提升学生对仪器分析的理解和技术能力：通过使用一台已退役的ICP-MS设备，开展由学生主导的仪器拆解实践

《Journal of Chemical Education》：Increasing Student Understanding and Technical Skills in Instrumental Analysis: Piloting a Student-Led Instrument Deconstruction with a Decommissioned ICP-MS

学生主导拆卸停用ICP-MS仪器并配合课堂演讲和实际操作新仪器的教学实验表明，物理互动显著提升化学学生对仪器的理解、操作信心及同伴讨论能力，作业平均分达88%-96%，优于传统教学。

　　在现代化学教育体系中，学生对仪器操作和分析技能的掌握程度直接影响其在毕业后进入化学行业或相关领域的职业竞争力。许多化学行业雇主将仪器操作能力列为毕业生最重要的技能之一，尤其是在涉及实验分析、质量控制和数据解读的岗位中。然而，目前在本科阶段的化学教学中，关于仪器分析的课程设计和教学方法存在较大差异，这与不同院校所拥有的资源密切相关。尽管教学内容和方式可能有所不同，但研究已经表明，学生在实际操作仪器时能够获得最有效的学习体验。因此，有必要进一步探索和评估那些能够提升学生对复杂仪器使用和理解的教学方法。

以美国乔治亚格温内特学院（Georgia Gwinnett College, GGC）为例，这是一所主要面向本科学生的高校。为了增强学生对复杂仪器的使用能力，GGC在仪器分析课程中引入了一项创新性的实验：学生主导对一台退役的电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）进行拆解。这一活动的目标是通过实际操作，提升学生对复杂仪器的理解，弥补传统教学中对这类设备接触有限的问题。为了实现这一目标，学生在拆解过程中学习了仪器的物理构造，并在随后的小组口头报告中展示他们对仪器功能和理论的理解。

该课程要求学生在最后一学年修读，因此大多数学生已经完成了物理学课程，部分学生甚至正在学习或参与物理化学课程。这种安排使得学生具备了足够的科学背景，能够深入理解仪器分析的相关概念。整个实验分为三个阶段：第一周是学生对退役仪器的拆解；第二周是基于拆解内容的口头汇报；第三周则是使用一台全新的PerkinElmer NexION 2200 ICP-MS进行样品分析和数据解读。通过这三个阶段的活动，学生不仅加深了对仪器的理解，还提升了他们在实际操作中的自信心和技术能力。

在拆解阶段，学生被分成小组，每组负责仪器的不同部分。他们使用常见的工具如扳手、六角扳手和螺丝刀，按照指导进行拆解工作。在拆解过程中，学生需要组织团队，独立完成拆解任务，只有在必要时才获得教师的有限帮助。拆解的顺序按照样品在仪器中的流动路径进行，确保学生能够系统地理解仪器的结构和功能。例如，第一组负责样品引入系统，包括喷雾室、雾化器、炬管和射频线圈；第二组则研究离子束聚焦设备，如锥体、阴影停止和透镜；第三组分析四极杆系统，包括反应室和质量过滤器；第四组则研究双检测器和泵系统。学生在拆解过程中拍摄了大量照片，作为后续口头报告的视觉辅助材料。

在第二周的口头报告中，学生通过小组合作的方式，向全班介绍他们所拆解的仪器部分。这一活动借鉴了同伴领导团队学习（Peer-Led Team Learning, PLTL）的教学方法，被认为在其他仪器分析课程中同样有效。学生使用演示软件制作幻灯片，展示他们的研究成果和对仪器的理解。此外，他们还展示了拆解过程中获取的物理部件，以增强观众的直观感受。学生需要引用可靠的参考文献，以支持他们对仪器功能的描述。为了确保报告的质量，学生提前一周收到了评估标准，帮助他们明确汇报的重点和要求。

第三周的实验则涉及对一台全新PerkinElmer NexION 2200 ICP-MS的实际操作。学生继续以小组形式工作，学习样品制备、仪器操作和数据分析的技能。这一实验的重点是使用微化学方法分析鱼耳石样品，以评估重金属暴露的生物标志物。通过这一活动，学生不仅学习了如何使用仪器进行定量分析，还掌握了如何解释和应用实验数据。在实验前，学生完成了预实验活动，该活动借鉴了过程导向引导探究学习（Process Oriented Guided Inquiry Learning, POGIL）的教学模式。预实验活动引导学生思考如何设计实验方法，包括样品和标准的制备，以及数据的收集和分析。在完成预实验后，学生需要与教师沟通，确保他们的实验方法可行，然后再进行实际操作。

在实验过程中，学生获得了三种不同鱼类的耳石样品，并进行了相应的处理和分析。样品被消化处理后，使用高纯度的硝酸进行稀释，并通过Milli-Q系统（18.2 MΩ·cm）进行进一步处理。标准样品则使用仪器校准标准和内部标准进行制备，以确保分析的准确性和可靠性。在分析过程中，学生使用Syngistix软件进行数据处理，并通过操作仪器学习了如何设置和调整参数，以影响实验结果。最终，学生提交了正式的实验报告，用于评估他们的学习成果。

在实验结束后，学生还参与了一项在线调查，评估他们在实验过程中获得的知识和技能提升。调查采用Qualtrics平台进行，学生被要求评估他们在仪器操作、理解技术组件、与同伴讨论仪器和克服实验障碍等方面的自信心和能力。调查结果显示，所有学生都报告了不同程度的提升，其中对仪器技术组件的理解提升最为显著。此外，学生的口头报告和实验报告均获得了较高的评分，进一步证明了这种教学方法的有效性。

学生在调查中还提供了关于直接操作退役仪器的反馈。他们普遍认为，这种活动有助于更直观地理解仪器的结构和功能，而不仅仅是依赖于二维的示意图。然而，也有部分学生指出，这种活动可能需要更多的时间和资源，并且在小组合作中可能会出现任务分配不均的问题。尽管存在这些挑战，学生普遍认为，这种活动带来的好处远远超过了局限性。因此，这种结合实际操作与理论学习的教学方法值得在其他高级仪器分析课程中推广。

从整体来看，这种多周的实验活动不仅提升了学生的实践能力和理论理解，还增强了他们对复杂仪器的使用信心。在未来的课程设计中，可以考虑将类似的活动扩展到其他仪器，如气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）或紫外-可见光谱仪（UV-Vis），以进一步丰富学生的实验经验。此外，为了提高学生参与度，可以考虑增加更多的互动环节，如小组讨论、角色扮演和实际操作演练，以增强学生对仪器分析的全面理解。

在教学方法的改进方面，还需要考虑更多的资源支持和教师培训。例如，确保教师具备足够的专业知识，以便在学生进行拆解和操作过程中提供必要的指导和支持。此外，学校可以考虑购买更多先进的仪器，以增加学生的实际操作机会。同时，也可以探索与其他高校的合作，共享仪器资源，以降低教学成本。

从学生反馈来看，这种教学方法不仅提高了他们的学习兴趣，还增强了他们对仪器分析的重视程度。许多学生表示，这种活动让他们对仪器的实际应用有了更深刻的认识，并且能够更好地理解仪器背后的科学原理。此外，学生还能够通过实际操作，提升他们的动手能力和团队协作能力，这对于他们未来在化学行业的工作具有重要意义。

总体而言，这种结合实际操作与理论学习的教学方法在提升学生对复杂仪器的理解和使用能力方面具有显著效果。通过拆解退役仪器、口头汇报和实际操作实验，学生不仅掌握了仪器的基本功能，还学会了如何设计实验方法、处理样品和分析数据。这种多阶段的教学活动为学生提供了全面的实践体验，有助于他们更好地应对未来在化学行业中的挑战。

在未来的课程实施中，可以进一步优化活动设计，确保每个学生都有足够的机会参与和学习。例如，可以通过调整小组规模、增加实验时间或引入更多互动环节，来提高学生的参与度和学习效果。此外，还可以考虑将这种教学方法与其他课程相结合，形成一个系统的教学框架，以提升整体的化学教育质量。

总之，这种创新性的教学方法在提升学生对复杂仪器的理解和使用能力方面具有重要意义。通过实际操作和理论学习的结合，学生不仅掌握了仪器的基本功能，还学会了如何设计实验方法、处理样品和分析数据。这种多阶段的教学活动为学生提供了全面的实践体验，有助于他们更好地应对未来在化学行业中的挑战。在未来的课程设计中，可以进一步优化活动设计，确保每个学生都有足够的机会参与和学习，从而提升整体的化学教育质量。