直觀性原則在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用*

肖新峰 劉曉東 唐堯基

(山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 山東青島 266510)

儀器分析課程是化學(xué)類專業(yè)(包括化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程、材料化學(xué)、礦物加工)和環(huán)境類專業(yè)(包括環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程)的基礎(chǔ)主干課程。儀器分析法在自然科學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中占有極其重要的地位。通過儀器分析課程的教學(xué)，可以使學(xué)生對儀器分析這一領(lǐng)域有較全面的了解，基本掌握儀器分析的各類方法。由于儀器分析課程內(nèi)容的特點，在其教學(xué)過程中開展直觀性教學(xué)具有非常重要的意義。

1 直觀性教學(xué)原則的含義和認(rèn)識論基礎(chǔ)

直觀性原則是指在教學(xué)中，教師要利用直觀手段，通過引導(dǎo)學(xué)生開展多種形式的直觀性認(rèn)知，豐富學(xué)生的感性認(rèn)識，發(fā)展學(xué)生的觀察力和形象思維，并為形成正確而深刻的理性認(rèn)識奠定基礎(chǔ)。

古今中外的教育家都對直觀性教學(xué)原則作過精辟的闡述。中世紀(jì)捷克杰出的教育家夸美紐斯在其著作《大教學(xué)論》中指出，“應(yīng)該盡可能地把事物本身或代替它的圖像放在面前，讓學(xué)生去看看、摸摸、聽聽、聞聞。”并率先提出了教學(xué)中的直觀性原則。后來俄國教育家烏申斯基對這個原則進一步作了深刻的論證，指出：“邏輯不是別的東西，而是自然界的事物和現(xiàn)象的聯(lián)系在我們頭腦中的反映”。近、現(xiàn)代教學(xué)實踐的發(fā)展證明，直觀性原則在教學(xué)中正處于越來越重要的地位[1]。

直觀性教學(xué)原則反映了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，即通過感性、形象而具體知識的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣和積極性，減少學(xué)習(xí)抽象概念的困難；通過展示事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系和發(fā)展過程，幫助學(xué)生形成科學(xué)的概念，從而更好地深化認(rèn)識和運用知識。直觀教學(xué)之所以必要，是由于學(xué)生對教材的理解總是要以對事物的感知為基礎(chǔ)。學(xué)生由于缺乏直接經(jīng)驗，在學(xué)習(xí)知識的過程中往往容易犯抽象、空洞、形式主義的毛??；又由于學(xué)生的思維，具有沿著由經(jīng)驗思維占優(yōu)勢向理論思維占優(yōu)勢發(fā)展的趨勢[2]。所以，教學(xué)要適應(yīng)和促進這個發(fā)展過程。在教學(xué)過程中貫徹直觀性原則，有助于解決名詞概念脫離事物、抽象概括脫離具體形象、理解脫離感知等矛盾。鮮明生動的形象，容易喚起學(xué)生的注意，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和熱情，促進知識的理解和遷移；有助于發(fā)展學(xué)生的觀察能力、形象思維能力，以及形成辯證唯物主義觀點。

教學(xué)的認(rèn)識過程有其特殊性，它不是以嘗試性直接認(rèn)識方式為主，而是以書本為知識載體的間接認(rèn)識方式為主，即以間接經(jīng)驗為主。這種間接性認(rèn)識方式的優(yōu)點，可以使學(xué)生在有限的時間之內(nèi)以最經(jīng)濟的方式掌握一定范圍內(nèi)的知識，并且形成相應(yīng)的技能、能力、智力、體力、品德和人格。其最大的局限性則表現(xiàn)為由于感性經(jīng)驗的不足而常常影響掌握理論知識的速度、進程和質(zhì)量。對于這種間接性認(rèn)識方式本身所具有的不足，可以通過直觀性教學(xué)進行彌補。

目前，高等學(xué)校的專業(yè)課程教學(xué)非常注重課程內(nèi)容的科學(xué)性、理論性和邏輯性，而往往忽視了教學(xué)過程中最基本的直觀性原則。這種局面直接造成學(xué)生未形成通過直觀性方法學(xué)習(xí)和理解課程理論內(nèi)容的習(xí)慣。高校教學(xué)的課程設(shè)計必須考慮直觀性原則，在多媒體教育高度發(fā)展的今天，直觀性教學(xué)是理性認(rèn)識轉(zhuǎn)化為感性認(rèn)識的重要手段。

2 直觀性原則是儀器分析課程教學(xué)的客觀需求

儀器分析是一門綜合性實驗科學(xué)，其特殊性尤其適合直觀性教學(xué)。

2.1 形象直觀的引導(dǎo)

儀器分析課程所介紹的分析儀器涉及的學(xué)科和領(lǐng)域很廣。不同類別的儀器從基本原理、結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)用范圍到操作使用技術(shù)，都有非常大的差別，所涉及的內(nèi)容往往涵蓋多個學(xué)科領(lǐng)域，任課教師由于種種條件的限制，不可能對所有的儀器方法都精通。另外，隨著近年來科技的發(fā)展，儀器制造技術(shù)得到了極大的提高，計算技術(shù)在儀器方法中得到了普遍的應(yīng)用，各種新理論、新技術(shù)不斷地用于精密分析儀器之中，先進的分析儀器不斷出現(xiàn)。這種狀況大大增加了儀器分析理論與技術(shù)的復(fù)雜性，因此可以說，多學(xué)科交叉性是儀器分析課程在教學(xué)上的最大難點[3-4]。

對此，教師可以充分利用直觀性教學(xué)的手段，把儀器分析多學(xué)科交叉、知識面廣、技術(shù)手段多樣的特點形象地展示給學(xué)生，使學(xué)生在感知認(rèn)識的基礎(chǔ)上，體會分析儀器是怎樣把多種知識集成和應(yīng)用到一起的；另一方面，也可以通過儀器分析的手段，把分析測試技術(shù)應(yīng)用到多種科學(xué)領(lǐng)域。

2.2 通過直觀教學(xué)化繁為簡

現(xiàn)代分析儀器尤其是現(xiàn)代大型精密分析儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即便是同一種儀器，由于生產(chǎn)廠家不同，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不盡相同。再加上電子技術(shù)和計算機技術(shù)的應(yīng)用，很多儀器實現(xiàn)了小型化，多種復(fù)雜的功能都可以集成在很小的線路板或集成塊上。而儀器的操作使用則變得更加簡單[4]。這些在一定程度上加大了學(xué)生對分析原理理解的難度，導(dǎo)致一些學(xué)生在實際操作使用儀器時感到無所適從。在儀器分析課程教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)充分考慮這方面的因素，多開展直觀性教學(xué)，把理論講解和現(xiàn)場實物觀察有機地結(jié)合起來，使學(xué)生在直觀認(rèn)識的基礎(chǔ)上，理解分析過程的原理和分析理論。如目前廣泛使用的北京普析通用的原子吸收分光光度計，該儀器只有一個電源開關(guān)鍵，儀器的所有操作全部通過工作站進行反控。僅從外觀學(xué)生并不能看到儀器內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和基本的工作流程。在教學(xué)中，可以分為幾個模塊(銳線光源—原子化器—單色器—光電轉(zhuǎn)換裝置(數(shù)據(jù)工作站))幫助學(xué)生理解，把復(fù)雜的內(nèi)容理出條理；再通過讓學(xué)生對儀器各個部分進行實際觀察，消除對復(fù)雜儀器的神秘感。在實際操作時，只要按照工作站的操作流程，合理選擇儀器參數(shù)就可以輕松使用了。但如果弄不清儀器的原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對工作站的使用就不可能清楚、明了，因此，原理模型直觀和實物直觀簡化了學(xué)習(xí)過程。

2.3 采用虛擬手段進行形象模擬

分析儀器尤其是現(xiàn)代大型精密分析儀器大多價格昂貴、耗材量大且運行成本高。大型精密分析儀器在一定程度上體現(xiàn)了一所綜合性大學(xué)的辦學(xué)基礎(chǔ)、科研基礎(chǔ)和發(fā)展?jié)摿?，也關(guān)系到學(xué)校在專業(yè)領(lǐng)域中的影響力。目前，大型分析儀器已逐漸應(yīng)用于本科生的教學(xué)和學(xué)生實驗，但運行成本仍然是重要的制約因素。

解決運行成本高和大型儀器數(shù)量少等問題的有效手段是采用虛擬實驗手段，對相應(yīng)儀器結(jié)構(gòu)原理和儀器分析實驗進行模擬演示。這種形象直觀的手段可以幫助學(xué)生更好地理解相應(yīng)內(nèi)容。

2.4 在儀器分析課程中強調(diào)實踐性是直觀性教學(xué)的有效延伸

儀器分析課程教學(xué)的最終目的是使學(xué)生學(xué)會使用現(xiàn)代分析儀器，能夠利用分析儀器為科學(xué)研究和生產(chǎn)生活服務(wù)。因此，在該課程教學(xué)中必須強調(diào)實踐。只有通過實際應(yīng)用與操作，才能真正理解儀器的基本原理，才算學(xué)好了這一門知識。

在學(xué)生進行儀器分析實驗的過程中，通過引導(dǎo)學(xué)生對儀器實物的觀察，對儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解，熟悉儀器的性能，進而掌握儀器的分析原理。學(xué)生只有對儀器熟悉了，才能消除陌生感，再輔以具體的操作，就可以相對容易地掌握分析儀器的使用。

2.5 直觀介紹分析儀器的動態(tài)發(fā)展

在現(xiàn)有的教科書中，較常用的一本是朱明華編寫的《儀器分析》[5]，該教材雖經(jīng)3次修訂，但仍不能及時反映分析手段的最新發(fā)展和應(yīng)用情況，這就要求任課教師盡可能了解各種儀器及其應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)，在教學(xué)中不拘泥于現(xiàn)有教材，注意更新和補充新的內(nèi)容。在教學(xué)過程中，通過直觀性的引導(dǎo)，可以使學(xué)生掌握每一類型分析儀器的原理和結(jié)構(gòu)，通過形象或?qū)嵨镏庇^弄清楚新型儀器的實現(xiàn)方法、技術(shù)創(chuàng)新和分析原理。這樣就可以更好地開拓學(xué)生的視野，啟發(fā)學(xué)生的思維，提高他們的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性[6]。

3 直觀性原則在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用

在儀器分析教學(xué)中貫徹直觀性原則，依賴的是各種直觀教學(xué)形式。直觀教學(xué)是指使學(xué)生獲得感性知識所采用的教學(xué)方式，其形式主要有實物直觀、模像直觀、語言直觀、多媒體直觀等。

3.1 實物直觀

實物直觀是以實際的事物本身作為直觀對象進行的直觀活動。通過實物直觀，學(xué)生能加深對知識的感知。心理學(xué)研究表明，實物直觀是領(lǐng)會科學(xué)知識的起點，是學(xué)生由不知到知的開端，是知識掌握的首要環(huán)節(jié)。

在儀器分析課程教學(xué)中，讓學(xué)生實際觀察分析儀器，尤其是觀察了解儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、儀器各部件的設(shè)計特點、安裝方式、連接工藝等，是學(xué)生掌握儀器分析內(nèi)容的有效手段。

比如在氣相色譜的學(xué)習(xí)中，讓學(xué)生實際觀察填充柱和毛細管柱、熱導(dǎo)池檢測器和氫火焰離子化檢測器、燃氣鋼瓶和載氣鋼瓶、自動進樣閥和進樣針，學(xué)生就可以容易地理解它們的功能和區(qū)別，并產(chǎn)生深刻的認(rèn)識，這樣會比單純課堂講授的效果好得多。

3.2 模像直觀

模像直觀是運用各種手段對實物的模擬，包括圖片、圖表、模型、幻燈、錄音、錄像、電影、電視等。在儀器分析課程教學(xué)中，實物直觀雖然具有真實有效的特點，但往往受到實際條件的限制而無法使用；如大型精密儀器，不可能全面拆卸來讓學(xué)生進行觀察。模像直觀則能有效地彌補實物直觀的缺憾，借助某些技術(shù)手段對儀器的部件、結(jié)構(gòu)、流程、原理等進行模擬表達，以達到直觀的效果。在教學(xué)中，使用儀器圖片、結(jié)構(gòu)框圖、模擬流程、虛擬實驗室等模像直觀手段，對儀器分析教學(xué)很有幫助。比如在色譜知識的教學(xué)中，通過過程模擬解析不同組分在色譜柱上的分離過程，學(xué)生可以形象地把儀器色譜柱上這種看不到的分離過程直觀地進行感知，使學(xué)習(xí)過程形象生動，印象深刻。

3.3 語言直觀

語言直觀是教師運用自己的語言，借助學(xué)生已有的知識經(jīng)驗進行比喻描述，引起學(xué)生的感性認(rèn)識，達到直觀的效果。與前兩種直觀相比，語言直觀可以最大限度地擺脫時間、空間、物質(zhì)條件的限制，是最為便利和最為經(jīng)濟的。語言直觀的運用效果主要取決于教師本人的素養(yǎng)。在儀器分析教學(xué)中，可以精心設(shè)計教學(xué)語言，對儀器的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、原理、分析流程等進行形象直觀的描述，這將有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)。如原子吸收分光光度計的燃燒器，可以讓學(xué)生聯(lián)想家庭常用的燃氣灶；對于原子吸收模型、紫外吸收模型、紅外吸收模型等，可以結(jié)合物質(zhì)結(jié)構(gòu)原理進行直觀性描述。

3.4 多媒體直觀

多媒體教學(xué)已經(jīng)成為儀器分析教學(xué)中廣泛使用的手段。通過教學(xué)設(shè)計，合理選擇和運用現(xiàn)代教學(xué)媒體，并與傳統(tǒng)教學(xué)手段有機組合，共同參與教學(xué)全過程，以多種媒體信息將儀器分析的復(fù)雜內(nèi)容傳遞給學(xué)生，形成合理的教學(xué)結(jié)構(gòu)，可以達到最優(yōu)化的教學(xué)效果。如使用多媒體動畫演示儀器的使用方法，播放儀器結(jié)構(gòu)、試驗過程的教學(xué)視頻，使用網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室進行網(wǎng)上虛擬儀器分析實驗等。這些方法可以達到提高學(xué)生學(xué)習(xí)注意力、增強學(xué)習(xí)興趣、易于理解教學(xué)內(nèi)容的目的。

綜上所述，在儀器分析教學(xué)中運用直觀性原則既符合一般性教學(xué)規(guī)律和認(rèn)知規(guī)律，又符合儀器分析課程的特點。在儀器分析教學(xué)過程中，應(yīng)當(dāng)不斷探索直觀性教學(xué)的原則和方法，使學(xué)生在輕松、直觀的教學(xué)氛圍中學(xué)到儀器分析的原理和精髓，只有深入這一教學(xué)領(lǐng)域，不斷進行教學(xué)實踐，才能真正體驗到這一原則的理論價值。

參 考 文 獻

[1] 李秉德.教學(xué)論.北京:人民教育出版社,1991

[2] 史炳星.學(xué)科教育,1998,9:42

[3] 汪爾康.21世紀(jì)的分析化學(xué).北京:科學(xué)出版社,1999

[4] 汪爾康.分析化學(xué)新進展.太原:山西科學(xué)技術(shù)出版社,1997

[5] 朱明華.儀器分析.北京:高等教育出版社,2008

[6] 孫悅.中國醫(yī)藥導(dǎo)報,2008,5(1):89