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篇1
儀器分析是用精密儀器測量表征物質的某些物理或物理化學性質的參數,以確定其化學組成、含量及化學結構的分析方法,是化學、物理、數學、光學、電學、機械、自動控制、計算機等多門學科相互滲透、相互促進的重要學科。隨著現代科學技術的發展,儀器分析的應用日益廣泛,在化工產品檢驗、藥品檢驗、醫學檢驗、衛生檢驗、環境保護、食品保健和生物監測等各領域都發揮著重要作用,這也是我校并校以來一直堅持開設這門課程的原因。
儀器分析課程是我?;さ葘I必修課,其任務是使學生學習并掌握光譜分析法、電化學分析法、色譜分析法等的基本知識和技能,培養學生的實際操作能力和分析、解決問題的能力,為其將來從事企業產品質量檢測相關工作打下扎實基礎。該課程在我校已經有了5年的教學實踐,本文分析教學過程中存在的一些問題,并就此提出進行課程教學改革的措施和觀點。
1.《儀器分析》課程教學中主要存在的問題
1.1《儀器分析》理論課難
課程理論內容繁雜,涉及電子、數學、計算機、光學、機械及量子化學等內容,而且有些內容還涉及一些學科前沿性的知識,不僅是學生不易理解,而且對于新的任課教師也是一個難點。如何在現有條件下將抽象的理論變得易于接受、枯燥的課堂教學變得輕松有趣,最大限度地提高教學質量和效果,這些都是我們需要研究和探索的問題。
教育部《關于加強高職高專教育人才培養工作的若干意見》指出,高職“教學內容要突出理論知識的應用和實踐能力的培養,基礎理論教學要以應用為目的,以必須、夠用為度,專業課教學要加強針對性和實用性?!盵1]
在高職教育中,理論教學是否成功關鍵在于學生是否能夠將理論知識與技能操作有機結合,是否能夠自覺將學到的理論知識運用于分析問題、解決問題。課程對學生綜合運用基礎化學等課程知識的能力要求較高,且內容更新較快,因而被學生視為難點,這一點在相對學習基礎差一些的高職高專學生尤為突出。對于課程本身理論部分內容又是十分重要,因為不同型號的同類型儀器操作雖有所區別,但理論方面相對成熟,所以如果掌握好必要的理論基礎,一通百通,今后工作上遇到同類型儀器,那么掌握起來也十分快速。
1.2《儀器分析》實訓課對設備的要求高
《儀器分析》課程不同于其它基礎課程,其所涉及的貴重儀器設備比較多,這些設備往往比較精密,還需要專人維護。高職院校普遍存在著實訓設備投入不足的現象,隨著高職院校招生規模的不斷擴大,設備數量不足、大型設備缺乏、關鍵設備落后等現狀與技能型人才培養實際需要的矛盾更加突出。
我校開設這門課程已經超過5年時間,但這方面的問題仍然十分突出。所以在有限的資金、有限的設備下怎么樣把課程上好,讓學生從中學習到更多的東西,這就相當考驗任課教師的教學能力和工作態度。
我校分析儀器從最初的一兩臺721型可見分光光度計,發展到目前超過十臺722型分光光度計、4-5臺PH計以及電導率儀、紫外-可見分光光度計、傅立葉紅外、差熱分析儀、原子吸收光度計、氣相色譜、高效液相色譜等常見的分析儀器。但后幾種儀器數量只有一臺,還是仍然難以滿足一個教學班同時開展實訓教學,所以需要任課教師對課程實訓項目進行精心的取舍和準備。并且高職層次學生的化學基礎相對較差,這也影響了課程的教學效果。
2.《儀器分析》課程教學改革實踐
根據高職高專教學和用人單位的需要,教學改革我以為應當以學生職業能力培養為目標,使學生形成以下職業能力和素質:掌握常用儀器分析方法的基本原理、定性定量方法和應用范圍;具有查閱國家標準和其他相關文獻資料的能力;能按說明書操作儀器及其工作軟件,設計合理的分析方案,完成檢驗分析任務,并解決分析過程中出現的一般性技術問題。同時,注重素質教育,培養嚴謹認真的工作作風、科學求實的態度、嚴明的法律意識,使學生具有良好的職業道德、團隊協作精神和實驗室安全意識,逐步樹立全面藥品質量監測意識。教學改革方案如下。
2.1精心取舍內容,優化教學過程。
我國高職教育高速發展已經經過了二十多年的歷程,最早在高職教育使用的教材一般都是將本科生用教材進行適當的增減,而沒有專用的高職教材?!笆晃濉?、“十二五”規劃出版了一系列的高職高專教材,這種情況已經大大緩解。我校前后一共使用過3套不同的教材,本著“夠用、適用”的原則,我校目前采用的是呂方軍的《分析化學》以及劉旭峰的《分析化學實訓》,都屬于“十一五”規劃教材,從目前的教學效果看來還是比較適合的。
當今儀器分析方法飛速發展,學生需要學習的內容也就需要增加,但教學不能包羅萬象要有所側重和取舍。教學前要按教學大綱要求,根據教學對象的變化,對現行教材內容進行適當的調整與補充。
基于此我們對教學內容進行整合,以適應社會對人才的實際需要,把儀器分析課程的教學內容設置為紫外-可見分光光度法、電化學分析法、原子吸收法、色譜法及其他儀器分析法等5個學習模塊。同時適當減少儀器分析理論知識的講解,較大幅度增加儀器的維護與保養方面的知識;補充一些前沿性知識,使學生在學好基礎理論的同時,拓寬知識面,提高科學文化素質和創新意識,掌握最新科技信息。如講授“紫外-可見分光光度法”這一章時,將基本原理、定量方法和應用列為重點內容詳盡講解,而紫外光譜與分子結構的關系只作一般闡述;定性方法等內容則扼要講解或讓學生自學,再以課堂提問方式抽查學生掌握情況。在“色譜分析”這一部分時,注意聯系當下的儀器分析發展動向,分析儀器的聯用,有目的的介紹氣-質聯用技術及其應用。同時還注重課堂內容與社會熱問題的結合,如提問“當前大都市的霧霾天氣是什么引起的?”“可以用什么方法來監測?”等等,引導學生關注新儀器、新方法、新進展。
2.2優化實訓項目,加強實訓教學過程管理。
儀器分析是一門實驗科學,一切用實驗研究的科學都不能脫離實踐。以往實驗教學只是機械地按書本的實驗步驟進行操作,片面追求結果,學生不明白實驗原理,達不到實驗應有的效果。因此,需要按照“實踐-理論-實踐-理論”的認知規律,由淺入深、由易到難的教學規律,將理論作為實踐的背景,學中做,做中學,在學習中構建理論體系,以分析方法的應用和儀器的使用作為教學的切入點,實施理論與實踐一體化的教學模式,以儀器分析方法為依據構建教學模塊。
我們在加強實驗操作和數據原始記錄規范的基礎上,調整教學計劃,大幅度增加學生實驗、設計性實驗和現場分析的內容,使學生有更多的時間動手操作。但由于目前江職的分析儀器一方面比較貴重,一方面又比較少,紅外、紫外、原子吸收、氣相、液相等只有一臺儀器,所以每個學生的操作和動手時間機會并不多,也沒有辦法設置情境實驗和開放實驗。
眾所周知,精密儀器維護最好能做到專人專用。由于我校化工專業在近兩年實驗場地和設備都快速增多,而實驗室管理員編制未能增加,從而導致設備不可能得到很好的維護。為了防止儀器故障等原因而耽誤課程的情況發生,對于開放給學生的實訓用儀器一般選擇了一些易操作、耐操作的設備來安排項目,對一些操作上要求高的、設備昂貴的則進行了刪減。如紫外和紅外都屬于易于操作不易損壞的設備,實訓項目考查的重點放在樣品的準備和檢測結果的分析上;又如原子吸收的操作相對復雜,實訓主要是通過教師的演示和提問來提高學生的認識;差熱分析由于操作精細,旁觀人員多時易出現失誤而損壞設備,且主要用于科研,所以就沒有安排進實訓項目。
此外,實訓設備和時間都非常有限的情況下,根據筆者的實踐經驗做好實訓管理能夠極大的促進學生對知識的掌握并保證教學質量。要求學生做好實訓的預習,在開始實訓前先交預習報告;實訓時按設備多寡對學生進行適當的分組,安排小組任務,并要求學生在規定的時間內完成實訓內容,每小組將原始紀錄匯總,協作完成實訓報告。這樣能夠即時發現問題并解決,避免學生課后抄襲,又能時時考查學生做為平時成績的一項重要依據。
2.3開發和引進現代化教學手段,優化教學形式。
心理學家特奇勒曾說:“我們的學習,1%通過味覺,1.5%通過觸覺,11%通過聽覺,83%通過視覺”[2,3]。在有限的教學時數內,要使學生理解儀器分析測試原理,了解分析儀器的基本組成構造及基本原理,并掌握一定的實驗技能,僅靠傳統的教學方式是難以達到較好的教學效果。為解決這些問題,在儀器分析的教學中,為了讓學生能夠在有限的課時內更好的學習并掌握該門課程的內容學以致用,合理的利用現代教學乎段,提高教學質量、改進教學模式是完全必要的。
任課教師需要運用多媒體教學將課堂中難以講解甚至根本無法在黑板上畫出的實驗裝置、光路圖、電路圖、儀器外觀圖制作成Power-Point幻燈片或Flas,讓學生一目了然。這樣不僅增加了課堂教學的信息量,而且提高了學生的學習熱情,活躍了課堂氣氛。如在“色譜分析法”的學習中,通過Flas展示經典的茨維特植物色素分離實驗,使學生了解柱色譜分析、流動相、固定相和色譜柱,避免機械記憶,明顯提高學習效率。
應用儀器分析仿真系統虛擬實驗環境,這是課程十分必要和有益的補充。學生通過操作這臺虛擬分析儀器,可以獲得與操作真實儀器一樣的豐富經驗[4]。為培養和強化學生的實驗技能,建議學院購買和采用“儀器分析虛擬實驗室”教學軟件,如色譜分析法中現氣相色譜、高效液相色譜的儀器結構和工作流程,包括流動相系統、進樣系統、柱分離過程、檢測系統等整個分離檢測過程。通過教師引導、講解和生動的視覺效果,學生可在較短時間內掌握儀器結構、色譜分離過程、儀器測定原理和操作方法。學生完成了模擬實驗后,進入真實實驗室可更快、更好地投入實際操作。
2.4改革考核方式,采用新的評價體系。
新的課程體系是否能達到教學目標,考核評價是關鍵。傳統的“期末一張卷”的單一考核方法只重結果,不重學生的學習過程,試題記憶性成分比例過大,不能夠很好地發揮積極的引導作用,束縛了學生自主學習的積極性。儀器分析可采取靈活多樣的考核方式,在保證基本知識的基礎上,突出對學生創新精神和個性特長的培養。為此,在實踐環節的考核上采用標準參照模式,對每位學生進行獨立考核,并保證評價的公平、公正,從而確保教學質量。
筆者根據實踐經驗,對課程考核體系進行了大膽的改革,在保留知識考核的基礎上增加了技能考核的權重。期末考試以開卷方式進行,成績占50%;平時成績主要考核考勤、作業情況,占20%;而實訓成績占30%,主要考查操作、實訓預習和實訓報告的完成情況。技能考核權重的增加和開卷考試均體現了結合高職高專學生的特點。
3.結語
儀器分析是一門實踐性很強的同時發展變化較快學科,如何教會學生從不同的儀器分析方法中歸納出共性和個性,舉一反三、觸類旁通,從而提高分析、解決問題的能力;如何運用現代教學手段提高儀器分析教學質量,如何建立公平、公正的考核評價體系,確保教學質量,還需教師同仁共同努力探索與不斷實踐。
【參考文獻】
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篇2
儀器分析;藥物分析;綜合性課程;教學模式;設計與探索
儀器分析是我校制藥工程專業的基礎課,其教學目的在于使學生掌握儀器分析的基本原理、基本方法和儀器操作技能。隨著中成藥成分分析、生物制劑、藥物代謝、藥物動力學等新型藥物分析任務的不斷出現,儀器分析方法在藥物分析中扮演著越來越重要的角色[1-2]。藥物分析是制藥工程專業的專業課,其教學目的在于使學生利用多種儀器分析方法進行藥物的鑒別、含量檢測及質量控制,掌握常用代表性藥物的分析方法并運用理論知識解決實際問題。從某種意義上講,藥物分析可以看成是儀器分析課程的實際應用和衍生[3]。儀器分析與藥物分析是制藥工程專業的必修課程,兩者教學內容、教學方法具有深度交叉[4-5]。通過調查研究,結合在實際教學過程中積累的經驗,筆者發現,深入探究兩門課程的共同點和一般規律,對兩門課程進行整合是必要且可行的。
1綜合性課程教學模式設計與探索的必要性
目前,我校制藥工程專業設置藥物分析課程72學時、儀器分析課程81學時,我們在教學過程中發現諸多困惑和問題。首先,教材針對性較差,儀器分析教材多針對化學類專業,藥物分析教材多針對藥學類專業,對制藥工程等工科專業無明顯的針對性;其次,不同課程間教學方法、內容相對獨立,教師多聚焦于某一門課程的教學,忽略與其他學科之間的聯系,導致不同課程間授課內容重復、脫節,并未合理利用有限的學時。比如儀器分析、藥物分析、波譜分析等多門課程重復講解“紫外分光光度法”的內容;再次,實驗課設置無連續性,藥物分析實驗一般強調藥品功效、作用機理及待測樣品的預處理和多種檢測方法,難以具體介紹某種儀器的使用;儀器分析實驗強調單一的儀器結構、使用方法,忽略測試對象。這種相對獨立的實驗課教學并未啟發學生從制藥過程入手,建立合適的藥物分析和儀器分析方法進行綜合性實驗,導致實驗課教學與日后的科研或就業工作缺乏銜接,難以實現對學生動手能力、實踐創新能力的培養;此外,傳統的考核方式多是教師出一張試卷,學生“考前突擊、死記硬背”,教師根據卷面成績對教學效果及學生成績進行評價,評價指標單一,無法真實反映教學效果。針對以上情況,教師有必要深入開展課程調整及教學方法的研究,建立創新型課程教學模式,把零散的知識條理化、系統化,提高兩門課程的教學效果,讓學生普遍感到知識易于理解、易于掌握、易于運用,在學習的過程中達到綜合能力的提升,從而滿足學生需求,契合專業培養目標,適應學科發展。
2綜合性課程教學模式實施的具體思路
2.1整合教學內容,提高教材針對性根據制藥工程專業特點及學科特點,對教材取精去粕。適當調整教材內容,搭建合理的理論框架,把兩門課程內容總體設計成三個教學模塊:基本原理模塊,包括儀器分析基本原理、大型儀器的使用和維護及藥物分析基本方法;藥物質量研究模塊,包括藥品質量標準、國內外藥典、各種藥物鑒別、藥物雜質檢查、含量測定方法;藥物分析各論模塊,包括常見藥物的分析方法、常用的理化鑒別測定指標、藥物質量控制的方法及一般規律。根據模塊設置,將藥物分析課程定位于藥物的鑒別、雜質檢查、含量測定及常見藥物的分析,側重介紹藥物結構、作用機理、藥品質量標準;將儀器分析課程定位于電化學、色譜分析、光學分析三部分內容,側重介紹各種藥品生產及開發過程中涉及的分析儀器原理及應用,比如與中藥成分研究、復方制劑分析、生物樣品分析等藥物分析手段密切相關的色譜技術。在兩門課程的整合中,形成“基本原理—儀器結構—藥物分析—質量控制—綜合運用”的科學化教材設計、知識傳授模式。
2.2創新教學方法,注重知識融會貫通將講授法、討論法、探究法、演示法、任務驅動法等教學方法融入儀器分析與藥物分析課堂中。通過以學生為主體、教師為主導的原則,合理安排教學進度,靈活運用教學方法,避免教學資源浪費和教學內容脫節。在藥物分析教學過程中不斷滲透儀器分析的基本方法、基本原理和儀器構造,例如介紹中藥及其制劑分析時,引導學生思考不同分析對象所對應的儀器分析方法:重金屬及有害元素分析對應原子吸收分光光度法,農藥殘留分析對應氣相色譜法。在儀器分析教學中把藥物分析案例貫穿始終,依托藥物分析案例輔助儀器分析教學,例如介紹紅外光譜時,以阿莫西林的紅外光譜圖為例揭示紅外光譜法在β-內酰胺類抗生素分析中的應用。組織學生結合社會熱點、醫藥領域前沿,以兩門課程為內容建立討論話題,課下完成調研,分小組討論,自發地探究課程間的聯系,達到熟練掌握、靈活運用。每節課前設置問題環節,結合現代藥物分析發展趨勢,提出問題并鼓勵學生利用儀器分析知識解決藥物分析問題;以藥物分析為出發點,探究儀器分析方法,倡導“發現問題、探究問題、解決問題”的自主學習模式。
2.3調整實驗課程設置,注重動手能力培養實驗課程設計著重從常用藥物的作用機理、合成提純到含量檢測、質量監控等一系列制藥過程,把藥物分析和儀器分析內容相銜接,形成“藥物功效—基本結構—預處理方法—檢測方法—儀器結構及使用方法—質量監控”的綜合性、科學化教學流程。適當調整實驗課教學進度,比如把儀器分析實驗“高效液相色譜檢測維生素C含量”與藥物分析實驗“維生素類藥物的分析”合并,將各自的3個課時合并為6個課時,讓學生對維生素類藥物的功效、作用機制及質量標準,樣品的預處理,紫外光譜法、高效液相色譜法儀器結構及應用有一個全局把握。由傳統的驗證性實驗教學模式轉向探究性實驗教學模式,鼓勵學生設計綜合性實驗,發揮實踐課學習中的主觀能動性。例如教師給出某一類藥物的名稱和化學結構,鼓勵學生查找文獻和資料,了解藥物作用機理和預處理方法,充分利用儀器分析知識,設計合理的分析方法并分享設計思路。實驗教學過程中,讓學生全程參與動手操作,驗證所設計實驗的可行性。此外,將實驗教學模式與制藥工程專業導師制培養模式相結合,將科研方法、科研思路引入兩門課程的教學,鼓勵學生進入教師實驗室參與科研活動,引導學生利用所學的藥物分析及儀器分析理論知識指導實踐,銳意創新。
2.4改革考核方式,切實反映教學效果建立多樣化的考核方式,避免“應試性”教育,試卷考核兼顧閉卷與開卷兩種形式,適當地將藥物分析與儀器分析考核內容合并、相互穿插。儀器分析采取閉卷形式,考察學生對兩門課程基本原理、基本概念、基本方法的掌握。藥物分析采取開卷形式,考察學生的綜合應用能力。同時,將實驗課表現和實踐能力考核納入期末總成績核算,并且覆蓋綜合性實驗設計報告書寫、文獻閱讀、課堂討論發言、參與導師科研活動狀況、實驗操作技能考試等考核指標。提高考核方式的科學性,切實反映教學效果,同時引導學生重視實驗課學習、注重團隊協作能力、實踐能力的鍛煉,促進學生全面發展。
3結語
綜合性課程教學模式的設計,將繁雜的知識點相互穿插、融會貫通,改變以往不同課程之間相對獨立、知識傳授零散、實驗實用性差、學生接受知識困難、考核方式單一等狀況,同時提高教師的整合教材能力、教學組織能力,達到教學相長的良好效果。今后有望推廣到制藥工程及其它相關學科,讓課程教學更加系統化、科學化、有效化。
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1.2儀器價格昂貴且高配備有限《儀器分析》涉及的精密儀器通常價格昂貴,學校配備數量有限,甚至有很多儀器就沒有采購,西部的高校受財力困擾尤為突出。由于精密儀器較少,不是每個學生都有機會使用,且容易損害,所以學生實踐的機會較少。
1.3高新尖儀器更新快,教材滯后隨著高科技快速發展的需要,推動研發高科技的手段即新的分析儀器快速更新、快速推廣,而教材內容則是多年不變,嚴重滯后,無法適應培養應用型人才的需要。
1.4課堂上學生難以發揮其學習的主動性本門課程,不論是理論課,還是實驗課,均存在課時有限,并且實驗儀器價格昂貴,結果,就使儀器分析實驗課的上課方式主要為演示性實驗,主要由上課教師獨立完成,而學生僅僅是觀摩者和寫實驗報告者。有的上實驗操作課,先由教師詳細講解實驗內容、儀器基本特點和實驗步驟、注意事項后,再將實驗所需要的東西全部準備好后,讓學生到實驗室操作實驗,這種實驗課對于學生來說很難發揮其主觀能動性,窒息學生創新的動力。
2本課題組根據本門學科發展的趨勢和教材的現行的內容
編排體系,以及學校的應用型人才的培養目標,對教學內容進行調整,進行必要的課程改革,培養學生的學習興趣,促進教學質量和教學水平的提高
2.1改進課程教學手段因《儀器分析》內容枯燥、抽象難懂,且內容多課時少的矛盾,傳統的教學方式無法達到良好的教學效果,采用多媒體教學,充分利用多媒體的優勢,化抽象復雜為直觀簡單,激發學生學習興趣,通過動畫如實反映精密的、大型儀器的構造,詳解儀器的工作原理,通過動畫的形式,再現儀器的工作過程。也可以將教師的儀器操作步驟用錄像錄下來,掛在班級Q群、微信群或教師的微博上,讓學生觀看。也可聯系附近的污水處理廠、化工廠,帶學生前往參觀,由教師講解或請該廠工程師講解,還可以帶領學生到當地的質量檢測中心參觀,請其檢測員講解,既可講解工作運行流程,也可講解該領域的最新工藝流程。這些教學手段即可增強學生的理解和記憶,也提高了課堂效率。
2.2對課程內容進行取舍參照新教學大綱,結合我院實際編寫了新的教學大綱,結合專業特點,補充新內容。在《儀器分析》中,介紹了現代分析儀器的原理和應用,如原子吸收分光光度計,激發了學生的學習興趣?!秲x器分析》課程是一門應用型的學科,和無機化學、有機化學這些基礎學科不同,處理一些簡單的問題用公式解決外,大部分的內容都是對實際樣品的簡化處理,忽略次要因素,抓住主要因素,在此基礎上建立分析模型,以解決問題。從而實現準確性與經濟性的統一。解決內容多課時少的矛盾,并且保證教學質量有效方法之一,就是需要根據授課對象的專業不同,對教材的內容進行取舍,重點講解專業所需的實驗儀器及分析方法,對其它進行略講。
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針對生物技術儀器課程本身的特點,欲解決教學過程中實際遇到的問題,首先得明確生物儀器分析課程的教學目標:通過對常見的分析儀器的原理、結構和應用的講解,使學生在掌握分析原理的基礎上理解相應儀器的用途,了解儀器的基本結構,能在具體的儀器操作教學過程領會儀器的使用方法。針對這一教學目標,可從如下幾個方面進行教學改革。
2.1理清主線,點、線、面有效整合針對生物技術儀器分析教學內容繁雜的問題,應該首先明確本課程主線,將課堂教學的有限的具體點有效串聯,并啟發學生將所學內容向更廣闊的面進行擴展。譬如我們從一個細胞的解析為例。其中描述細胞的形態和結構可作為主線之一,則包含的內容包括普通光學顯微鏡、倒置顯微鏡、熒光顯微鏡、掃描共聚焦顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等諸多儀器,在課堂教學中不可能面面俱到,但可重點介紹普通顯微鏡這一點,在點上將原理、儀器結構、使用方法、應用實例等詳細介紹,通過啟發思維引導學生思考如何在更小的尺度上描述細胞的精細結構,在學生自己有興趣的情況下,即可通過同樣的方法自學其它顯微鏡的內容,將描述細胞的形態和結構的內容可擴展到更豐富的面。再比如測定有機物分子的結構作為主線,則包括紫外、熒光、紅外、核磁共振和質譜等。兼具分離和分析特點的儀器,如電泳和色譜??傊欢ㄒ幸粭l線將相應的儀器串聯起來,選擇具體的儀器作點上的介紹,通過問題啟發學生作面上的擴展。
2.2引入多媒體,加強教學資源建設高校的儀器分析教材多為分析化學方向的指導教材,專門用于生命科學領域的生物儀器分析理論和實驗教材并不多?;瘜W類的儀器分析教材更偏重于化合物結構的解析,并不能完全適用于生物科學研究的特點,其直接作為生物儀器分析教材實用性受到限制,因此有必要編寫通用的生物儀器分析教材。生物儀器分析教材應介紹生物分析儀器的構造、工作原理、分析方法等相關的理論知識。這些分析方法的原理抽象,難以理解,使用傳統的教學方法很難講述清楚,應該運用現代多媒體教學手段,將大型生物儀器的結構、工作原理以及操作技術以動畫形式模擬出來,學生可以運用電腦、手機等多媒體終端直接觀看,甚至可以采取游戲的方式提高學生的參與度,增進學生的學習興趣,提高教學質量。這樣既節約了課時,又使教師有充足的時間用于重點和難點的講授。作為課堂理論教學的延伸,生物儀器分析的實驗教學更應加強多媒體教學,在學生提前觀看多媒體的情況下再進行試驗操作的現場演示,必會有更好的效果。多媒體的制作應是實驗室儀器分管人員針對自己分管儀器的基本工作,應避免多媒體上所演示的儀器與實際操作儀器的脫節問題。
2.3大班理論教學,實驗教學循環開課生物儀器分析課與其他課程不同,內容包含理論教學和實驗教學,因此要求教師不但要有專業理論知識,更要有豐富的儀器分析經驗,只有這樣才能保證理論與實踐的有機結合,收到良好的教學效果。生物儀器分析課程理論教學可采用大班開課的方式,緊密結合生物科學生產研究的實際,介紹具體儀器的相關理論知識。實驗教學應采取小班或小組教學的方式,以實際操作為核心,選取在生產和科研中具有先進性和實用性的生物分析儀器作為該課程的主要內容,應使每個學生都能參與具體實驗操作。對于不具備操作條件的實驗,演示過程可通過多媒體讓學生自行學習。理論課老師與實驗室負責儀器管理的實驗技術人員共同商討每臺儀器需要講授的內容,按時進行備課,編寫教案,由實驗室統一檢查備課效果,以充分確保備課教案的質量和實用性。根據每臺儀器的實際使用情況,具體安排講課人員名單,讓精通每種儀器的教師、研究生和儀器技術管理人員擔任實驗室儀器的實驗教學任務。每臺儀器可根據實際需要,每周或每月開課1-2次,循環教授,讓學生通過預約的方式,根據自己的安排選擇上課時間。
2.4引導學生關注熱點,知用合一生命科學儀器的種類及儀器分析方法繁多、學科跨度大,往往會讓學生感覺難以抓住重點,提不起興趣。因此在講解各種儀器的分析使用方法之前,必須做一個引導性的介紹,通過社會熱點事件(如新的研究發現、食品安全等)或日?,F實生活、生產中的應用,激發學生的學習興趣。此外,通過各種渠道介紹學院教師使用該儀器及分析方法取得的最新科研成果,并展示教師科研成果的圖片或結果給學生,使學生感受到科學研究就在身邊,儀器分析無處不在,從而激發他們的親近感。最后,也可以聘請相關專家、儀器廠家的工程師、學術專家、本院教師等以專題或學術講座的形式介紹實驗室擁有的儀器及生命科學領域相關儀器發展的前沿知識,激發學生對科學研究的熱情。
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隨著對生物產制品及食品質量與安全日益重視,《儀器分析》是當下多數生命科學學院相對重視的課程,作為實驗性的課程,實驗教學是其重要的組成部分,實驗教學對于促進理論知識的理解運用,保證整體教學水平起著重要的作用。[1]以本校生命科學學院專業組成為例,含生物工程、生物技術、食品質量與安全和藥學四專業,《儀器分析》均是重要的專業基礎平臺課,而鑒于本校與質量技術監督部門和出入境檢驗檢疫局等相關部門有著非常密切的聯系,在如何向有關部門輸送和培養專業技能人才的問題上,有關人士一致認為《儀器分析》課程應該作為重點改革和實踐的課程,本文就以苯甲酸的紅外光譜實驗為例,淺談一下本院關于《儀器分析》課程的實踐改革。
一、實驗設計與內容
紅外光譜實驗是屬于《儀器分析》課程中“吸收光譜”的教學內容,與“吸收光譜”法-紫外可見吸收光譜不同,后者廣泛應用在其它課程如《有機化學》《食品檢測技術》等,本文不再贅述。紅外光譜分析是有機化合物結構定性的重要工具之一,該實驗課程的設計主要包括理論課程準備、實驗前期準備、實驗進行及實驗后的數據整理等四個方面。①理論課程的準備。紅外光譜在課程中的位置是在紫外光譜之后,通過介紹其與紫外光譜的區別和聯系,讓同學們知道二者的異同點,由于要為實驗環節做準備,故在理論課程中除了進行紅外光譜基礎知識的介紹,更重要的對紅外光譜中重要的基頻吸收峰進行詳細的歸屬和解析,并要和相應的有機化合物進行反復的講解,如苯甲酸中重要的基頻吸收峰有羰基(C=O,νs1700cm-1附近強蜂)、羥基(O-H,νs3300cm-1附近強峰)、苯環的碳碳雙鍵(C=C,s1400-1600cm-1附近2-4個中強吸收峰)以及指紋區的苯環單取代峰(vs700cm-1附近兩個中等強度吸收峰)。②實驗前期準備。掌握理論知識以后,將集中給學生觀看紅外光譜的儀器操作視頻,重點給學生講述實驗過程中的知識點和要點,如苯甲酸的紅外光譜是基于固體樣品的分析,故包括固體樣品研磨所需的器具-瑪瑙研缽;固體壓片所需的儀器-壓片機以相應的壓模;最后介紹紅外光譜儀的結構和大致的操作步驟。在該環節中不僅要在課堂上給同學們做逐一講解,還要求他們在課下利用“網絡課程平臺”中的視頻資源,反復觀看和熟悉,為進入實驗室實際操作提供必要的準備。③實驗進行。紅外光譜儀屬于價值較為昂貴的儀器之一,本實驗采用的日本原裝進口島津IR-Prestige-21型傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR),整機價格達到近20萬元人民幣,而壓片機也高達2萬余元。所以在實驗進行前要給學生普及安全知識,一定要珍惜儀器資源,特別是價值不菲的進口大型分析儀器更是如此。本環節主要包括兩個步驟:第一步壓片環節。教師將利用瑪瑙研缽、壓片機等設備現場示范苯甲酸的壓片,并逐一講解壓片時注意的事項。示范完畢后,讓學生以3人為一小組進行逐一壓片,全部完成后,按照次序依次進行FT-IR樣品掃描。第二步掃描環節。首先介紹FT-IR儀器的基本結構和操作方法,然后對壓制的片子進行掃描,并對掃描得到的IR圖譜與標準圖譜庫進行搜索和比對,并記錄得分。④實驗后的數據整理。將實驗獲得的苯甲酸紅外光譜圖整理后進行“網絡課程”的上傳和展示,并完成書面形式的實驗報告以便歸檔。報告整理包括圖譜的重要吸收峰歸屬和得分情況,教師將根據紅外圖譜吸收峰的明晰程度及得分情況進行分級,并選取結果良好的小組進行討論和分析,以對紅外光譜理論和實踐能夠得到更好的聯系。
二、實驗效果與反響
《儀器分析》與其它課程不同,依托的是價值昂貴的大型分析儀器,多年以來,大型分析儀器的實驗教學大都采用“演示法”,教師提前做好實驗設計和實驗準備工作,從實驗原理、步驟到注意事項、甚至實驗結果都面面俱到地講解。[2]因為內容量太大,基礎知識難懂,且學生預習不認真或不預習,上課積極性較差,很難記住教師“苦口婆心”講的內容,所以部分學生不可能在頭腦里形成完整的分析流程和實驗思路,未能收到令人滿意的教學效果。而在利用壓片法繪制苯甲酸的紅外光譜實驗課程中,根據實驗的特點,利用理論課、實驗課前、課中和課后等多方面的交叉實踐,指引學生將紅外吸收光譜的理論知識體系熟練地應用在實驗過程和結果的分析報告中,此外,利用網絡課程平臺,積極地與學生互動,調動學生的學習熱情,取得較好的效果,這是由于一方面學生有機會親自動手操作紅外樣品制備中的壓片機和傅立葉變換紅外光譜儀,所以同學們幾乎個個都熱情高漲。另一方面同學們用親手壓的苯甲酸薄片,掃描得出相應的圖譜,再根據圖譜情況判斷壓制的片子是否最佳。整個過程都由學生獨立完成,既培養動手操作能力,也培養了獨立思考和信息處理的能力。
利用壓片法掃描苯甲酸的紅外吸收光譜圖是本學院《儀器分析》實驗課程中實踐性和特征性最強的一次代表性的實驗課程,并作為我院“食品與質量安全教育部示范中心”網絡課程展示的甄選課程,雖取得了一定的優良效果,但還是有不足之處:①紅外光譜樣品的制備包括多種手段,除了壓片法外還有液膜法、薄膜法等,由于時間和空間有限,不能集中設計實驗環節;②亦作為整個《儀器分析》課程的薄弱環節,相應的大型儀器分析設備和實驗室教師太少,遠不能滿足日益增長的本科生數量對本課程的教學要求??傊?,《儀器分析》作為實踐性非常強的一門專業平臺基礎課,對于提高學生的理論聯系實際的能力、動手能力均有重要的促進作用,相比較枯燥的理論知識而言,如何科學和合理設計實驗教學的內容和流程,將對提高這門課程的易懂性和學生的學習興趣起到至關重要的作用。苯甲酸的紅外光譜實驗利用苯甲酸這一物質結構簡單、容易辨析、重復性好的特點,是使學生熟練掌握固體樣品的紅外光譜樣品制備方法的良好對象,本課程也著重發揮了“網絡課程”的優勢,上傳數據不僅使實驗結果得到非常好的反饋,也提高了學生們主動學習的積極性和創造力,對于緩解目前《儀器分析》課程中大型分析儀器匱乏以及師資資源的不足亦有著重要的支持作用。在培養面向21世紀人才的過程中,不僅要培養學生系統的理論基礎和實驗技能,更重要的是培養學生分析問題、解決問題的能力、創新精神、求職欲望和團隊合作精神。[3]應當引導學生從學科交叉中得到創新的啟發,學習從龐雜的知識體系中提煉出最有價值信息的能力,使他們能從不同的儀器分析方法中歸納出共性和個性,學會舉一反三、觸類旁通。
參考文獻:
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二、雙語教師隊伍的培養
在高等教育面向二十一世紀的改革中,素質培養和能力培養受到了空前的重視。對非英語專業的學生而言,英語水平不僅是文化素質的重要組成部分,也是能力的補充和延伸。在此背景下,開設雙語教學、拓展專業外語的實際應用成為許多高校的教學改革方向。雙語教學對教師的專業知識背景、英語水平都有較高的要求,它要求教師在教學時要使用雙語向學生傳授知識,這對教師來說是一種新的挑戰。我校一直非常重視雙語教學的開設和雙語教師的培養。遼寧省教育廳先后安排東北大學和大連理工大學舉辦雙語教學培訓班,我校積極安排雙語教學教師的進修。
三、雙語教學的定位與開展
二本院校培養的是具有扎實的專業課基礎與較高操作技能的應用型人才。對于環境專業的學生而言,其必須看得懂現代分析儀器操作說明,能夠獨立進行產品中有毒有害物質的檢測,?_展環境質量的監測,從而更好地為地方經濟建設服務。因此,高校應在課堂中引入專門性英語,實施雙語教學。由于我院優創班學生比普通班學生英語基礎好、學風好,學生學習主動性較高,我院率先在優創班開展儀器分析的雙語教學。但畢竟我校是二本院校,在學生層次上還是有別于一本院校和重點院校的,因此在雙語教學中不能盲目追逐過高的目標,要將雙語教學落到實處,準確定位,保證既定目標的實現。在儀器分析課程雙語教學中,教師應根據學生的學習實際情況,靈活有效地選擇教學模式,使教學效果最大化。
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儀器分析涉及的學科較多,知識面很廣,實踐性很強,課時又有限。再加上實驗儀器設備不足等原因,在學習過程中,學生很容易造成理論和實踐想脫節的窘境。因此,要拜托這種困境,我們將多媒體技術引入課堂,利用生動的畫面來展示儀器設備的構成和運行原理,學生可很容易理解枯燥的概念和抽象的設備原理。
三、借助科研活動,促進課堂教學
要使課堂有活力,有感召力,有深度,教師不僅要滲透一些學科信息,還要將的自己的科研成果融入課堂。比如,作者利用化學發光儀開展了光生物傳感器的研究,江虹老師利用紫外分光光度計開展了很多光譜的研究工作,張樹瓊老師用液相色譜開展了環境、生物和藥物的研究工作,楊季冬老師用熒光儀開展了共振銳利散射的探索研究,劉艷老師利用電化學工作站開展了許多電化學傳感研究工作,研究成績顯著。因為我們有科研,在課堂上才講得更生動,更具體,更自信。此外,我們還鼓勵學生跟老師或者自己申報學生課題做相關的科學研究,親身感受各種大型儀器的使用,為其后期的畢業論文打好基礎。然而,我們要注意科研成果的引入要恰如其分,不能太多,不能太深奧,否則,學生難于理解,脫離了教學的初衷。
四、強化綜合設計,增強學生創新能力
我校在人才創新能力的培養上出臺了諸多措施,如鼓勵學生提早介入教師的科研項目研究,積極參加國家舉行的大學生“挑戰杯”,參加市級和校級各類型的大學生創新創業大賽以及申請校內的學生科研項目。實踐證明,這些舉措能夠很好的鍛煉學生的創新能力。然而,由于教師數量、教師科研項目、學校學生課題項目以及各級學科競賽的有限性,不能保證所有的學生都能有機會參與這些項目,最終只能使一部分同學得到了訓練,而大部分同學沒有機會參與創新項目研究。為克服這一難題,本教學團隊提出了在儀器分析實驗中強化綜合設計型實驗的開設,使學生在正常的課堂教學中得到創新能力的鍛煉。隨著社會的發展,對學生綜合素質要求越來越高,所以在新的人才培養方案中,大大削減了專業課課堂教學的學時數,然而又要求學生的培養規格和培養質量不能降低。為此,我們提出在儀器分析實驗教學過程中提出“一體化”教學。所謂的一體化即將儀器分析所涉及到各類儀器分析方法的基本原理、儀器的基本操作和基本應用都考慮進來,設計一個大綜合的實驗,要含蓋光譜分析、電化學分析、色譜分析、波譜分析及其他的表征手段(如電鏡、能譜等)。以前學生做分析化學實驗是按照實驗項目來做的,比如光譜分析主要做分光光度法對混合物中鉻、錳含量的同時測定、熒光法測定維生素B2片劑中核黃素含量、苯甲酸紅外吸收光譜的測繪-KBr晶體壓片法制樣、流動注射-化學發光分析法測定維生素B1和火焰原子吸收光譜法測定水中鈣、鎂的含量,電化學分析中主要做溶液中pH的滴定、離子選擇性電極F-離子的測定,在色譜分析中主要做高效液相色譜法測定碳酸飲料中的苯甲酸、氣相色譜法測定乙醇中乙酸乙酯的含量等。這些實驗項目雖然設計合理,但是學生是在不同的時間分別完成這些實驗項目的,出現做完了把實驗報告寫好了交給實驗老師,沒有統籌考慮這些實驗項目之間的聯用,不能能夠全盤解決實際問題。比如,拿到一個納米材料要學生來表征,它不知道要表征哪些項目,所以導致學生思維的不夠開闊,能力得不到提高?;诖耍覀兘虒W團隊通過設計一個課程大綜合的實驗來把儀器分析實驗的絕大多數類型的分析方法連接起來,學生完成了這個實驗以后能夠把絕大多數分析方法都利用到。比如,聚丙烯酸修飾納米二氧化鈰的制備及其催化H2O2降解環境水樣中的羅丹明B。通過這個實驗學生首先要學會納米粒子的合成方法、納米粒子的表征方法、羅丹明B降解前后的測定方法。在納米粒子的合成過程中學生要涉及到溶液的配制、合成過程中儀器設備的選擇、合成參數的優化、合成納米粒子的后期表征(用紅外光譜、透射電鏡、X-光電子能譜、ICP原子發射、熱重分析法等)等,在納米粒子催化H2O2降解羅丹明B的過程中,學生要涉及到降解酸堿環境的選擇(pH計)、催化劑和氧化劑用量的選擇、催化產物量的確定(用紫外可見分光光度法、熒光分光光度法和化學發光法等)和種類的確定(紫外可見分光光度法、熒光分光光度法、液相色譜-質譜聯用法、元素分析法等)。通過這一綜合性實驗的訓練學生基本上可以將儀器的所有方法聯系起來,達到融會貫通的效果,對提高創新能力具有極大的幫助。
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中圖分類號:G642.0 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2013)35-0085-02
測控技術與儀器專業是由教育部在1998年把計量儀器、光學儀器、計時儀器、分析儀器、熱工儀表、航空儀表、電子測量儀器等11個儀器儀表類的專業合并而成的,發展至今已成為一門實用性非常強的學科。[1]它專業口徑寬,涉及知識面廣,整合了多個專業方向的知識,主要包含了電子、機械、計算機等方面。測控技術與儀器專業綜合課程設計是西安交通大學測控專業大學四年級必修的一門專業課程,旨在提高學生綜合應用所學專業基礎理論,獨立設計、構建、調試儀器與檢測系統的能力,強化對儀器與檢測系統工程的感性認識,培養學生在系統分析、設計、開發與研究等方面的基本能力。[2]
一、綜合課程設計實訓方案
測控專業綜合課程設計被安排在大四的第一學期,是在所有必修課程和絕大多數選修課程學習完成后開設的,是對“模擬電子技術基礎”、“數字電子技術基礎”、“傳感器原理及應用”、“電路分析”、“智能儀器”和“數字信號處理”等課程知識的進一步理解、鞏固、加深和應用。
測控專業綜合課程設計共64學時,其中上課16學時,實驗48學時。上課部分是由老師各用2學時把各自的研究方向、在研課題以及相關理論向學生進行介紹和講解,學生再結合自己的興趣、能力選擇課程設計的指導教師,教師以此為據分配課程設計的題目,提出具體要求,學生獨立完成課程設計。指導教師和學生之間是雙向選擇,調動了學生自主學習的積極性。
綜合課程設計是實踐教學環節中除畢業設計的一次較大型實踐訓練,從元器件的選型到系統的構建以及放大、調理電路的選擇與搭建、數據的采集及調試、接口程序的編制等全由學生自己去完成,而教師只起引導作用。這樣,學生在完成實驗后,不僅在系統設計能力、硬件選擇能力和系統構建能力等方面大大增強和提高外,自信心和成就感也得到極大加強。[3]學生第一次遇到這種綜合性強、設計的靈活性也較大的實踐項目,要在48學時內完成是有一定難度的。首先對實驗室實行了開放式管理,學生可根據自己情況自主選擇實驗時間。其次,為了引導學生盡快進入課題,將設計目標細化,分為幾個小目標,學生可根據自己的實際情況一步一步完成,最后進行綜合。本文以選題之一的“智能電子秤”的設計為例,介紹其實施的具體方案。
1.“智能電子秤”設計目標
“智能電子秤”的設計這個項目雖然功能簡單,但涉及了從傳感器電路、信號處理電路到顯示電路的整個測量系統組建的相關知識。通過該項目使學生掌握智能儀器設計的總體思路和方法,將所學的基礎知識進行綜合應用,理論和實踐相結合,培養學生的發現問題、分析問題和解決問題的能力?!爸悄茈娮映印钡脑O計目標:量程0~6.0kg,準確度1%,分辨力5g,輸出方式為4位LED顯示,并具有量程變換和超重報警功能。
2.總體方案設計
根據設計目標,學生在查閱大量相關資料的基礎上,采用模塊化的總體設計方案。把“智能電子秤”的總目標分解為5個內容相對單一的小目標,包括了軟硬件兩大部分:查閱相關資料,確定智能電子秤總體方案;搭建活塞壓力計YS–6、壓阻式傳感器及供電電路組成的傳感器電路;使用protel對單片機C8051f020構成的信號處理及數碼管顯示電路進行硬件設計;使用C語言進行程序設計,并使用keil c51仿真;對電子秤進行系統性能測試。智能電子秤組成框圖如圖1所示。
測量系統的組建這部分內容是已經學習過的“電氣測量技術“課程的核心內容,學生通過自主設計,結合相關的理論知識,就可以很好地完成這部分設計。通過實踐驗證了相關的理論知識,可以激發學生進行探索的積極性。
3.“智能電子秤”硬件電路的設計
由圖1可知,智能電子秤由壓力傳感器、信號調理電路、具有AD轉換功能的單片機和顯示等4個部分組成。
(1)壓力傳感器電路:選擇的是實驗室現有的由活塞式壓力計YS–6、壓阻式傳感器及供電電路組成,其中壓力計和傳感器是集成到一起的,可直接使用。
(2)調理電路:包括差動全橋、放大電路和濾波電路三部分組成。與壓阻式壓力傳感器相配的調理電路采用恒流源供電的差動全橋,其中供電電流為14mA。單片機的AD轉換基準電壓是2.403V,而壓阻式傳感器的輸出信號為–5~55mV,這就需要對傳感器的輸出信號進行放大處理。根據計算可得放大器的放大倍數為25左右比較合適。傳感器的輸出阻抗很高,要求放大電路須有更高的輸入阻抗,不從傳感器輸出端吸收電流,以免破壞傳感器的工作狀態。學生選擇的AD620儀用放大器特點為:差動輸入,單端輸出,電壓增益連續可調,并有效地解決了后級負載對地連接的問題。另外在AD620的輸入與地、輸出與地之間都接了10 F的濾波電容,增強抗干擾能力。
(3)AD轉換電路:電子秤設計要求的分辨力為5g,量程為0~6.0kg,即可算出需要12位的AD轉換,所以選擇單片機C8051f020的12位AD來完成。
(4)顯示電路:將單片機分析處理的數據顯示出來,利用集成的四位共陽極數碼管顯示。數碼管的位選是單片機的P0.0–P0.3端口,段選是單片機的P0.0–P0.7端口,采用的是動態顯示。
學生最終完成的電子秤的硬件電路圖如圖2所示。
4.“智能電子秤”軟件部分設計
智能電子稱是采用Keil C51單片機軟件開發系統進行程序編寫,實現電壓信號采集、12位AD轉換、數據處理及四位數碼管顯示等功能。同時也在程序中加進了兩個智能化功能:超重顯示和量程變換。程序的流程圖如圖3所示。
二、電子秤的靜態性能評價
這一部分內容對測控專業的學生來說是很重要的,它有助于學生判定所設計的儀器能否達到系統設計要求。通過分析可得,用于靜態稱重的電子秤主要誤差來源有:壓力傳感器、傳感器輸出信號的處理系統(包括前置放大器、A/D轉換器和機械承重系統等)。其中機械承重系統的誤差、電源波動引入的誤差以及稱重傳感器與測量線路引線帶來的等不易定量計算誤差可通過合理的設計、安裝來削弱,并在誤差分配時給予一定的冗余量來保證。[4]該電子秤的系統的量程為6.0kg,在滿量程范圍內標定點數l=7,正反行程循環次數n=4,標準砝碼提供的標準值,總計標定值的個數N=56,如表1所示。xj表示標準重量,mj表示顯示的重量,單位均為kg。
最后通過計算可得該電子秤的各靜態性能指標:擬合直線方程:采用最小二乘法得擬合直線方程,,
可得測量系統零點為;獨立線性度:=0.15%;滯后:=0.30%;重復性:取置信因子K=3,置信度為99.73%時的重復性=0.27%;準確度:在傳感器或含有傳感器的測量系統中,通常用精度A來表征準確度,它由線性度、遲滯、與重復性之和得出,即A=++=0.15%+0.30%+0.27%=0.72%;最大引用誤差=0.33%。由此可確定,智能電子秤滿足設計要求,其準確度是0.72%,可評定為Ⅳ級。
通過對“智能電子秤”的設計和制作,學生把學到的課本知識和實踐相結合,對所遇到的困難能夠積極解決,比如在發現測量誤差比較大時,找原因,了解誤差的來源。這一切都表明學生能夠自主學習,而不是等著老師來解決問題。學生一旦能自己找到問題并解決,就會提升自信心,激發了學習的積極性?!爸悄茈娮映印彪m然是一套由傳感器和單片機構成的簡單智能儀器,但也充分體現了智能儀器的普遍設計思路和方法,為以后復雜智能儀器的開發打下了基礎。
三、結論
測控技術與儀器專業綜合課程設計已開出了5屆,實踐表明該課程的開設是較為成功的,有效培養了學生的實踐能力和工程意識,提升了學生的專業認同度和學習積極性。學生根據自己的興趣和能力選擇課程設計的題目,更能激發自主學習的積極性,有助于學生有效地掌握所學知識,縮短從理論知識到實際應用的過程,使學生得到了一次完整的系統性的工程實戰訓練,大大加強了對理論知識的融會貫通和對實踐動手能力的鍛煉,為后續的畢業設計以及為將來走入科研工作崗位打下了一定的基礎。
參考文獻:
[1] 朱維斌,趙軍,陸藝.測控技術與儀器專業傳感器系列課程設計實驗環節探討[J].中國現代教育裝備,2010,(21):118-119.
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儀器分析實驗是以實驗操作為主的實踐課程,是研究物質組成、狀態和結構的分析測試方法,是化工、環境、海洋技術、食品工程、生物工程、制藥工程等專業基礎實驗課程,也是其他學科獲取化學信息的科學研究手段[1]。學生通過實驗課程的學習,可以了解各種儀器的結構,掌握儀器基本操作和進一步理解儀器原理、消化理論知識,從而培養學生實驗技能,提高學生觀察問題、分析問題和解決問題的能力[2、3]。如何適應儀器分析學科發展的需要,優化儀器分析實驗教學體系,加強教學效果,培養學生的實踐能力和創新能力,已成為任課教師面臨的重要課題。
1 儀器分析實驗教學現狀及存在的問題
1.1 儀器配置落后,數量不足
隨著科學技術的發展和時代的進步,分析儀器的應用越來越廣泛,儀器更新換代也越來越快,這就需要實驗室及時更新儀器設備,以保證實驗教學質量。實驗教學中所用得到大型分析儀器較為昂貴,不易維護,數量有限,再加上本科生擴招,每年人數逐年增加,學生實驗課時有限,動手機會少,這意味著實驗室需要加大儀器設備的投入,并增加儀器設備的數量,才能滿足儀器分析課程的需要。
1.2 學生對預習不夠重視
儀器分析課程是一門實踐性很強的技術基礎課,其理論性強,涉及面廣,內容比較抽象,學生學起來難以理解和記憶。由于實驗中所用的大型精密儀器價格昂貴,結構復雜,注意事項較多,操作有難度,如果不重視實驗的預習,到實驗室后會感到手足無措。可見,實驗預習是否充分對學生是否能成功完成實驗操作起著十分關鍵的作用,但這一環節很容易被學生忽視。
1.3 教學內容設計不合理
目前,儀器分析實驗教學內容上存在理論驗證型實驗較多。而驗證型實驗往往是將實驗目的、原理和步驟做詳細敘述,學生做實驗時按照實驗步驟機械地操作一遍,學生思維受到限制,思路得不到擴展,創新能力得不到鍛煉。隨著儀器分析領域的快速發展,實驗教學中一部分實驗內容過于老套,已經不適應社會發展的要求了。
1.4 實驗考核體系不完善
由于儀器分析實驗成績考核指標單一,過分注重實驗報告,強調實驗結果的準確性,導致學生注重理論輕實驗,課前不做預習準備,上實驗課時不認真操作或只是為了獲得分數而應付了事,實驗報告存在嚴重抄襲的現象,這樣不能調動學生的積極性和主動性。針對此種情況,應改革考核形式,培養以能力為目標,注重實驗過程,將考核工作貫穿于整個實驗過程中,全面評定成績。
2 教學體系改革探究
2.1 優化實驗內容
作為學科教學的重要組成部分,實驗教學不能單純滿足于驗證相關理論的單純驗證型實驗教學的現狀。教師在更新實驗內容方面要貼近生活,應在精選實驗教材的基礎上,結合學校實際情況,編寫自己的教材,做到實驗課與理論課相結合,再根據儀器設備及社會對人才的需求,對實驗內容重組整合,精選驗證型實驗,開設綜合型實驗,增加設計型實驗,形成教學要求與層次逐級遞增的實驗教學體系,突出創新能力和實踐能力的培養。
2.2 充分利用多媒體教學設備
隨著教育體制及教學改革的不斷深入發展,僅僅只靠傳統的教學模式及教學手段,已遠遠不能適應教育快速發展的需要。在課堂教學的多樣化、趣味化的過程中,多媒體與常規教學方法相結合,可有效地提高實驗教學質量。利用多媒體制作文字、圖形、動畫、聲音及視頻等內容豐富的電子教案,并應用于教學實踐,使學生對儀器有感性認識,可充分吸引學生的眼球,使原來難以理解的儀器結構、原理變得較好理解,原來看不到摸不著的儀器變為可看的,可進一步加深理解。如對電位分析法中的離子選擇性電極測定的原理,如果教師采用多媒體教學,就能很好地說明電極浸泡后由于玻璃層變為水化層,膜電位與溶液中被測離子的關系,從而得出其電位與被測離子的關系。如果沒有采用多媒體教學,學生便很難理解。
2.3 開放實驗室
如果在實驗室沒有實驗課時開放實驗室,學生可以按照自己的興趣和知識儲備,結合實驗條件,利用課余時間選做一些教學內容以外題材的實驗,如“奶制品中微量元素銅和鋅的測定”,“室內環境空氣檢測”等。學生通過查閱相關資料,寫出實驗目的、實驗原理、實驗儀器和試劑材料、實驗過程、實驗注意事項等,制定出實驗方案,經過實驗教師指導后由學生獨立完成實驗。這樣學生在找到自己對胃口的課題后,對實驗的積極性更高,也更主動參與其中。這樣的自主實踐不但能鍛煉學生的實驗操作能力,讓學生在實踐的過程中鞏固理論知識,而且能增加學生對實驗的激情,激發學生的學習興趣和求知欲,培養學生的動手能力和創造思維能力。
2.4 構建更加科學的實驗考核體系
考核是對教師的教學效果和學生的學習效果的檢驗,科學評價實驗教學效果和學生學習效果是十分必要的。實驗成績的綜合考評應包括平時的出勤,實驗預習報告,實驗操作,實驗報告和期末的技能考核和試卷考核,把分值分解到各個環節當中。將實驗預習納入考核體系的目的是讓學生重視實驗預習,因為預習是學生自主學習的體現,同時預習能夠培養學生發現問題,分析問題和解決問題的能力。只有重視實驗操作才能使學生掌握規范化的操作技能。期末技能考核可從平時所做的幾個實驗中由學生隨機抽取實驗項目,在不看實驗指導的情況下并在規定的時間內完成。技能考核應重視實驗操作的規范性、熟練程度和實驗結果的準確性。試卷考核應重視實驗原理、過程、分析條件的選擇及注意事項。
3 結語
為提高儀器分析實驗教學質量、深化和鞏固理論知識,調動學生學習的自覺性和積極性,培養學生從事科學研究的能力,造就跨世紀人才,不僅需要學校層面加大資金投入,還需要改革實驗室的管理模式,同時也需要從教學上不斷下功夫。
參考文獻
篇11
隨著工業化進程的加快,環境污染已經由點源污染轉向面源污染,由單一的環境介質轉移到大氣、水體、土壤以及生物體等多介質,發生了不少震驚世界的污染事件,如舉世聞名的“公害”事件。20世紀80、90年代,又發生了一些突發性的嚴重公害事件,如印度博帕爾農藥事件和前蘇聯切爾諾貝利核電站泄漏事件等[1]。這些事件無疑給人類的生產生活帶來了巨大影響。隱藏在這些事件背后的環境問題直接或間接的與化學物質有關。究竟哪些是污染物質、有毒物質?這些物質從何而來?其進入環境之后會發生什么變化?可靠的儀器分析技術能為上述系列問題的正確解答提供依據,也能為環境標準的制定和科學研究、環境管理提供技術支持。
1 課程開設的必要性
在現代分析化學和分析儀器及其功能不斷完善、高靈敏度的新型分析儀器不斷涌現的今天,伴隨著全球環境問題、污染事件頻發,大型分析儀器在污染源解析、污染擴散途徑追蹤、污染與健康關系以及在環境污染治理效率評價、工藝技術路線改進等多領域發揮著越來越重要的作用,先進高效的化學、生物分析手段已成為環境分析科學的重要工具。這些技術手段涵蓋了微量和痕量污染物的識別、污染物形態、價態、結構分析(表面和微區)分析。因此,培養具備先進儀器分析能力是環境教育領域人才培養的重要環節。
同濟大學環境科學與工程學院承擔著國家、省部級重點科研攻關項目,作為科研一線主力群體的研究生都將在導師的指導下,獨立完成某個研究方向上的論文實驗研究。為了使學生能夠順利開展論文研究并提升論文質量,掌握分析方法的基本原理和應用技能十分重要,這也是在研究生學習階段開設環境儀器分析課程的重要原因。
2 課程建設的特點
“環境儀器分析”是同濟大學環境類專業研究生專業學位課程,始于1999年。伴隨著環境科學研究的需求,經過十多年課程內容和形式的與時俱進,2011年成為同濟大學首批研究生精品課程。本課程重點介紹如何運用現代儀器分析和樣品預處理的理論與技術來鑒別和測定環境介質中化學物質的種類、含量、結構和狀態。通過本課程的學習,可以使學生依據待測環境樣品中各組分的物理、化學性質的不同,選擇合適的儀器分析方法進行目標物的分離與富集,建立起準確的“定性”及“定量”的概念,并掌握與此相關的基本理論、測定原理及實驗技術,為后繼的論文科研和質量提升打好基礎。另一方面,研究生在學習本課程后,可以增強對近代儀器分析的發展趨勢以及新方法、新技術的理解,掌握環境分析方法和技術的研發技能。
2.1 組建教學團隊,豐富教學資源
該課程教學團隊有教師7人,其中教授3人,副教授等年青教師4人,其中實驗教師2人。教師學歷、年齡及學緣結構合理、教學任務分工明確,理論教學與實驗教學人員配備合理,為理論教學和實驗教學的順利開展奠定了堅實的基礎。各位任課教師的研究領域各具特色,兼顧環境領域多學科融合,因此,在教學中能夠突出重點。
污染控制與資源化研究國家重點實驗室擁有各種光譜類、色譜類和生物類大型儀器,如GC/MS、HPLC/MS、ICP/MS和實時熒光定量PCR等,并且擁有網絡平臺,可以為學生提供相關課件以及實驗室儀器的操作、維護及實驗講解錄像。實驗教學課程由骨干教師承擔,開設有光譜實驗、色譜實驗和生物實驗,可以滿足教學需求。由研究生可依據今后論文研究方向選擇實驗內容,共享國家重點實驗室的各類分析儀器的豐富資源,實現了學有所用,學有專用。該課程深受學生歡迎,成為論文實驗研究的“預備”課,學生們受益匪淺。
2.2 理論應用相結合
依托同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室的豐富資源,該課程的教學按理論授課和實踐相結合的方式進行,更注重分析儀器的基本原理、操作使用要點以及在環境科學研究、環境監測等領域的應用價值。
在學習掌握了相關儀器分析理論后,學生有機會面對分析儀器,訓練操作技能,旨在培養學生掌握儀器基本操作技術和基本實驗技能。通過實踐課程的開展,讓同學親身體驗各種分析儀器的功能,以理論指導實踐,彰顯理論的重要性。動手實踐,也能充分調動學生學習基礎專業知識的積極性,讓學生更有目的地進行理論學習[2~3]。這樣的教學方法,不但減少了學生在學習基礎知識時的盲目感,也大大提高了學習的主動性,對學生的動手能力也是很好的培養。
2.3 尊重自主,注重實效
鑒于學生興趣點的不同以及論文研究的需要,該實驗課程分光譜、色譜和生物分析技術三個模塊供學生自主選擇。這在一定程度下,實現了小班教學,使得每個學生都能接觸操作自己迫切需要使用的儀器。另一方面,尊重學生自主性,有利于學生的學習興趣培養。在大方向區分的基礎上,又進行了小組模式,使得每位同學參與到其中,并且可以互相討論,共享不同途徑捕獲的信息。
通過本課程的學習,使研究生對儀器分析這一領域有較全面的了解,基本掌握儀器分析的各類方法,初步具備根據分析對象選擇合適的分析方法及理解相應問題的能力,從而順利開展科學研究。據研究生反饋,該課程強化了學生的理論基礎知識,提高了學生自主分析設計實驗的能力,并且減少了研究生論文研究中實驗方面的問題。
2.4 撰寫教材重實用
隨著計算機技術的飛速發展,分析儀器的面貌日新月異,儀器的更新周期越來越短,但是目前教材內容的更新遠遠落后于新型儀器的更新速度[4]。為了把最先進的內容和教學科研的需求和特色相結合,我們在自編實驗講義的基礎上,撰寫并于2008年由科學出版社出版了《現代環境分析技術》,并于2013年6月更新出版了《現代環境分析技術》(第2版)。環境分析涉及的分析儀器種類多,面對的環境樣品也十分繁多和復雜。因此,該教材根據我國環境領域的實際需求和應用現狀,重點圍繞環境領域應用范圍廣、理論與技術相對成熟的方法,具體包括四個方面的內容:(1)環境樣品分析中常用大型分析儀器的基本原理及其應用;(2)環境樣品預處理技術的基本原理及其應用,如高效富集、分離方法等;(3)多種儀器和方法的聯合技術;(4)環境分析技術的發展,包括新理論、新方法和連續自動化技術等。教材編寫過程中注重先進方法的理論性與應用性相結合,科學性、適用性強,更貼近學生的實際需求。
2.5 學習考核多方位
考核是對教師的教學效果和學生的學習效果的檢驗,而考核方式也起著引導學生改變學習方式的作用,科學的考核方式會推動學生的學習向最佳方向發展[5]。本課程的期終考核成績由平時參與和期末考試兩部分組成。平常參與通過學生課堂表現(隨堂考試、課堂提問)或實驗情況(實驗操作、實驗數據處理等)等各方面綜合評定。針對目前大學課程知識容量大,容易出現滿堂灌,老師又很難及時、準確了解每一個學生對當堂課所授知識點的掌握情況的現狀,我們在隨堂考試中引入了同濟大學自主研發的“智能交互反饋系統”。該系統可以在課堂上即時了解學生對知識點掌握程度,以減輕學生在學期末的考試壓力。期末考試包括基礎理論知識考試和實驗部分考試?;A理論知識考試旨在考查學生對儀器分析基礎理論知識的掌握情況;實驗部分考試重在考查學生掌握儀器操作的能力。這種多元化的考評體系,更加注重評價學生主動參與的過程、善于思考的能力,可以科學合理、全面公正地反映學生課程學習的真實水平。
3 結語
針對環境類專業研究生開設的“環境儀器分析”課程,為碩士研究生論文質量的提升打下了堅實的基礎。“師資隊伍多元化,教學模式多樣化”是課程教學質量提升的根本保證,充分挖掘和利用高校大型儀器實驗平臺,為教學服務,是不斷提高教學質量的重要舉措。
參考文獻
[1] 陳玲,郜洪文.現代環境分析技術[M].2版.科學出版社,2013.
[2] 白雁,潘瑾,李永強,等.研究生現代分析儀器課程教學改革的探索[J].實驗技術與管理,2011,28(9):22-24.
篇12
針對《儀器分析》課程教學現狀及存在的弊端, 在不斷總結歸納實際教學活動過程中體會的基礎上,本文通過近幾年的實踐從理論教學、實驗教學內容和形式以及師資隊伍的管理三個方面對《儀器分析》課程教學方法進行探討和總結。
一、理論課程教學方法的探索
(一)《儀器分析》課程的多層次教學
儀器分析是根據物質的光、電、聲、磁、熱等物理和物理化學特性對物質的組成、結構、信息進行表征和測量的分析方法,是學生必須掌握的現代分析技術。由于農業院校各專業的化學基礎以及學生專業的需求不同,我們將學生分為非化學類專業本科生、化學類本科生(如應用化學專業)和研究生三個層次,對各層次教學大綱、學時數進行了相應的修訂,例如,對于非化學類本科生,課時數為40學時,其中包括10學時實驗。而化學類專業的本科生學時數為80學時,包括40學時實驗。取得了較好的教學效果。
(二) 針對不同專業調整教學重點
對于大多數的非化學專業的本科生來說,不同專業對《儀器分析》課程的要求不同,這是為大家所共識的。因此,以往的做法往往是根據不同專業的特點砍掉一部分內容,重點講一部分內容。但我們認為學生將來就業情況具有不確定性,因此,應該在教學內容上統一完整,在此基礎上可針對各專業的需求重點講解。如植保專業可重點講解農藥殘留的測定;環境保護專業可重點講解重金屬、有機污染物等的測定。經過幾年的教學觀察和學生的反饋,得到了學生和用人單位的認可和好評。
(三)加強多媒體教學及“微課”的建設
多媒體計算機輔助儀器分析教學已是現代教育的一個重要組成部分。在儀器分析教學中采用聲、形、景結合的動態多媒體教學方式,恰當地運用多媒體技術能將一些較為抽象的、枯燥的內容轉化為形象的、生動的、富有藝術感染力的內容,優化了課堂教學結構,增加了課容量,克服了傳統教學中可視化差的缺點,圖文并茂動畫、聲音等都會加速學生的感性認識, 激發學生的學習熱情,調動了學生多感官參與學習,更符合學生學習的認知規律。網絡技術的飛速發展和移動終端設備的日益普及,使信息的傳播速度更加快捷,一種新的教學模式――微課正逐漸在教育領域興起。它是指按照課程標準及教學實踐要求,以教學視頻為載體,圍繞某一個知識點或教學環節進行教學設計而開展的教學活動 。微課主要特征表現為“主題突出,指向明確,短小精悍,使用方便,易于擴充”。它能滿足學生的個性化學習需求,不但能幫助學生查缺補漏、強化鞏固知識,而且能讓學生隨時隨地進行學習,是傳統課堂學習的一種重要補充和拓展資源。儀器分析作為一門專業基礎課程,它覆蓋面廣,具有豐富的實驗方法、手段。而微課這種 教學模式的特點恰好能夠解決大學物理實驗教學中存在的各種詬病,因此在大學物理實驗教學中引 入微課這種教學模式十分必要。
多媒體教學的優勢是有目共睹的,但是隨著多媒體教學的深入,目前的多媒體教學不僅包括課件的建設,而且包括網絡教學。因此,就多媒體教學,我們認為重點主要集中在兩點上。一是多媒體課件和網絡課程的建設,制作一個質量上乘,適合學生使用的課件不僅需要制作人員有著深厚的專業知識,而且需要有高超的電腦制作技巧。這不同于以往的簡單的幻燈片制作,因此,就需要儀器分析教師與電腦專業人員相互協作完成。通過網絡課程的建設,在提升儀器分析課程的內在價值的同時,也能使現代教學手段在拓展教學模式,激發興趣、開闊視野等方面發揮作用,這也是未來課程建設的發展方向。二是多媒體技術與傳統教學方法相結合。教師不能過于依賴電子教案內容,忽視與學生之間的交流。這樣容易造成學生機械的聽課,不能主動思考。多媒體課件文字敘述盡量少而精,以便于學生記筆記,盡量多的采用各種表達方式,這樣使課堂氣氛更加活躍,符合現在學生的心理狀態,增強對學生的吸引力。在發揮現代教學的長處時,應注意發揮傳統教學的優勢,對一些疑點、難點、重點問題應適當以提問、討論等方式加以詳盡闡述。
二、實驗教學方法的探索
篇13
一、《現代儀器分析》課程傳統教學方式中存在的問題
《現代儀器分析》課程是大多數農、林、水高校及許多綜合性大學,如清華大學、北京大學、浙江大學等學校資源、環境、食品等專業的必修課程。這一課程的特點是實踐性和技術性很強,涉及到許多光學、電學、量子力學、物理化學、高等數學、化學等基礎學科的知識,伴隨著大量物理現象,物質微觀作用等內容,綜合性也很強[2]。
在多媒體技術大量應用于教育領域之前,《現代儀器分析》的教學方式是教師嚴格按照教學大綱要求和教材內容,在封閉式課堂里進行理論課的教學,講述儀器結構、工作原理、儀器方法適用的范圍、樣品預處理方法、進行操作時需要注意的問題等,黑板板書文字及相關公式的推導計算,布置作業,學生抄寫知識點,完成作業,復習背誦應對考試。這種教學方式的缺陷在于知識的傳輸是被動式的,對一些原理方法只能靠抽象的想象來理解,如色譜柱中物質分離的原理、全譜直讀等離子體發射光譜儀工作原理、交流電弧放電原理等。大多復雜內容沒有辦法在黑板上用手繪出,枯燥地講述、憑空地想象扼殺了學生學習的積極性。在實踐課程中,為了能讓學生更好地理解儀器分析的基本原理和儀器結構,以及培養學生的儀器操作能力,學校需要提供大量這類精密儀器,如氣相色譜儀、液相色譜儀、原子吸收分光光度計、質譜儀等,這是絕大多數院校辦不到的,所以有限數量的儀器不能滿足所有學生親自動手的要求。另外,這類儀器價格一般較高,使用需要配套設施和專業的管理人員在使用前進行調校和設定操作條件,比如,高效液相色譜儀在使用前要有專業的管理人員進行色譜柱的清潔,根據方法需要在相應軟件中設定流動相比例、流速、溫度等,學生要做的只是用進樣器進樣,大多數學生連進樣的機會都沒有,只能遠觀老師演示,直接影響了教學的效果。
二、多媒體技術和網絡資源在《現代儀器分析》課程教學中的作用
在教育領域,多媒體信息技術在教學過程中獲得了普遍應用,信息技術與學科課程的整合,實現了教學內容的形象化、多樣化和視覺化。在《現代儀器分析》課程中,將分子的振動方式、單活塞往復泵的結構和工作原理、電噴霧電離原理、全譜直讀等離子體發射光譜儀工作原理、交流電弧放電原理等內容制作成Flas,直觀展示在學生面前;利用計算機模擬儀器分析試驗,可以節省試劑,避免環境污染;利用計算機進行數據處理等內容做成多媒體課件,通過穿插播放講解,具有很強的視覺和聽覺沖擊效果,顛覆了傳統教學刻板抽象模式,激發學生的學習興趣,克服了不能親手操作的遺憾。
制作多媒體課件前教師需要針對開設這門課程專業的特點對教學內容進行精心選擇,比如,我院食品科學與工程專業領域中進行食品營養物質及有害物質檢測方面,用到電化學分析方法很少,所以,在教學內容中刪除這一部分;確定教學內容之后,要結合學科特點恰當利用多媒體的圖、文、聲特性[3],將要講述的每一章儀器分析方法的重點做成Powerpoint電子幻燈片及三維動畫,把需要的其他視頻材料儲存到相應目錄下,隨時調用播放,這樣可以極大地降低教師的工作強度,把精力用于講解學習思路和學習方法,有助于培養能力型高素質的人才。
網絡技術是計算機技術發展過程中的一個里程碑。網絡技術將分立的計算機終端聯系起來,實現了信息資源共享,相關網站的建立為及時傳遞最新的儀器研發動向信息提供了平臺,為科研教學工作者之間交流分析方法提供了極大的方便,使在線分析成為了現實。例如,2006年,陸輝山在論文中構建了水果的近紅外在線檢測系統,并開發了在線檢測的軟件系統。近紅外光譜儀為微型光纖光譜儀,CCD檢測器,2048個像素,波長范圍為345―1100nm,信噪比為250∶1,光源為鹵鎢燈,環形布置。他們利用此系統對砂糖橘等水果的糖度和酸度進行了初步的在線檢測研究。由于我國經濟飛速發展,只有這種方便、快捷、準確、大批量分析產品的方法才能適應現代分析要求,降低各級監測、檢測機構的工作強度,提高工作效率。相應的,將網絡資源滲透到平時的教學中,可以使大學生潛移默化地接受儀器分析的新理論、新方法,了解國內外相關新儀器,等等。滲透的方式包括:首先,在第一次理論課程中即給學生介紹這樣一些相關網站的網址,例如,bbs.省略/、省略/、省略/等都是與課程學習相關的非常好的網站,建議大家在今后的學習工作中經常瀏覽關注。然后,在講述到具體的分析方法時,例如,發射光譜分析從早期的以火焰或者電弧火花等為激發源的儀器到現在以ICP等為激發源的儀器,雖然這些儀器的工作原理類似,都是通過某種手段使基態原子激發成為激發態,然后激發態原子回到基態時產生特征發射光譜,從而實現元素的定性、定量分析,但是,實驗室里這類儀器外觀不盡相同,型號多種多樣,既有古老的仍然在使用的,或者報廢的,又有最新投入使用的。所以,要使學生迅速掌握一個初看陌生的儀器,除了原理學習扎實,還需要掌握這類儀器的類型、特點、了解相關型號等,這時,網絡資源就發揮了異乎尋常的作用,在網絡論壇里,關于各類各種型號儀器的圖片比比皆是,關于儀器使用過程中涉及到的具體技術問題討論非常多,關于儀器的常見故障的出現和避免,以及排除方法等都有具體技術人員的參與討論,還有大量廠家的最新儀器信息,都極大地豐富了我們的知識庫,開拓了視野,從中既得到了點的知識,又得到了面的知識,點面結合,從而可以更好地掌握這門課程。所以,網絡資源作為課程教學的輔助資源,隨著網絡技術的日益發展,其在教學中將具有越來越重要的地位,網絡課堂將進一步深化多媒體技術在教育領域中的應用。
參考文獻:
[1]劉約權主編.現代儀器分析[M].北京:高等教育出版社,2001.4,(第二版).