在本科理論與實(shí)踐課程中引入觀摩實(shí)驗(yàn)的探討

成漢文+唐意紅+羅謹(jǐn)

摘 要 文章簡要介紹了本科生理論與實(shí)踐課程中通過觀摩DEMO（演示實(shí)驗(yàn)）引進(jìn)原子、分子尺寸的概念對于本學(xué)生從理論上理解儀器分析中給定物質(zhì)的大小和原子數(shù)的重要意義，結(jié)合國際合作課題組在DEMO方面已有的經(jīng)驗(yàn)，指出了如何在“中級儀器分析”（雙語授課）課程中幫助學(xué)生真正建立明晰的分子、原子概念，從而將理論更好地與實(shí)踐相結(jié)合。

關(guān)鍵詞 理論與實(shí)踐 演示實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改革

中圖分類號：G642 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.09.024

Discussion on Introducing Observation Experiment in

Undergraduate Theory and Practice Courses

CHENG Hanwen[1]， TANG Yihong[1]， LUO Jin[2]

（[1] School of Chemical and Environmental Engineering， Shanghai Institute of Technology， Shanghai 201418;

[2] State University of New York at Binghamton （Binghamton）， New York， America 13902）

Abstract This paper introduces the theory and practice of undergraduate courses introduce atomic， molecular size by observation DEMO （Demonstration Experiment） concept for the present students theoretical understanding of instrumental analysis is important given the size of the substance and the atoms， combined with international cooperation project group has experience in DEMO respect， pointing out how to help students in the "intermediate instrumental analysis" （Bilingual teaching） course really establish clear molecules， atoms concept， which will better combine theory and practice.

Key words theory and practice; demonstration experiment; teaching reform

對于本科生來說，理論與實(shí)踐的教學(xué)課程有很多，而對于許多化學(xué)專業(yè)的學(xué)生而言，儀器分析類課程將理論和實(shí)踐很好地結(jié)合在了一起。而在這些儀器類課程中所涉及的光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡（TEM）等顯微技術(shù)如今在本科生的實(shí)驗(yàn)室中并不陌生。但是仍然有很多學(xué)生在學(xué)習(xí)中接觸到的原子和分子尺度概念時候理解不清晰。

在上述的一系列技術(shù)中，盡管實(shí)踐用儀器（如TEM）的分辨率高一些，這些技術(shù)卻均不能提供原子級的分辨率。自從20世紀(jì)80年代早期G. Binnig和H. Rohrer（1986年獲得諾貝爾物理學(xué)獎）發(fā)明了STM（掃描隧道顯微鏡），研究者們對STM儀器和應(yīng)用的興趣呈爆炸式增長，并因此在原子/分子水平上開辟了科學(xué)和工程的許多新領(lǐng)域。

為什么要讓本科生在本科學(xué)習(xí)階段就要觀察和了解原子這樣理論而又抽象的概念呢？首先，因?yàn)椴牧现性踊蚍肿拥拇嬖谑且粋€重要的化學(xué)概念。學(xué)生通常對一個已知物質(zhì)中的原子大小和數(shù)目的認(rèn)知感到困難。光學(xué)顯微鏡可以用來檢查物體的細(xì)節(jié)，但是只有物體的大小大于光的波長才能被觀察到，小到原子級別則無法達(dá)到可視化。其次，納米尺度上的原子排列決定了材料的宏觀性能。通常學(xué)生難以將相似元素組成的材料宏觀性能與原子級的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起來。

在分析化學(xué)專業(yè)的本科生課程設(shè)計中，像儀器分析課程這類理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程都是必修課程。隨著各種檢測技術(shù)不斷更新，化學(xué)/材料類本科生也應(yīng)該對儀器分析技術(shù)的發(fā)展趨勢有所了解。自從納米技術(shù)的問世，在納米材料表面通過特定的設(shè)計實(shí)現(xiàn)原子/分子級別特殊排列成為研究者們追求特異納米功能的重要途徑。所以通過儀器分析的檢測手段讓本科生增強(qiáng)他們的原子、分子概念對于培養(yǎng)我們的本科生適應(yīng)更快的科學(xué)發(fā)展尤為重要。

在“中級儀器分析”這門課程中有一章節(jié)將電化學(xué)方法中的理論知識點(diǎn)——庫倫分析法和原子層中原子個數(shù)的計算聯(lián)系了起來。如，一定的電流和時間將會在1cm2中沉積多少個銅原子？一定個數(shù)的銅原子需要多大的電流才能在一定的時間里沉積滿一個單原子層/1cm2？在這一章節(jié)的學(xué)習(xí)中我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對原子水平的理解甚少，進(jìn)而對這一量化計算過程感到陌生?？紤]到學(xué)科發(fā)展的需要以及培養(yǎng)學(xué)生知識面的完整性，我們決定在“中級儀器分析”這門課程中引進(jìn)表征原子尺寸的有關(guān)手段。然后，盡管在各大高校中STM和AFM等儀器已不罕見，但是此類儀器常常放置在研究中心或重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室供科研、創(chuàng)新項目使用，所以本科教學(xué)的實(shí)驗(yàn)中引入這類儀器的教學(xué)環(huán)節(jié)還是有一定的難度。早在2002年，美國紐約州立大學(xué)賓漢頓分校分析/材料系就有過報道，關(guān)于本科生動手做STM的檢測實(shí)驗(yàn)進(jìn)而對原子和分子概念有了較深刻、全面的理解，并且該校本科生的這一實(shí)驗(yàn)過程均已錄制存檔?？紤]到我們的“中級儀器分析”課程是雙語授課，（下轉(zhuǎn)第137頁）（上接第50頁）所以我們利用該校的實(shí)驗(yàn)攝像和網(wǎng)絡(luò)版動畫作為教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)（DEMO）的工具。并且在DEMO觀摩實(shí)驗(yàn)前后，我們對本科生進(jìn)行了一些有關(guān)于原子、分子尺度問題的調(diào)查，來評估他們在這樣的教學(xué)模式中獲益的程度。在DEMO觀摩實(shí)驗(yàn)過程中，我們給學(xué)生進(jìn)行了詳細(xì)的講解，如下：

（1）DEMO（演示實(shí)驗(yàn)）程序。考慮到“中級儀器分析”課程是雙語課，所以我們利用國際合作課題組以本科生的STM動手實(shí)驗(yàn)過程為素材制成的錄像和網(wǎng)絡(luò)版動畫作為教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)（DEMO）的工具。在理論課程中，詳細(xì)講解DEMO的實(shí)驗(yàn)步驟和關(guān)鍵性問題。在DEMO演示過程中，使用了STM對具體的樣品（如高度有序的熱解石墨，HOPG）進(jìn)行了成像。

（2）數(shù)據(jù)處理和討論的額外方向及注意事項。在DEMO實(shí)驗(yàn)觀摩過程中，學(xué)生們記錄的圖像實(shí)際原子分辨率各異。但是因?yàn)槲覀兊哪康氖桥囵B(yǎng)學(xué)生具備基本的成像概念去觀摩實(shí)驗(yàn)，所以允許這樣的差異存在。

在DEMO實(shí)驗(yàn)觀摩過程中，學(xué)生們思考了許多有關(guān)于理論方面的原子級概念的引導(dǎo)性問題，讓其在實(shí)驗(yàn)報告中闡述。例題包括：樣品為什么觀察到“六元環(huán)中的三個原子”這樣的排列而不是“六元環(huán)中的六個原子”排列;怎么計算原子個數(shù)/平方厘米或摩爾數(shù)/平方厘米形式的表面堆積密度等等。

（3）對學(xué)生的評估。在介紹SPM講座和觀摩DEMO實(shí)驗(yàn)之前我們對學(xué)習(xí)過相關(guān)理論課程（儀器分析類）學(xué)生進(jìn)行了內(nèi)部調(diào)查，目的是為了評估DEMO實(shí)驗(yàn)觀摩前后本科學(xué)生在學(xué)習(xí)原子尺度的概念時取得的任何進(jìn)步。得到的結(jié)果是平均分低，驗(yàn)證了我們的最初估計：學(xué)生對原子尺度的概念了解甚少。在最后的測試中，我們設(shè)計的問題也涉及到了這些概念。我們發(fā)現(xiàn)通過這些練習(xí)使得學(xué)生們對原子尺度概念的感知有了顯著的改善。以DEMO觀摩實(shí)驗(yàn)的觀察、測試、口頭報告以及分析儀器方法特殊項目和分析化學(xué)導(dǎo)論課程的最終報告等作為基礎(chǔ)，對這方面進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。

總之，我們已經(jīng)在理論與實(shí)踐結(jié)合的中級儀器分析雙語課程中引入一種新的DEMO觀摩實(shí)驗(yàn)，使得本科生可以不進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室即可了解到STM。DEMO觀摩實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)晶體材料的原子尺度可視化。學(xué)生們從觀摩實(shí)驗(yàn)中掌握了原子尺度的概念將會對他們進(jìn)一步的探究性學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)活動有益。我們鼓勵其他人也考慮將本觀摩實(shí)驗(yàn)引進(jìn)本科的理論與實(shí)踐教學(xué)中來。

本文是上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院引進(jìn)人才基金項目（No：1012 0K156009-YJ2015-9）、2015年“上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃”（No：1021ZK151009005-ZZyy15099）研究成果

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