儀器分析課程教學(xué)實(shí)踐

胡小剛俞英

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 廣東廣州 510006)

儀器分析課程教學(xué)實(shí)踐

胡小剛＊俞英

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 廣東廣州 510006)

在儀器分析課程的教學(xué)實(shí)踐中,采取加強(qiáng)緒論課教學(xué),引入儀器分析發(fā)展史,運(yùn)用生活化的形象描述及比喻,以及充分利用多媒體教學(xué)手段 4種方法,培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

人們?cè)趶氖赂信d趣的活動(dòng)時(shí)總伴隨著一種積極的、愉快的情緒體驗(yàn);相反,在從事不感興趣的活動(dòng)時(shí),總伴隨著一種消極的、厭煩的情緒體驗(yàn)。由此可見(jiàn),興趣在學(xué)習(xí)中具有非常重要的作用,培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑[1]。

作為必修課程,儀器分析在高等院校化學(xué)及其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課教學(xué)中有著重要地位。但該課程涉及物理學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等眾多學(xué)科理論,學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中容易感覺(jué)抽象、難于理解和掌握,導(dǎo)致缺乏學(xué)習(xí)興趣。有調(diào)查結(jié)果表明,降低儀器分析理論學(xué)習(xí)難度后,仍有很多學(xué)生反映“理論部分太深?yuàn)W,導(dǎo)致自己產(chǎn)生厭學(xué)情緒”,并表示“似乎沒(méi)有必要學(xué)習(xí)那么深的理論”[2]。因此,如何培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,是儀器分析課程教學(xué)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。本文作者從培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣入手,采取多種有效途徑,力圖提高儀器分析課程教學(xué)質(zhì)量,取得了較好效果。

1 加強(qiáng)緒論課教學(xué)

很多教師認(rèn)為緒論課就是簡(jiǎn)單介紹課程的概念,提出學(xué)習(xí)要求,而忽視了緒論課的重要性。其實(shí),緒論課對(duì)培養(yǎng)學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣非常重要。高等教育出版社的《分析化學(xué)》(下)[3]為儀器分析課程教材,雖然該書(shū)的緒論部分只有 3頁(yè),但我們卻為緒論課安排了 3個(gè)學(xué)時(shí),內(nèi)容包括儀器分析的定義和內(nèi)涵、儀器分析的發(fā)展歷程、儀器分析的任務(wù)和作用、儀器分析與社會(huì)生活及其他學(xué)科的關(guān)系、儀器分析的發(fā)展趨勢(shì)等,讓學(xué)生全面了解儀器分析課程的知識(shí)體系以及學(xué)習(xí)這門(mén)課程的重要意義。為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)儀器分析課程的興趣,可從多個(gè)角度強(qiáng)調(diào)儀器分析的地位和作用:(1)引用著名科學(xué)家對(duì)儀器分析的定位。如日本東京大學(xué) Niki教授在I

UPAC’91大會(huì)報(bào)告中指出:“Whether the coming 21st century will be bright or dark depends largely on the advances of science and technology in the various information,energy,resource,environment and health fields.The analytical scienceswill be key factors for solving problems in these fields”。又如徐光憲院士在高小霞院士誕辰 85周年紀(jì)念會(huì)上提出對(duì)分析化學(xué)的看法:“以前我認(rèn)為化學(xué)的核心是合成化學(xué),現(xiàn)在看來(lái)化學(xué)的核心任務(wù)應(yīng)該有兩個(gè):合成化學(xué)與廣義的分析化學(xué)(包括分子識(shí)別和序列測(cè)定、結(jié)構(gòu)分析、形貌分析、粒度分析和物質(zhì)成像等)。”(2)介紹與儀器分析發(fā)明、發(fā)展相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng),闡述儀器分析獲得的巨大成就。(3)介紹儀器分析與社會(huì)生活的緊密聯(lián)系,如生活產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn) (食品新鮮度、食品添加劑、農(nóng)藥殘留量等)、法庭化學(xué)(DNA技術(shù)、物證鑒定等)、興奮劑檢測(cè)、環(huán)境污染分析等。(4)介紹社會(huì)或重大事件中儀器分析發(fā)揮的作用,如人類(lèi)基因組測(cè)序、嫦娥一號(hào)探月、2008北京奧運(yùn)會(huì)、蘇丹紅事件、三聚氰胺奶粉事件等等。這些具體、詳細(xì)的評(píng)述和事例能讓學(xué)生從各個(gè)層面了解儀器分析的重要作用和意義,進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;而第一堂課中所激發(fā)出來(lái)的興趣往往能夠延續(xù)下去,對(duì)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的影響。

前蘇聯(lián)教育家蘇霍姆林斯基在《興趣的秘密何在》中寫(xiě)道:“所謂課上得有趣,就是說(shuō):學(xué)生帶著一種高漲的、激動(dòng)的情緒從事學(xué)習(xí)和思考,對(duì)面前展示的真理感到驚奇甚至震驚?！边@種高漲的、激動(dòng)的情緒和驚奇、震驚需要通過(guò)教師的情緒去引導(dǎo),通過(guò)教師的授課激情去激發(fā)。想讓學(xué)生喜歡儀器分析課程,授課教師首先要喜歡儀器分析課程。因此,教師在講授儀器分析緒論課時(shí)應(yīng)充滿(mǎn)激情,這是引導(dǎo)調(diào)動(dòng)學(xué)生情緒、培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生對(duì)儀器分析課程學(xué)習(xí)興趣的好途徑。

2 引入儀器分析發(fā)展史

在儀器分析發(fā)展的各個(gè)階段,始終交織著成功的喜悅和失敗的迷惘,幾乎每種分析儀器和方法的背后,都蘊(yùn)涵著一段故事[4]。我們?cè)趦x器分析課程教學(xué)中,結(jié)合相關(guān)章節(jié)內(nèi)容的傳授,有針對(duì)性地插入一些短小有趣的儀器分析發(fā)展中的小花絮、小故事,以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)他們學(xué)習(xí)儀器分析課程的積極性。同時(shí),也能使課堂氣氛快速進(jìn)入活躍期,提高教學(xué)質(zhì)量。

例如,在講授極譜和伏安分析時(shí),可先通過(guò)對(duì)極譜方法創(chuàng)始人——捷克化學(xué)家海洛夫斯基的介紹和他發(fā)明極譜法的故事引入正題。在攻讀博士學(xué)位期間,年輕的海洛夫斯基在導(dǎo)師指導(dǎo)下研究小面積工作電極上低濃度組分的電解。他在滴汞陰極和汞池陽(yáng)極兩端加上連續(xù)增加的負(fù)電勢(shì),但無(wú)數(shù)次試驗(yàn)后始終得不到所期望的結(jié)果,卻反復(fù)出現(xiàn)一個(gè)十分奇怪的異?，F(xiàn)象:如果與電極接觸的溶液含有還原性離子或離子團(tuán)的話(huà),電流就會(huì)按等級(jí)而不是連續(xù)地增加。海洛夫斯基對(duì)這個(gè)偶然現(xiàn)象進(jìn)行了認(rèn)真總結(jié)和歸納,終于發(fā)明了被廣泛應(yīng)用的極譜分析法。1959年,海洛夫斯基因發(fā)明和發(fā)展極譜法獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。又如,在講授色譜分析法之前,可以引入茨維特發(fā)現(xiàn)色譜法的故事。發(fā)明色譜法的茨維特不是化學(xué)家,而是植物學(xué)家。1903年,茨維特?zé)o意中做了一個(gè)實(shí)驗(yàn),他將植物葉綠素提取液倒入裝有碳酸鈣吸附劑的玻璃柱中,用石油醚淋洗,隨后驚奇地發(fā)現(xiàn)隨著石油醚的沖洗,提取液在玻璃柱中形成一條具有不同顏色的譜帶,譜帶中各種顏色代表不同的植物色素。他把這種新奇的分離方法形象地命名為“色譜”法,因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)他被譽(yù)為“色譜法之父”。但茨維特將他的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在不出名的俄文植物學(xué)刊物上,導(dǎo)致 20多年的時(shí)間內(nèi)色譜法一直沒(méi)有被化學(xué)家所了解和重視,直到 1931年, R.庫(kù)恩發(fā)現(xiàn)茨維特所發(fā)明色譜法的重要性,此法才得到普遍的推廣和應(yīng)用。1952年,英國(guó)科學(xué)家Martin和 Synge由于發(fā)明分配色譜法獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。類(lèi)似這樣的儀器分析發(fā)展史的故事還有很多,如原子吸收現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、德國(guó)科學(xué)家能斯特的故事等,這些不僅能起到引入教學(xué)內(nèi)容的目的,而且增強(qiáng)了課堂教學(xué)的趣味性,能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,吸引他們的注意力并將注意力持續(xù)到后面內(nèi)容的教學(xué)中。

3 生活化的形象描述及比喻

儀器分析課程涉及的各類(lèi)原理和概念非常多,如果完全按照課本上的內(nèi)容,把原理和概念直白、平鋪式地傳授給學(xué)生,學(xué)生往往覺(jué)得抽象、晦澀和難以理解,提不起興趣,教學(xué)效果不好。如何講授儀器分析課本中的原理概念,使之既有科學(xué)性和嚴(yán)密性,又易于理解,便于掌握,這是儀器分析課程教學(xué)中值得研究的一個(gè)課題。對(duì)此,可從學(xué)生熟知的日常生活知識(shí)入手,提煉出簡(jiǎn)單、生動(dòng)、易懂、有趣的生活知識(shí)與抽象、隱晦、難懂的原理概念之間的相似性,通過(guò)類(lèi)比的手法,采用形象的描述及比喻,引導(dǎo)學(xué)生思考,得出結(jié)論,引出原理和概念,讓學(xué)生從日常生活中感受儀器分析,用儀器分析知識(shí)重新認(rèn)識(shí)與體驗(yàn)生活,提高學(xué)習(xí)興趣。

例如,色譜分析法中介紹色譜分離原理時(shí),如果按常規(guī)講授,主要是介紹不同樣品由于本身性質(zhì)不同,與固定相作用力大小存在差異,因此在色譜柱中固定相、流動(dòng)相兩相間不斷的分配過(guò)程中逐漸分離開(kāi)來(lái)。這樣的敘述容易使學(xué)生覺(jué)得復(fù)雜、抽象,理解起來(lái)較為困難。對(duì)此,可用學(xué)生熟悉的廣州北京路步行街作一個(gè)形象的比喻:筆直的步行街就像一根色譜柱,街兩端均勻分布的一間間商店像是固定相,從街一端向另外一端流動(dòng)的人流像是流動(dòng)相,逛街的人進(jìn)入北京路后會(huì)隨著人流(流動(dòng)相)向前移動(dòng),并且進(jìn)出商店(固定相)。有互不認(rèn)識(shí)的一男一女兩位學(xué)生,就像是色譜法中的分離對(duì)象,同時(shí)從北京路一端出發(fā) (同時(shí)進(jìn)樣)逛北京路。由于商店對(duì)女學(xué)生吸引力大,因此女學(xué)生逛的商店多,且在商店中停留的時(shí)間長(zhǎng);而商店對(duì)男學(xué)生吸引力小,因此男學(xué)生進(jìn)入的商店少且停留的時(shí)間短。這樣最后將是男學(xué)生先走出北京路,兩者完全分離開(kāi)來(lái)。由此可見(jiàn),色譜分離的機(jī)理就是分析對(duì)象 (男女學(xué)生)本身性質(zhì)不同,與固定相(商店)作用力大小也不同,因此在色譜柱 (北京路)中停留時(shí)間不同而得到分離。這樣生活化的形象比喻很容易讓學(xué)生理解色譜方法復(fù)雜、抽象的分離機(jī)理,并對(duì)色譜方法產(chǎn)生興趣。

4 充分運(yùn)用多媒體教學(xué)手段

多媒體技術(shù)是把文本、圖形、圖像、視頻、動(dòng)畫(huà)和聲音等承載信息的媒體集成在一起,并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合處理和控制的一種信息技術(shù)[5],具有良好的直觀性和形象性,是一種新型的現(xiàn)代教學(xué)方式,也是當(dāng)今世界教育技術(shù)發(fā)展的趨向。

儀器分析課程信息量大、內(nèi)容多且較抽象,涉及光學(xué)、電學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí),教學(xué)內(nèi)容伴隨著大量物理原理和物質(zhì)微觀作用,尤其是儀器分析原理部分,往往內(nèi)容抽象且難于理解。而傳統(tǒng)的教學(xué)方式手段單一,缺少變化,對(duì)學(xué)生感官刺激性弱,難以激發(fā)學(xué)生的興趣。因此,在儀器分析課程教學(xué)中,充分采用多媒體教學(xué)手段,可以變抽象為具體,化枯燥為生動(dòng),變靜態(tài)為動(dòng)態(tài),并可對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行模擬,使復(fù)雜抽象的內(nèi)容變得形象生動(dòng),從而幫助學(xué)生充分利用直觀感覺(jué)和思維去分析比較,加深理解,用較少的時(shí)間達(dá)到較好的效果。

電化教學(xué)實(shí)驗(yàn)表明,使人識(shí)別同一信息,用語(yǔ)言描述需要 2.8秒,用線(xiàn)條圖需要 1.5秒,用黑白照片需要 1.2秒,直接看實(shí)物需要 0.7秒。儀器分析所涉及的儀器多為大型、精密、昂貴的設(shè)備,無(wú)法在課堂上直接展示。因此,把各類(lèi)方法的原理、操作流程、譜圖以及儀器的實(shí)物、結(jié)構(gòu)、部件等制作成圖片,將不易理解的內(nèi)容變成直觀圖形,可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,規(guī)范教學(xué)形式,提高教學(xué)效果。為充分發(fā)揮圖像這種多媒體載體的作用,必須注意以下幾點(diǎn):(1)提高圖像質(zhì)量?？赏ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索、實(shí)物拍攝、資料掃描、軟件繪制或其他途徑獲取清晰、分辨率高的彩色圖片,以增強(qiáng)圖片演示的效果;盡量不用顏色單一、分辨率差的圖片。(2)對(duì)于獲取的圖片須進(jìn)行后期處理,如裁剪、扣除背景及調(diào)整顏色、亮度、對(duì)比度和清晰度等。(3)在課件制作中,將圖片與文字、線(xiàn)條、邊框、圖形相結(jié)合,以增強(qiáng)說(shuō)服力;同時(shí)應(yīng)注意文字、線(xiàn)條、邊框、圖形的大小和顏色與主體圖片要有一定的對(duì)比,以吸引學(xué)生注意力,避免視覺(jué)疲勞。

與靜態(tài)圖像相比,動(dòng)畫(huà)和視頻均具有動(dòng)態(tài)效果,將單一的靜態(tài)視覺(jué)刺激提升為動(dòng)態(tài)視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)聯(lián)合刺激,更容易讓學(xué)生理解和接受。例如在講解紅外光譜法分子振動(dòng)形式時(shí),通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)可讓學(xué)生清楚地從各個(gè)角度觀看分子中各種振動(dòng)模式的動(dòng)態(tài)三維模型。在講解原子吸收分光光度計(jì)儀器結(jié)構(gòu)時(shí),可采用動(dòng)畫(huà)進(jìn)行演示:光源空心陰極燈發(fā)出的光線(xiàn),穿過(guò)燃燒的火焰后被吸收,光線(xiàn)變?nèi)?經(jīng)過(guò)單色器后傳到檢測(cè)器,轉(zhuǎn)變?yōu)槲舛葦?shù)字信號(hào);點(diǎn)擊原子化器可以打開(kāi)該系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖,并動(dòng)態(tài)演示樣品溶液的吸液、霧化和原子化過(guò)程,使學(xué)生直觀地了解儀器內(nèi)部構(gòu)造和工作原理。在講授高效液相色譜法時(shí),可通過(guò)播放錄制的視頻文件介紹高效液相色譜儀的結(jié)構(gòu)和操作流程。這些動(dòng)畫(huà)和視頻對(duì)學(xué)生的吸引力比單純的文字說(shuō)明或圖片演示更大,能使學(xué)生注意力更為集中。網(wǎng)絡(luò)上有關(guān)儀器分析的各類(lèi)動(dòng)畫(huà)和視頻教學(xué)資源較為豐富,掌握好這些資源,并將其有效地結(jié)合到課堂教學(xué)中去,有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

瑞士著名教育家皮亞杰說(shuō)過(guò):“所有智力方面的活動(dòng)都依賴(lài)于興趣”。學(xué)習(xí)興趣可以促進(jìn)學(xué)生的求知欲,是學(xué)生在課堂上保持注意力高度集中的“靈丹妙藥”。在儀器分析課堂教學(xué)過(guò)程中,應(yīng)結(jié)合儀器分析課程本身的特點(diǎn),不斷探索能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的途徑和方法,活躍課堂教學(xué)氛圍,提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

[1] 楊志峰.中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2008,25:59

[2] 王安亭,孫雪萍.大學(xué)化學(xué),2008,23(5):20

[3] 華中師范大學(xué),陜西師范大學(xué),東北師范大學(xué).分析化學(xué)(下).第3版.北京:高等教育出版社,2001

[4] 朱廣華,鞠熀先.大學(xué)化學(xué),2003,18(4):30

[5] 潘瑾,白雁,王星.實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(10):89

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