on different levels of students, using comprehensive experiment and opening experimental design, and combining with “problem-based learning”, we select instrument analysis experiment content, and reform instrument analysis experimental teaching system. In order to solve real problems by precise instrument and open experimental projects to students, we encouraged students to solve problem by co-operation. The reform improved the students’ ability and skill of solving problems, and the ability of independent learning, such that students got diversified development, and became applied talents to meet society needs. At last the student autonomy is strong, it also enlarges creating space, enhances their instrument operation skills, analytical ability, scientific research ability.

PBL model; instrument analysis experimental teaching system; reforming

2016-08-01

广西高校中青年教师基础能力提升项目(KY2016LX381);贺州学院教学质量与教学改革工程项目(hzxyjg201636，hzxyjg201541，hzxysfzx201503，hzxyjg201614)

谢 微(1984-)，女，壮族，广西蒙山人，硕士，助理研究员，研究方向：分析检测及实验室管理。

Tel.:18378406776 E-mail：249201676@qq.com

G 482

A

1006-7167(2017)04-0205-04