試論大學(xué)理科分析化學(xué)教材建設(shè)

吳守國 江萬權(quán) 邵利民 金谷

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)系 安徽合肥 230026)

目前，高校理科化學(xué)類本科生使用的分析化學(xué)課程教材一般可分為兩種：其一是使用《分析化學(xué)》和《儀器分析》兩種教材；其二是使用《分析化學(xué)》一種教材。前者的課程設(shè)置方式為分析化學(xué)、儀器分析兩門課程，后者的課程設(shè)置方式為分析化學(xué)一門課程。作為四大基礎(chǔ)化學(xué)之一的分析化學(xué)，就目前使用的教材而言，與無機化學(xué)、有機化學(xué)及物理化學(xué)相比，無論是從教材結(jié)構(gòu)的合理性還是從與分析化學(xué)學(xué)科體系的對應(yīng)性來看，都存在著較大的差距。本文試圖從分析化學(xué)的理論體系與學(xué)科發(fā)展的角度，探討大學(xué)理科分析化學(xué)教材的建設(shè)問題。

1 傳統(tǒng)分析化學(xué)教材的結(jié)構(gòu)體系

1.1 定性分析+定量分析

德國分析化學(xué)家C.R.Fresenius的《定性分析導(dǎo)論》(1841年)和《定量分析導(dǎo)論》(1846年)將分析化學(xué)的理論體系分為定性分析和定量分析兩部分。這是最早出版的分析化學(xué)教材，加上后來德國分析化學(xué)家F. Mohr的專著《化學(xué)分析滴定法教程》(1855年)及W. Ostward的專著《分析化學(xué)科學(xué)基礎(chǔ)》(1894年)，奠定了經(jīng)典分析化學(xué)中定性分析與定量分析的理論基礎(chǔ)。從此分析化學(xué)教材一直沿用定性分析+定量分析的理論體系。

經(jīng)典分析化學(xué)的理論基礎(chǔ)為溶液化學(xué)反應(yīng)理論。定性分析主要是依據(jù)溶液化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生沉淀、氣體(味)以及顏色的變化等現(xiàn)象，對無機離子進行定性鑒定。定量分析主要是滴定分析(亦稱容量分析)，依據(jù)是溶液定量化學(xué)反應(yīng)理論、滴定突躍及指示劑變色原理。由于受溶液化學(xué)反應(yīng)條件的限制，反應(yīng)物的濃度不能太低，所以經(jīng)典的定量分析只能屬于常量分析范圍。

1.2 化學(xué)分析+儀器分析

20世紀(jì)50年代以后，隨著各種新分析儀器的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，儀器分析的概念也逐漸形成。人們逐漸把分析化學(xué)的學(xué)科體系由定性分析和定量分析改為化學(xué)分析與儀器分析，與其相應(yīng)的是，大學(xué)理科的分析化學(xué)教材名稱也逐漸演變?yōu)椤痘瘜W(xué)分析》[1-3]和《儀器分析》[4-6]。所謂化學(xué)分析，包括經(jīng)典的定性分析與定量分析；而儀器分析主要包括電化學(xué)分析、原子光譜和分子光譜分析、色譜分析，另外還有核磁共振、紅外光譜、熱分析、質(zhì)譜分析以及X射線衍射分析等結(jié)構(gòu)分析方法。

1.3 分析化學(xué)+儀器分析

20世紀(jì)70年代末，人們又把化學(xué)分析(包括定性分析與容量滴定)加上分光光度法及定量分離等內(nèi)容稱為分析化學(xué)[7]， 后來又把無機離子定性分析部分刪去[8]，大學(xué)分析化學(xué)教材名稱也相應(yīng)變?yōu)椤斗治龌瘜W(xué)》和《儀器分析》。

1.4 “大”分析化學(xué)(化學(xué)分析與儀器分析合并)

2000年以后，部分教材將化學(xué)分析或分析化學(xué)與儀器分析內(nèi)容合并，變成所謂的“大”分析化學(xué)教材[9-12]。但這類教材只是從形式上把分裂的分析化學(xué)進行了簡單的內(nèi)容合并，而教材的結(jié)構(gòu)體系并沒有實質(zhì)的改變。

2 目前分析化學(xué)教材建設(shè)中存在的問題

教材是學(xué)生接受科學(xué)知識的平臺，是教師傳授科學(xué)知識的依據(jù)。好的教材要簡而精，理論知識系統(tǒng)，層次結(jié)構(gòu)有序。在這一方面，無機化學(xué)、有機化學(xué)和物理化學(xué)都編寫和出版了一些經(jīng)典教材。但是從目前已出版和使用的分析化學(xué)教材來看，無論是《分析化學(xué)》還是《分析化學(xué)》加《儀器分析》，都很難明確表達出現(xiàn)代分析化學(xué)的理論體系與學(xué)科內(nèi)涵。

首先從儀器分析教材說起。顧名思義，儀器分析就是利用分析儀器進行分析，很難說清它是一門學(xué)科還是一門實驗技術(shù)。儀器分析是相對于化學(xué)分析而言的。從教材內(nèi)容上看，化學(xué)分析的內(nèi)容包含的是傳統(tǒng)分析化學(xué)中的定量分析，而儀器分析則是現(xiàn)代分析化學(xué)的內(nèi)容，這就在無形中將整個分析化學(xué)的理論體系及傳承發(fā)展分割開來。早期的儀器分析教材是以光譜分析(原子發(fā)射與吸收、紫外可見分光光度)、色譜分析(氣相和液相)和電化學(xué)分析(電位和極譜分析)為主要內(nèi)容，這些主要是微量成分的定量分離與分析方法。20世紀(jì)80年代以后，隨著各種結(jié)構(gòu)與表面分析方法的迅速發(fā)展，儀器分析內(nèi)容的重點也逐漸轉(zhuǎn)向表征分析。隨著現(xiàn)代分析化學(xué)的快速發(fā)展，各種新儀器和新方法層出不窮，而儀器分析教材的章節(jié)通常是按方法編排，越增越多，以至成為20多章甚至30章之多的大部頭。所以，現(xiàn)在的儀器分析教材往往是各種儀器分析方法的羅列，結(jié)構(gòu)上顯得雜亂，缺乏可閱讀性。更為重要的是，許多學(xué)校只把化學(xué)分析列為基礎(chǔ)課程，而將儀器分析作為選修課或?qū)I(yè)課，使非分析化學(xué)專業(yè)的學(xué)生難以了解現(xiàn)代分析化學(xué)學(xué)科的全貌，無從掌握分析化學(xué)的精髓。

再說說“大”分析化學(xué)教材。2000年以來，許多分析化學(xué)教學(xué)工作者逐漸認識到上述分析化學(xué)課程設(shè)置的弊端以及教材的缺陷，嘗試著將化學(xué)分析教材與儀器分析教材合并，編寫出了“大”分析化學(xué)教材?！按蟆狈治龌瘜W(xué)教材的出版從某種程度上改善了分析化學(xué)教學(xué)與教材建設(shè)中的不足，并且從教材的結(jié)構(gòu)體系上也進行了一些有益的嘗試。但從整體上看，結(jié)構(gòu)體系還不夠明晰，章節(jié)仍顯雜亂。

綜上，目前大學(xué)理科分析化學(xué)教材的編寫無論是從學(xué)科的理論體系上還是從教材結(jié)構(gòu)和章節(jié)內(nèi)容方面都需要進行革新。筆者以為，從學(xué)科的理論體系上，應(yīng)該徹底摒棄儀器分析的概念，分別從定量分析和結(jié)構(gòu)與表面分析(或“表征”)的角度介紹分析化學(xué)。從教材結(jié)構(gòu)和章節(jié)內(nèi)容方面，應(yīng)該強調(diào)“量”(定量)和“性”(結(jié)構(gòu)與表面)的概念，從分析目的出發(fā)去組織和介紹相關(guān)分析方法。

3 關(guān)于分析化學(xué)教材結(jié)構(gòu)體系的探索

現(xiàn)代分析化學(xué)的內(nèi)涵已遠非經(jīng)典分析化學(xué)可比。從定量分析來說，已經(jīng)從傳統(tǒng)的常量分析發(fā)展到微量分析和痕量分析，其理論基礎(chǔ)是建立在極譜學(xué)、色譜學(xué)和光譜學(xué)理論之上。此外，化學(xué)傳感技術(shù)和化學(xué)計量學(xué)方法也逐漸成為現(xiàn)代定量分析化學(xué)的重要組成部分。另一方面，從定性分析來說，也已經(jīng)從單純的無機離子的定性鑒定發(fā)展到對物質(zhì)的表征，主要體現(xiàn)在對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和表面分析，其理論基礎(chǔ)主要是波譜理論以及表面化學(xué)和表面物理理論。雖然經(jīng)典分析化學(xué)關(guān)于定性分析和定量分析的學(xué)科體系仍然適用于現(xiàn)代分析化學(xué)，但需要賦予全新的現(xiàn)代內(nèi)涵。

Laitinen[13]在定義分析化學(xué)的概念時指出，分析化學(xué)是“測量”和“表征”的科學(xué)。這里的“測量”，是對定量分析而言，而“表征”則是現(xiàn)代意義上的定性分析，即對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和表面分析。Kellner等[14]在他們所著的《分析化學(xué)》一書的前言中指出分析化學(xué)是發(fā)展和應(yīng)用方法、儀器與策略獲取物質(zhì)組成和性質(zhì)的科學(xué)，也是強調(diào)了定性分析與定量分析的概念。因此現(xiàn)代分析化學(xué)的學(xué)科體系應(yīng)該包括定量分析和表征分析(結(jié)構(gòu)與表面分析)。

基于上述理念，要編寫好分析化學(xué)教材，必須徹底改變目前分析化學(xué)教材的結(jié)構(gòu)體系。在化學(xué)類教材的編寫中，無機化學(xué)、有機化學(xué)和物理化學(xué)都有成功的經(jīng)驗，并出版了一些經(jīng)典教材。比如，無機化學(xué)的上下冊分別是“化學(xué)反應(yīng)與化學(xué)平衡”和“元素化學(xué)”的內(nèi)容；有機化學(xué)的上下冊分別是“有機物結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與有機反應(yīng)”和“有機合成”的內(nèi)容；物理化學(xué)的上下冊分別是“化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)”和“化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)”的內(nèi)容。它們的共同特點是：學(xué)科體系突出、章節(jié)結(jié)構(gòu)清晰、教學(xué)重點明確。我們在探索分析化學(xué)教材的結(jié)構(gòu)體系與章節(jié)組織時，借鑒了無機化學(xué)、有機化學(xué)和物理化學(xué)等經(jīng)典教材的成功經(jīng)驗，提出了分析化學(xué)教材的編寫提綱。分析化學(xué)教材可分為上、下兩冊，其中上冊內(nèi)容為“定量分析化學(xué)”部分，下冊內(nèi)容為“結(jié)構(gòu)與表面分析化學(xué)”部分。具體結(jié)構(gòu)體系和章節(jié)內(nèi)容如下：

《分析化學(xué)》上冊的章節(jié)內(nèi)容包括：

第1章 定量分析化學(xué)概論

強調(diào)量的概念。常量分析、微量(痕量)分析、單分子(原子)檢測、化學(xué)傳感器、半定量、化學(xué)計量學(xué)、靈敏度、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性、檢測能力(檢出限)等。

第2章 分析結(jié)果表達與誤差分析

系統(tǒng)誤差與隨機誤差、隨機誤差的正態(tài)分布、少量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理、顯著性檢驗、異常值取舍、系統(tǒng)誤差消除、分析結(jié)果表達、分析方法驗證等。

第3章 定量化學(xué)反應(yīng)

化學(xué)反應(yīng)計量、換算因子、定量滴定反應(yīng)、滴定突躍、指示劑、滴定分析結(jié)果計算。

第4章 滴定分析法

酸堿滴定、配位滴定、氧化還原滴定、重量法與沉淀滴定、滴定分析的誤差計算等。

第5章 定量化學(xué)分離

回收率和分離因子、沉淀分離、萃取分離、離子交換分離等。

第6章 原子光譜分析法

原子基態(tài)與激發(fā)態(tài)、原子的發(fā)射和吸收光譜、原子發(fā)射光譜分析、原子吸收光譜分析、原子熒光和磷光。

第7章 分子光譜分析法

分子基態(tài)與激發(fā)態(tài)、紫外-可見光分光光度法、分子發(fā)光分析(熒光和化學(xué)發(fā)光)等。

第8章 色譜分析法

色譜分析原理(塔板理論和范氏方程)、氣相色譜法、高效液相色譜法、毛細管電泳等。

第9章 電化學(xué)分析法

電位分析、電解與庫侖分析、極譜法、現(xiàn)代伏安法等。

第10章 化學(xué)傳感器

化學(xué)傳感器原理、氣體傳感器、光纖化學(xué)傳感器、電化學(xué)傳感器(電位型、電流型、酶傳感器)等。

第11章 化學(xué)計量學(xué)方法

化學(xué)計量學(xué)的概念、隨機變量、總體、個體和樣本、卷積和去卷積、多元線性回歸、因子分析、主成分回歸法和偏最小二乘法、常用信號處理方法等。

《分析化學(xué)》下冊的章節(jié)內(nèi)容包括：

第1章 結(jié)構(gòu)和表面分析概論

電磁輻射與波譜分析、光的衍射與散射、粒子與表面的相互作用、顯微分析等。

第2章 有機元素分析

化學(xué)分析法、元素分析儀等。

第3章 碳氫結(jié)構(gòu)分析

分子的核磁共振原理、核磁共振氫譜分析和核磁共振碳譜分析。

第4章 有機官能團分析

有機官能團的吸收光譜、紫外吸收光譜分析、紅外吸收光譜分析等。

第5章 分子結(jié)構(gòu)表征

質(zhì)譜學(xué)原理、色質(zhì)聯(lián)用、GC-MS定性分析、GC-MS定量分析等。

第6章 晶體結(jié)構(gòu)表征

X 射線衍射原理、單物相定性分析、多晶混合物相定性分析、X射線定量相分析、晶粒大小和晶格畸變的測定、宏觀殘余應(yīng)力的測定、多晶體織構(gòu)的測定等。

第7章 物性與相變分析

熱分析原理、熱重法、差熱分析法、差示掃描量熱法等。

第8章 物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)分析

光電子能譜(XPS或ESCA)、俄歇電子能譜(AES)、低能電子衍射(LEED)、低能電子損失譜(LELS)、表面拉曼光譜(SRS)、離子探針分析或二次離子質(zhì)譜(SIMS)、場離子顯微分析(FIM)等。

第9章 物質(zhì)表面形貌分析

掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、表面光譜(化學(xué))成像分析等。

第10章 粒度分析

粒度的概念、光學(xué)顯微分析、激光散射分析、動態(tài)分析法等。

4 分析化學(xué)教材編寫中需注意的問題

上述分析化學(xué)教材的結(jié)構(gòu)體系具有3個明顯的優(yōu)點：(1) 作為四大基礎(chǔ)化學(xué)之一的分析化學(xué)教材，從章節(jié)結(jié)構(gòu)與組織形式上與無機化學(xué)、有機化學(xué)及物理化學(xué)教材達到相對一致；(2) 從“定量”和“表征”的概念出發(fā)，學(xué)生可以全面了解分析化學(xué)學(xué)科的全貌；(3) 從教材建設(shè)的角度，便于形成經(jīng)典教材。當(dāng)新的分析儀器和新的分析方法出現(xiàn)時，可以方便地增加到相應(yīng)章節(jié)中去。

在分析化學(xué)教材編寫中有幾點需要注意:

首先，關(guān)于分析儀器的描述應(yīng)該刪繁就簡。在教材編寫中，不可避免地要遇到對分析儀器的介紹。凡涉及到分析儀器的硬件結(jié)構(gòu)以及技術(shù)參數(shù)，應(yīng)盡可能使用結(jié)構(gòu)原理圖，并輔以簡要文字說明，而不必詳細描述。其次，關(guān)于實驗方法的介紹，一般只需要給出實驗結(jié)果，能夠說明相關(guān)理論即可。除非必要，應(yīng)當(dāng)盡量避免對樣品制備、實驗步驟、結(jié)果討論等內(nèi)容的敘述。這兩方面問題在無機化學(xué)、有機化學(xué)及物理化學(xué)的經(jīng)典教材中都有成功經(jīng)驗，如果處理不當(dāng)，會嚴(yán)重沖淡教材的主題，并可能使教材內(nèi)容冗長乏味，缺乏可讀性。

另外，對于例題和習(xí)題的編寫，要緊扣基礎(chǔ)知識。適當(dāng)?shù)睦}和習(xí)題便于學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的深入理解。對于分析化學(xué)歷史上有影響的歷史名人、重大事件等，可以摘要性地附于每章文后，以增強教材的可讀性和趣味性。

本文只是筆者的一隅之見。筆者希望通過本文拋磚引玉，為建設(shè)分析化學(xué)經(jīng)典教材貢獻微薄之力。

參 考 文 獻

[1] 武漢大學(xué)分析化學(xué)教研室.化學(xué)分析(上冊).北京:人民教育出版社,1976

[2] 武漢大學(xué)分析化學(xué)教研室.化學(xué)分析(下冊).北京:人民教育出版社,1978

[3] 南京大學(xué)分析化學(xué)教研室.化學(xué)分析.北京:人民教育出版社,1982

[4] 趙藻藩,周性堯,張悟銘,等.儀器分析.北京:人民教育出版社,1990

[5] 鄧勃,寧永成,劉密新.儀器分析.北京:清華大學(xué)出版社,1991

[6] 朱明華.儀器分析.北京:高等教育出版社,1983

[7] 武漢大學(xué).分析化學(xué).第2版.北京:高等教育出版社,1982

[8] 武漢大學(xué).分析化學(xué).第4版.北京:高等教育出版社,2000

[9] 武漢大學(xué).分析化學(xué)(上冊).第5版.北京:高等教育出版社,2006

[10] 武漢大學(xué).分析化學(xué)(下冊).第5版.北京:高等教育出版社,2007

[11] 李克安.分析化學(xué)教程.北京:北京大學(xué)出版社,2005

[12] 吳興良,宋萬森,馬琳.分析化學(xué)原理.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010

[13] Laitinen H A.AnalChem,1980,52:605A

[14] Kellner R,Mermet J M,Otto M,etal.Analytical Chemistry.Weinheim:Wiley-Vch,1998