仪器分析实验课程教学设计研究

摘要：在工程教育专业认证视角下，结合大型的现代分析仪器特点及仪器分析实验课程目标与毕业要求，以离子色谱分析实验为例，通过课前预习、课堂活动、实验报告、课程考核、课程评价及持续改进等进行多方面、多角度的教学设计，培养和提高学生的研究能力和创新实践能力。同时，将思政元素融入实验教学过程中，从安全、环保、社会责任感等方面帮助学生理解和践行社会主义核心价值观。

关键词：仪器分析实验；工程教育；实验教学设计；离子色谱；虚拟仿真

仪器分析实验是面向化学工程与工艺专业开设的一门本科专业实验课程，也是培养学生研究分析问题和使用现代工具能力的重要课程。工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。工程教育专业认证的核心就是要确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，是一种以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价[1]。按照《工程教育认证标准》的12条毕业要求，仪器分析实验课程培养目标及教学内容能够对研究和使用现代工具这两条要求形成有效的支撑。作为一门重要的应用型实验课程，本课程在培养学生研究能力的同时，也需要帮助学生认识和使用更多的现代分析仪器，以适应我国自动化水平测试工作的要求[2-6]。近年来，高等教育教学改革工作持续进行，新的教学模式和教学方法也随之产生，并发挥了重要作用[7-8]。其中，虚拟仿真实验因其“能实不虚、虚实结合”的教学理念，越来越多地应用于本科实验教学工作中。尤其是在2020年初新型冠状病毒肺炎疫情暴发以来，虚拟仿真实验教学项目发挥了重要的作用，帮助数以万计的学生在线完成了实验课程的学习任务[9-11]。近几年，仪器分析实验课程的虚拟仿真实验教学项目也越来越多[12-15]。离子色谱分析是一种重要的色谱分析方法，广泛应用于化学、环境、医学等领域。本文以离子色谱分析实验为例，借助虚拟仿真软件对实验教学过程进行设计，以达到提高学生的仪器实验技能、培养学生研究及创新能力的目的。该实验教学设计由课前预习、课堂活动、实验报告、课程考核、课程评价和持续改进五部分组成，如图1所示。1课前预习在实验操作前，为了让学生更好地掌握理论知识和做好实验预习，我校与大连慕乐公司合作开发了一系列关于实验类的虚拟仿真实验教学项目。以离子色谱分析实验为例，虚拟仿真实验主要包括三部分：认识仪器、各类溶液配制和样品测试操作。如图2所示，虚拟仿真实验教学过程中，首先从仪器结构及各部件功能、仪器工作原理开始，帮助学生对仪器有全面的了解；其次，完成样品预处理的模拟操作；最后，在虚拟仿真实验中，学习仪器操作软件及样品分析测试，为实际操作打好基础。

1课前预习

在实验操作前，为了让学生更好地掌握理论知识和做好实验预习，我校与大连慕乐公司合作开发了一系列关于实验类的虚拟仿真实验教学项目。以离子色谱分析实验为例，虚拟仿真实验主要包括三部分：认识仪器、各类溶液配制和样品测试操作。如图2所示，虚拟仿真实验教学过程中，首先从仪器结构及各部件功能、仪器工作原理开始，帮助学生对仪器有全面的了解；其次，完成样品预处理的模拟操作；最后，在虚拟仿真实验中，学习仪器操作软件及样品分析测试，为实际操作打好基础。

2课堂活动

实验课程最主要的部分是在课堂中教师对实验的讲解和学生的具体操作。以离子色谱分析实验为例，课堂教学环节设计如表1所示。在课堂教学中，通过课前预习，可以缩短教师的讲解时间，增加了学生实验操作、问题思考及讨论环节的互动时间，降低了因操作失误带来的设备损坏风险。同时，借鉴近年来仪器实验教学工作中的课程思政教学经验[16-18]，以润物无声方式帮助学生正确认识和践行社会主义核心价值观。

3实验报告

仪器分析实验课程的实验报告主要分为七部分：实验目的、仪器与材料、实验原理、实验步骤、实验数据与讨论、注意事项及思考题。以离子色谱分析实验为例，实验报告设计如图3所示。实验原理部分主要考查学生在实验过程中对仪器基本工作原理的描述，必要的话可以借助流程图来表达。实验步骤部分主要考查学生自己的理解情况，而不是照抄实验讲义。实验数据与讨论这一部分是对学生学习程度的重点考查。实验数据整理及图表的绘制都需要学生依靠计算机辅助，并根据实验数据进行现象描述及结果讨论，是对学生个人科研及创新能力的培养。注意事项部分主要考查学生在课堂教学中对易错点、难点的掌握情况，通过该部分可以反映学生的学习程度及实践能力。在思考题中，第一题主要对仪器重要部件内容的掌握进行考核，第二题是需要学生寻找其他测试方法，以达到培养学生对同类分析问题，根据不同情况选择不同的分析方法、分析仪器的目的。

4实验成绩评定及持续改进

学生实验成绩评定由两部分组成：实验过程表现(35%)和实验报告撰写(65%)。具体评分标准如表2、表3所示。实验结束后，指导教师结合评分标准分别对学生的线上、线下实验操作及实验报告进行打分。教师根据学生的表现对该实验的教学效果进行自评，后期再结合学生评教、同行听课、督导听课等方式收集课程教学过程中的反馈意见，并及时调整教学方法，以持续改进的理念促进仪器分析实验教学的发展。

5结语

新的仪器分析实验教学设计，以润物无声方式引导学生认识和践行社会主义核心价值观。基于虚拟仿真软件辅助实验教学，能够帮助学生更好地预习仪器的工作原理和基本操作，提高了实验课堂效率，降低因操作失误而带来的仪器非正常损耗。在工程教育专业认证背景下，建立了完善的实验教学效果评价与持续改进机制。通过教学设计，真正建立起“以学生为中心、成果导向、持续改进”的实验教学模式，以达到培养和提高学生的仪器操作能力、实验研究能力以及创新实践能力的目标。

参考文献

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[2]姚清照.工程教育专业认证背景下仪器分析课程的教学改革[J].东南大学学报(哲学社会科学版),2020,12(22):140-143.

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[4]国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会.化学试剂离子色谱法测定通则(GB/T34672-2017)[S].2017.

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[9]郭婷,杨树国,江永亨,等.虚拟仿真实验教学项目建设与应用研究[J].实验技术与管理,2019,36(10):215-217,220.

[10]杜一宁.虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义[J].浙江海洋学院学报(自然科学版),2010,29(4):390-393.

作者:窦妍 陈志红 武西社 周渊 何迎迎 单位:长安大学水利与环境学院