梁一钒，郑翔云,2，徐晓文,＊，邹桂征，张斌,＊
1山东大学化学与化工学院，济南 250100
2山东大学泰山学堂，济南 250100
仪器分析化学是高等院校化学专业的核心专业基础课程，包括仪器分析理论和仪器分析实验两门课程。它以物质的物理、化学性质为基础，利用测量仪器对物质进行定性、定量和形态分析，并发展与化学相关的测量策略、原理、方法与技术，以精准获取物质组成、分布、结构与性质的时空变化规律[1]。随着以高新技术为代表的现代科学的迅猛发展，仪器分析基础研究的重要性以及对尖端分析仪器的依赖性愈加凸显，仪器分析在实际应用中越来越多地呈现出多学科交叉融合发展的时代特征，传统仪器分析课程的教学改革也面临着新的挑战。
国内高校化学专业现使用的仪器分析教材中[2-5]，由武汉大学主编、高等教育出版社2018年发行的《分析化学》(第6版下册)和南京大学主编、科学出版社2002年发行的《仪器分析》是目前较受欢迎的优秀仪器分析教材。其针对分析原理部分和仪器结构的叙述较为清晰，对基本研究思路的介绍直白浅显，但教科书中所涉及的有些分析方法已经相对滞后，不能很好地反映近些年来仪器分析研究及应用的发展方向。同时，在仪器分析教学中还存在学时有限、所学内容有限的问题。作为对《仪器分析课程教学内容和教学方式改革的几点思考》一文的补充[6]，本文收集了国外部分代表性高校化学专业与仪器分析教学相关的现使用教材和课程体系，通过梳理和比较分析，对今后仪器分析课程建设、教学内容完善以及考核评价标准的改革思路提出了建议。
我们对收集到的10本国外仪器分析相关教材进行了归纳整理，按照大体框架将其分为仪器分析类(3种)、分析化学类(5种)和应用研究类(2种)，共三大类，见表1。其中涉及分析化学类的教材也用了较大篇幅来讲述仪器分析的内容。例如Gary主编的《Analytical Chemistry》(7th Edition)一书分为定量分析方法、仪器分析法、基因研究和实验4大部分共27章节[7]，其中第2部分11-26章是关于仪器分析的内容。从出版时间上看(以最新版本为准)，最早的为2014年(3本)，最新出版的为2021年(1本)。
表1 部分国外仪器分析教材
从教材作者所在国家来看，其中6本的主要作者来自美国，其余教材的作者分别来自西班牙、英国、印度。这些教材均由世界知名的出版机构发行，包括Wiley (3种)、CRC Press (3种)、Cengage Learning (2种)、Oxford University Press (1种)、McGraw Hill Education (1种)、Apple Academic Press (1种)和World Scientific (1种)。
从各国引进情况来看，日本东京大学将《ハリス分析化学》(对应《Quantitative Chemical Analysis》，9th Edition)作为其指定教材；
我国华东理工大学于2017年出版了《分析化学》(对应《Analytical Chemistry》，7th Edition，李银环等译)。这也在一定程度上说明了这两本教材所具有的使用价值。
化学学科的发展与社会生产力的发展和需求密切相关，而物理学、电子技术和高精密制造业的发展则是仪器分析发展进步的巨大驱动力。仪器分析的应用主要体现在临床、环境、药物、食品、材料、质量评定等领域的相关科研与定性定量分析中，其中在分析仪器的原理与制造研究、绿色分析技术及生化分析领域的应用备受关注。国外教材中对于仪器分析在上述几个方面的应用较为重视，甚至会专门著书或增加章节来填补这方面的研究空白。例如偏重仪器原理的《Instrumentation,Measurement and Analysis》(4th Edition)和《Analytical Chemistry A Chemist and Laboratory Technician’s Toolkit》；
研究绿色化学的《Challenges in Green Analytical Chemistry》(2nd Edition)和《Green Analytical Chemistry Past, Present and Perspectives》；
以及前文中提到的专门为基因研究设立章节的《Analytical Chemistry》(7th Edition)一书。国外许多教材会借鉴这些领域当中的相关研究作为案例以及拓展阅读加入文中，对此后文不再赘述。
2.1 内容丰富，结构完整
国外仪器分析教材一般包括电化学分析法、色谱分析法、光谱(波谱)分析法及其他分析法(质谱、热重等)四大部分，这与国内相关教材的主要内容基本一致。这些教材的篇幅都很大，一般都在800页以上，最多的高达1248页。在如此大的框架之上，大部分的教材会将分析方法的基本原理与历史发展、现实生活、科学前沿、实验仪器与操作等相关联，从而将仪器分析的文字性内容与读者学习经历与知识储备相融合，便于读者吸收理解。例如《Fundamentals of Analytical Chemistry》(8th Edition)一书中，在每一章节的开头均用对美国该领域中的权威科学家的采访作为引言，一方面可以为读者提供一个了解科学家科研经历的途径，另一方面通过对有关仪器分析发展史的了解也能够引起读者的兴趣，提高其学习意愿[8]。
此外，这些教材非常重视图示化在教学及学习中的作用，制作了大量精美简洁的配图，几乎做到每页都有图形语言(non-verbal language)。从经典仪器的实物图以及关键部件，到具体操作过程与实验现象，贴近实验分析实际过程的同时也将实验仪器搬到了课本中，便于读者自行探索和理解更加细化的知识。教材中的练习题也会配以详细的解释图像，例如《Quantitative Chemical Analysis》(9th Edition)中详细地在每一类新题型出现时配以直观的图像解释，对于读者快速掌握知识并形成客观理解具有很大的帮助[9]。
2.2 再版次数多，教材内容与时俱进
所选取的教材之中有3本是第7次出版，甚至有两本达到第9次出版，其余的则是近几年内的新编教材。仪器分析方法的建立与改进在很大程度上依赖于物理学上对物质属性的新发现以及精密仪器制造技术和微电子领域的突破。现代化制造业、集成电路以及半导体科学等理论的迅猛发展影响着传统分析方法所使用的仪器乃至方法本身。这些新仪器、新分析方法会在教材每一次的再版当中得以体现，例如《Principles of Instrumental Analysis》(7th Edition)在电化学章节的最后介绍了“细胞微生理计”(Measuring the Parts to Understand the Whole: The Microphysiometer)的相关内容[9]。同时，教材当中所使用的案例也都会更新为与内容密切相关的科学界最新发现或是某一领域的研究前沿，但仍会保留一些经典的、便于理解的案例。例如《Quantitative Chemical Analysis》(9th Edition)一书在介绍原子发射光谱时，使用2012年NASA发射的“好奇号”火星车在火星表面的科研工作作为例子[8]；
又如，几乎所有教材都会在介绍核磁共振原理时使用拉莫尔进动模型作为辅助说明。一方面可以使读者切实体会到仪器分析方式的发展趋势以及分析方法在实际科研或生产中的应用，同时还保留了传统教学内容中的易吸收部分。
2.3 侧重原理
国外教材会将仪器分析所通用的数学物理原理基础放在教材开篇介绍，例如《Principles of Instrumental Analysis》(7th Edition)在第一章节“测量基础”(Measurement Basic)中介绍了一些简单数字信号处理以及仪器构造原理的相关基础知识，如信号峰的数学模型与置信度和传统光谱仪的组成板块，读者可以按需自学这些学科基础内容[10]。与国内教材类似，国外教材会分门别类地在各章开头为该大类分析方法的原理给以解释，这一点与国内由武汉大学联合厦门大学、中山大学、南开大学和浙江大学等高校主编的《分析化学(下)》(第六版)一书尤为类似。一方面具有很好的讲解针对性，同时也确保了内容的连贯性。鉴于国内外对仪器分析教学要求和化学教育体系的区别，国外教材会在涉及到微观分子结构的内容时辅以概念图或是实物显微图来介绍。例如《Analytical Chemistry》(7th Edition)在介绍键合相色谱与离子交换色谱的固定相与工作原理时采用了大量的概念图以及电子显微图像，力求将概念清晰地呈现出来，便于读者理解[7]。
2.4 拓展延伸性好
新教材都会建立相应网站，将一部分内容作为线上知识点存放在网站当中，这些内容主要是拓展阅读、习题解答、相关实验等有可能打乱文章内容连贯性的信息。同时在各章节的课后习题当中，会适当地添加一些该领域的原始文献作为拓展阅读。国外仪器分析教材大多看重科学史的相关介绍，这主要是因为仪器分析方法的发展一方面具有较强的逻辑连贯性；
另一方面仪器分析是一门近现代以物理理论的发展为基础、以探测手段为需求而逐渐发展起来的学科，能够反映时代特征。大量与仪器分析相关的工作成果都获得了诺贝尔奖就能够很好地证明这一点，对这些分析方法发展过程的了解有助于提升读者的理解层次。有的教材会配有专门的教师参考书、学生参考书和习题册，以确保这套教材的完整性[8,10]。
2.5 注重读者友好性
这些教材多为精装本，印刷质量好，使用铜版纸印刷，配有部分彩图或者全彩。有的教材中会配有漫画内容讲解，有的则会将重要公式用彩色背景标识出来，以形成较好的层次感。
通过线上渠道，我们查阅了国外部分高校仪器分析开设课程相关的教程说明，详见表2[11-14]。尽管在一些大学，例如Massachusetts Institute of Technology (MIT)以及Oxford University官网上的教学计划中并没有找到仪器分析的相关信息，但是出现了一些诸如物质分离方法的类似色谱法的课程。我们推测这些学校可能是将仪器分析内容融入到不同专业的原理课程以及实验课程，简化仪器分析课程的同时，强调其应用性而抛弃了繁琐的原理内容。
同时我们也发现了一些仍然在教学计划中的仪器分析课程，例如University of Washington于2022年冬季学期由Zhang Bo教授开设的Instrumental Analysis课程[15]。本文也会注重从这一类课程归纳其特点。
值得注意的是，东京大学的分析化学课程安排中多出了X射线光谱分析法和能谱分析技术两部分内容，具体有X射线吸收光谱法(XAS)、X射线衍射分析法(XRD)、X射线荧光光谱法(XRF)，以及X射线光电子能谱分析法(XPS)、俄歇分析法。
4.1 教学手段多样化
国外授课方式自由度较大，会分为很多小节，便于临时调整。美国高校仪器分析课程一般会上18周共36次课，每节课占时在1.5小时左右。在基本的教学要求以外，还会额外地安排一些讲座以及任务型教学法(Task-based approach，TBA)。例如Western Carolina University会在学期末举行两周半共5节课的TBA以检验学生的知识理解转化情况。同时有的大学还会备有自己的课程讲义，例如Michigan State University就备有多达264页的讲义，内容主要是从课件上复制而来，包含了课堂上会讨论的例题、重点内容，以及会用到的数学处理方法。
4.2 考试形式自由度大，评价标准科学
国外学校对学生的过程化考核所占比重较大，易于实现教与学的全过程质量控制和有效评价。其考试方式通常包含课后作业、课堂测试和期末考试几部分，并且分数的权重也与国内有较大差别。如Utah State University采取均分制，1次课后自我测验、3次随堂检测，以及最后的期末考试各占总分的20%；
也有一些大学如Michigan State University赋分形式较为宽泛，10次随堂提问共占12.5%、三次随堂检测各占12.5%、期末考试占25%、学期论文占12.5%、报告占12.5%；
也有一些与国内赋分情况类似的，例如Western Carolina University的赋分情况为各类测验占70%、平时分占5%，实验占25%。
表2 部分国外高校仪器分析教学大纲和教学计划
4.3 注重理论与实验教学的联系
仪器分析化学是一门注重方法原理的理解、相对抽象的学科，实验教学可以使学生通过感性认识对所学知识的原理加深理解和记忆。在上述高校的教学计划中，仪器分析实验与理论教学安排在同一个学期内。有的大学下午在实验室中所做的实验就是上午课堂里学过的内容，实验内容与理论课程紧密的联系性也是仪器分析实验的一个特点。相对而言，我们现在实验课程设置的时间安排滞后于理论课学习一个学期，使得理论和实践教学严重脱节，教学效果欠佳。
针对国内仪器分析教学中存在的教材较为陈旧、课程内容未能体现学科的最新发展、考核评价方式和标准缺乏科学化等问题，本文收集了国外部分代表性高校化学专业与仪器分析教学相关的教材和课程体系，从教材内容完善、出版、教学手段和考核方式等方面进行了全面分析，归纳整理出其特点，希望能为我们的仪器分析教材更新、教学内容优化以及教学方法的改革探索提供有益的借鉴。同时针对现有仪器分析教材篇幅较长，而化学类专业仪器分析课程的课时安排通常为64学时，实际教学中不能做到包罗万象和面面俱到，如何实现既要在教学中侧重仪器分析基本原理的讲授，突出仪器分析在化学专业教学中的基础作用，又要体现仪器分析的多学科交叉性和学科发展前沿性，也是我们面临亟需解决的问题。
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