儀器分析實驗課程教學設計研究

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摘要：在工程教育專業認證視角下，結合大型的現代分析儀器特點及儀器分析實驗課程目標與畢業要求，以離子色譜分析實驗為例，通過課前預習、課堂活動、實驗報告、課程考核、課程評價及持續改進等進行多方面、多角度的教學設計，培養和提高學生的研究能力和創新實踐能力。同時，將思政元素融入實驗教學過程中，從安全、環保、社會責任感等方面幫助學生理解和踐行社會主義核心價值觀。

關鍵詞：儀器分析實驗；工程教育；實驗教學設計；離子色譜；虛擬仿真

儀器分析實驗是面向化學工程與工藝專業開設的一門本科專業實驗課程，也是培養學生研究分析問題和使用現代工具能力的重要課程。工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。工程教育專業認證的核心就是要確認工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求，是一種以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價[1]。按照《工程教育認證標準》的12條畢業要求，儀器分析實驗課程培養目標及教學內容能夠對研究和使用現代工具這兩條要求形成有效的支撐。作為一門重要的應用型實驗課程，本課程在培養學生研究能力的同時，也需要幫助學生認識和使用更多的現代分析儀器，以適應我國自動化水平測試工作的要求[2-6]。近年來，高等教育教學改革工作持續進行，新的教學模式和教學方法也隨之產生，并發揮了重要作用[7-8]。其中，虛擬仿真實驗因其“能實不虛、虛實結合”的教學理念，越來越多地應用于本科實驗教學工作中。尤其是在2020年初新型冠狀病毒肺炎疫情暴發以來，虛擬仿真實驗教學項目發揮了重要的作用，幫助數以萬計的學生在線完成了實驗課程的學習任務[9-11]。近幾年，儀器分析實驗課程的虛擬仿真實驗教學項目也越來越多[12-15]。離子色譜分析是一種重要的色譜分析方法，廣泛應用于化學、環境、醫學等領域。本文以離子色譜分析實驗為例，借助虛擬仿真軟件對實驗教學過程進行設計，以達到提高學生的儀器實驗技能、培養學生研究及創新能力的目的。該實驗教學設計由課前預習、課堂活動、實驗報告、課程考核、課程評價和持續改進五部分組成，如圖1所示。1課前預習在實驗操作前，為了讓學生更好地掌握理論知識和做好實驗預習，我校與大連慕樂公司合作開發了一系列關于實驗類的虛擬仿真實驗教學項目。以離子色譜分析實驗為例，虛擬仿真實驗主要包括三部分：認識儀器、各類溶液配制和樣品測試操作。如圖2所示，虛擬仿真實驗教學過程中，首先從儀器結構及各部件功能、儀器工作原理開始，幫助學生對儀器有全面的了解；其次，完成樣品預處理的模擬操作；最后，在虛擬仿真實驗中，學習儀器操作軟件及樣品分析測試，為實際操作打好基礎。

1課前預習

在實驗操作前，為了讓學生更好地掌握理論知識和做好實驗預習，我校與大連慕樂公司合作開發了一系列關于實驗類的虛擬仿真實驗教學項目。以離子色譜分析實驗為例，虛擬仿真實驗主要包括三部分：認識儀器、各類溶液配制和樣品測試操作。如圖2所示，虛擬仿真實驗教學過程中，首先從儀器結構及各部件功能、儀器工作原理開始，幫助學生對儀器有全面的了解；其次，完成樣品預處理的模擬操作；最后，在虛擬仿真實驗中，學習儀器操作軟件及樣品分析測試，為實際操作打好基礎。

2課堂活動

實驗課程最主要的部分是在課堂中教師對實驗的講解和學生的具體操作。以離子色譜分析實驗為例，課堂教學環節設計如表1所示。在課堂教學中，通過課前預習，可以縮短教師的講解時間，增加了學生實驗操作、問題思考及討論環節的互動時間，降低了因操作失誤帶來的設備損壞風險。同時，借鑒近年來儀器實驗教學工作中的課程思政教學經驗[16-18]，以潤物無聲方式幫助學生正確認識和踐行社會主義核心價值觀。

3實驗報告

儀器分析實驗課程的實驗報告主要分為七部分：實驗目的、儀器與材料、實驗原理、實驗步驟、實驗數據與討論、注意事項及思考題。以離子色譜分析實驗為例，實驗報告設計如圖3所示。實驗原理部分主要考查學生在實驗過程中對儀器基本工作原理的描述，必要的話可以借助流程圖來表達。實驗步驟部分主要考查學生自己的理解情況，而不是照抄實驗講義。實驗數據與討論這一部分是對學生學習程度的重點考查。實驗數據整理及圖表的繪制都需要學生依靠計算機輔助，并根據實驗數據進行現象描述及結果討論，是對學生個人科研及創新能力的培養。注意事項部分主要考查學生在課堂教學中對易錯點、難點的掌握情況，通過該部分可以反映學生的學習程度及實踐能力。在思考題中，第一題主要對儀器重要部件內容的掌握進行考核，第二題是需要學生尋找其他測試方法，以達到培養學生對同類分析問題，根據不同情況選擇不同的分析方法、分析儀器的目的。

4實驗成績評定及持續改進

學生實驗成績評定由兩部分組成：實驗過程表現(35%)和實驗報告撰寫(65%)。具體評分標準如表2、表3所示。實驗結束后，指導教師結合評分標準分別對學生的線上、線下實驗操作及實驗報告進行打分。教師根據學生的表現對該實驗的教學效果進行自評，后期再結合學生評教、同行聽課、督導聽課等方式收集課程教學過程中的反饋意見，并及時調整教學方法，以持續改進的理念促進儀器分析實驗教學的發展。

5結語

新的儀器分析實驗教學設計，以潤物無聲方式引導學生認識和踐行社會主義核心價值觀。基于虛擬仿真軟件輔助實驗教學，能夠幫助學生更好地預習儀器的工作原理和基本操作，提高了實驗課堂效率，降低因操作失誤而帶來的儀器非正常損耗。在工程教育專業認證背景下，建立了完善的實驗教學效果評價與持續改進機制。通過教學設計，真正建立起“以學生為中心、成果導向、持續改進”的實驗教學模式，以達到培養和提高學生的儀器操作能力、實驗研究能力以及創新實踐能力的目標。

參考文獻

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[7]盧東方.“互聯網+高等教育”新模式下高等學校教學改革的思考[J].科教導刊(上旬刊),2016(5):9-10.

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[10]杜一寧.虛擬實驗的研究現狀以及在教學中的意義[J].浙江海洋學院學報(自然科學版),2010,29(4):390-393.

作者:竇妍 陳志紅 武西社 周淵 何迎迎 單位:長安大學水利與環境學院