儀器分析課程立體知識(shí)體系構(gòu)建的思考與實(shí)踐

石乃恩

【摘 要】立足基礎(chǔ)，著眼未來(lái)，培養(yǎng)基本理論知識(shí)扎實(shí)和實(shí)踐能力突出的創(chuàng)新型人才是高等教育的核心任務(wù)。本文針對(duì)短學(xué)時(shí)的儀器分析課堂，提出構(gòu)建該課程立體知識(shí)體系的做法，透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，建立三維有機(jī)框架，充分利用課下資源，攻破教學(xué)難點(diǎn)，理論聯(lián)系實(shí)際，提升課堂高度，為國(guó)家培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)需求的優(yōu)秀人才。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)改革；立體化；知識(shí)系統(tǒng)；儀器分析

0 前言

在當(dāng)前“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的時(shí)代背景下，立足基礎(chǔ)，著眼未來(lái)，培養(yǎng)具有扎實(shí)知識(shí)基礎(chǔ)和優(yōu)秀科學(xué)素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才是高等教育的核心任務(wù)。高等學(xué)校面向“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重能力、求創(chuàng)新”的培養(yǎng)目標(biāo)，通過(guò)專業(yè)課程的教學(xué)，著力培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代要求的現(xiàn)代化人才。儀器分析在人類的生活生產(chǎn)活動(dòng)中占有重要的地位，人類社會(huì)面臨的“五大危機(jī)”即資源、能源、人口、糧食以及環(huán)境問(wèn)題的解決，都與儀器分析密切相關(guān)。儀器分析課程是材料和化學(xué)相關(guān)專業(yè)本科課程體系中的重要部分，是學(xué)生必須掌握的現(xiàn)代分析技術(shù)。以下結(jié)合本人在材料相關(guān)專業(yè)儀器分析課程的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，談一談學(xué)生立體知識(shí)體系構(gòu)建的一些做法。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

儀器分析通過(guò)使用現(xiàn)代的分析儀器來(lái)獲知物質(zhì)的化學(xué)組成、含量和結(jié)構(gòu)的信息，主要內(nèi)容包括光譜分析、電化學(xué)分析和色譜分析三大部分，其中包含十幾種常用的分析測(cè)試方法。每類方法主要知識(shí)結(jié)構(gòu)包括分析方法的原理，儀器的結(jié)構(gòu)以及分析應(yīng)用部分，是一門多學(xué)科交叉的課程。有些方法其原理部分涉及量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)，而且每種方法分析應(yīng)用部分又有非常強(qiáng)的實(shí)踐性，需要輔以一定的實(shí)踐訓(xùn)練，這對(duì)教師授課時(shí)對(duì)知識(shí)面及其深度和難度的把握提出了比較高的要求。由于課程的高度學(xué)科交叉性、內(nèi)容的廣泛性和抽象性，這就要求學(xué)生要有比較扎實(shí)的先修課程基礎(chǔ)，以及較好的聯(lián)想和歸納學(xué)習(xí)能力，學(xué)生學(xué)起來(lái)也有一定難度。有的學(xué)生對(duì)先修課程，比如大學(xué)化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等，基礎(chǔ)不扎實(shí)，嚴(yán)重影響對(duì)課堂知識(shí)的理解、建構(gòu)和運(yùn)用。我們學(xué)校這門課程的學(xué)時(shí)是32學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)短，任務(wù)重。針對(duì)當(dāng)前教學(xué)的一系列問(wèn)題，需要充分利用課下課上資源，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方法上下功夫，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)和鞏固舊知識(shí)的能力，幫助學(xué)生加深理解、融會(huì)貫通、掌握常用的儀器分析方法。

2 透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)

突出知識(shí)脈絡(luò)，構(gòu)建三維知識(shí)框架，建設(shè)適合材料、化學(xué)或相關(guān)專業(yè)的儀器分析課程知識(shí)體系。

2.1 理清知識(shí)縱橫主干，編織知識(shí)體系的二維結(jié)構(gòu)

因?yàn)閮x器分析中的內(nèi)容比較繁雜，不可能對(duì)每種方法的所有部分都詳細(xì)講解，因此授課時(shí)透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，看到不同方法之間的聯(lián)系，找到知識(shí)的主線。比如，緒論中提到，所有的儀器都包括信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)檢測(cè)器和信號(hào)處理器，所以，所有的分析方法都是利用不同的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的組成、含量或結(jié)構(gòu)的分析，即定性和定量的分析。電化學(xué)分析中，根據(jù)電信號(hào)的位置和大小進(jìn)行物質(zhì)的定性和定量的分析；光學(xué)分析中，分別根據(jù)光譜的峰位和強(qiáng)度鑒定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和濃度；色譜分析中，分別根據(jù)色譜峰保留時(shí)間和峰高鑒定物質(zhì)的性質(zhì)和含量。以信號(hào)決定于物質(zhì)性質(zhì)與濃度這一基本規(guī)律作為構(gòu)建知識(shí)系統(tǒng)“長(zhǎng)”的維度?；诖?，進(jìn)一步對(duì)每一部分的各種方法進(jìn)行比較。

在講授分析方法的原理部分及儀器結(jié)構(gòu)部分時(shí)，尤其要注意比較其中所涵蓋的方法的區(qū)別和聯(lián)系。比如，在進(jìn)行光學(xué)分析教學(xué)時(shí)：在紫外可見吸收光譜儀、紅外吸收光譜儀、核磁共振波譜儀中，涉及的電磁輻射的波長(zhǎng)范圍分別是多少，分子或原子核受激激發(fā)的原理，各自反映的分子結(jié)構(gòu)方面的什么信息和儀器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。通過(guò)對(duì)類似可比的內(nèi)容進(jìn)行比較分析講述，從而將同一大類中的不同方法有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)建起知識(shí)體系“寬”的維度。這樣幫助學(xué)生理清知識(shí)脈絡(luò)，并從中學(xué)會(huì)接受新知識(shí)和鞏有知識(shí)的學(xué)習(xí)方法。

2.2 充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，增加拓展內(nèi)容，提升課程“高”度，形成三維立體知識(shí)體系

知識(shí)和技術(shù)更新?lián)Q代的周期在不斷縮短，信息化和網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代給高校帶來(lái)了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。教師可利用網(wǎng)絡(luò)資源為學(xué)生提供有關(guān)儀器分析方法和操作技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)鏈接和數(shù)據(jù)庫(kù)資源，豐富教學(xué)素材。另一方面，學(xué)生通過(guò)書本知識(shí)只能了解儀器分析的基本原理，并不知道其在社會(huì)生活和科學(xué)研究中的具體應(yīng)用，更不知道當(dāng)前形勢(shì)下分析儀器及分析方法發(fā)展的新動(dòng)向，極大地限制了學(xué)生的研究和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在課堂中為學(xué)生講授如何將經(jīng)典的儀器分析原理應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題，拓展他們的視野，提高其靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，提升課堂的“高”度。例如，在講解紫外–可見分光光度法時(shí)，可以結(jié)合不同的有機(jī)納米顆粒的紫外–可見吸收光譜的特征進(jìn)行講解，如根據(jù)吸收峰的位置可以區(qū)分不同大小和形狀的有機(jī)納米顆粒①；在課程每個(gè)章節(jié)的開始，可借分析方法在電子器件、能源、環(huán)境、食品與藥品安全等領(lǐng)域的應(yīng)用或一些熱點(diǎn)問(wèn)題，如飲用水中重金屬離子的檢測(cè)、環(huán)境中硝基爆炸物的檢測(cè)、飲料中抗氧化劑的分析、蛋奶制品中三聚氰胺的檢測(cè)等引出原子發(fā)射光譜、分子熒光光譜、紅外光譜分析、高效液相色譜等分析技術(shù)，再來(lái)講授其原理，賦予枯燥的內(nèi)容以營(yíng)養(yǎng)和水分，可引起學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

構(gòu)建和豐富“活學(xué)活用”這一“高”的維度，形成三維立體知識(shí)系統(tǒng)，不僅打下扎實(shí)的理論知識(shí)基礎(chǔ)，并且開拓學(xué)生的思維，提升他們的創(chuàng)新實(shí)踐能力，激發(fā)其學(xué)習(xí)的興趣。綜上，把基本理論知識(shí)立體化：以課程三大部分的縱向聯(lián)系為長(zhǎng)，每一部分各分析方法的橫向聯(lián)系為寬，靈活運(yùn)用為高，從長(zhǎng)、寬、高三維度進(jìn)行歸納和拓展，構(gòu)建有機(jī)聯(lián)系的完整的知識(shí)體系，進(jìn)而理解理論知識(shí)的內(nèi)涵，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 攻破教學(xué)難點(diǎn)

如前所述，該課程有些方法其原理部分較為抽象，而且每種方法分析應(yīng)用部分又有非常強(qiáng)的實(shí)踐性，需要輔以一定的實(shí)踐訓(xùn)練，這對(duì)教師授課時(shí)對(duì)知識(shí)面及其深度和難度的把握提出了比較高的要求。教師對(duì)內(nèi)容根據(jù)理解難度以及教學(xué)要求分別進(jìn)行劃分，指導(dǎo)學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)，對(duì)于大綱要求了解的并且相對(duì)易懂的敘述性文字內(nèi)容，以學(xué)生自學(xué)為主，課堂內(nèi)的主要精力放到需要掌握并且不易理解的難點(diǎn)和重點(diǎn)上，確保學(xué)生能夠?qū)W好，進(jìn)一步輔以課下讀書報(bào)告、實(shí)驗(yàn)課、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、與碩士生及博士生互動(dòng)等以結(jié)合感官認(rèn)識(shí)加強(qiáng)對(duì)抽象內(nèi)容的理解，并提高靈活運(yùn)用的能力。針對(duì)當(dāng)前大學(xué)生自主選課、知識(shí)背景有差異，以及不同基礎(chǔ)的學(xué)生對(duì)先修課程的掌握程度也有較大差異的情況，加強(qiáng)預(yù)習(xí)資料的布置，其中包括發(fā)放一些先修課程中涉及課堂內(nèi)容的復(fù)習(xí)性資料，以備學(xué)生擇需而用。學(xué)生通過(guò)預(yù)習(xí)和相關(guān)的復(fù)習(xí)，并進(jìn)一步明確重點(diǎn)和難點(diǎn)，從而可以有計(jì)劃的利用課堂，對(duì)比較熟悉的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)一步復(fù)習(xí)和鞏固，對(duì)難點(diǎn)內(nèi)容及時(shí)解決，從而有效提高課堂效率。課前準(zhǔn)備考核題目以檢驗(yàn)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)效果，課上予以抽查和討論。這不僅可以提高課堂效率，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，為當(dāng)前以及未來(lái)信息時(shí)代的現(xiàn)代化創(chuàng)新型人才打好自學(xué)能力的基礎(chǔ)。

通過(guò)以上過(guò)程，教師可以合理規(guī)劃課堂時(shí)間，把大部分的精力放到課堂的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，并補(bǔ)充拓展內(nèi)容，增加課堂趣味。比如在分子熒光光譜教學(xué)中，學(xué)生提前做好關(guān)于分子軌道理論和分子電子能級(jí)的復(fù)習(xí)，并結(jié)合前一章紫外-可見吸收光譜中有機(jī)化合物的電子躍遷和吸收帶等內(nèi)容，做好分子熒光光譜分析的預(yù)習(xí)。在課堂上講解能級(jí)圖及熒光去激發(fā)的途徑時(shí)，學(xué)生不會(huì)突然面對(duì)眾多陌生的名詞感到困惑；在此基礎(chǔ)上講授熒光光譜的特征這一重點(diǎn)內(nèi)容時(shí)會(huì)更游刃有余，如果進(jìn)一步對(duì)能級(jí)圖進(jìn)行逐步分解，采用動(dòng)畫進(jìn)行輔助講解，從而可使得學(xué)生對(duì)這部分難點(diǎn)內(nèi)容有清楚的認(rèn)識(shí)。此外，進(jìn)一步增加課程內(nèi)容的發(fā)展史，從而使學(xué)生更加清楚個(gè)人所修專業(yè)的學(xué)科發(fā)展脈絡(luò)，并在專業(yè)領(lǐng)域理解人類文明的進(jìn)步，激發(fā)學(xué)生的思考。1575年西班牙植物學(xué)家Monardes發(fā)現(xiàn)Lignum Nephriticum木頭切片的水溶液在陽(yáng)光的照射下顯示出天藍(lán)色的熒光；1852年斯托克斯發(fā)現(xiàn)熒光發(fā)射波長(zhǎng)比激發(fā)波長(zhǎng)要長(zhǎng)；1867年出現(xiàn)了里程碑式的首次關(guān)于熒光分析的工作，這是由Goppelsroder應(yīng)用鋁—桑色素配合物的熒光進(jìn)行鋁含量的測(cè)定②③。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹現(xiàn)代熒光光譜在科學(xué)研究的前沿發(fā)展和各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。這不僅拓展了學(xué)生的視野，更進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的思考與興趣。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，面向基本理論知識(shí)扎實(shí)的創(chuàng)新型人才這一培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)短學(xué)時(shí)課堂，一方面透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，構(gòu)建立體化的課程知識(shí)系統(tǒng)，以縱向聯(lián)系為長(zhǎng)，橫向聯(lián)系為寬，靈活運(yùn)用為高，從長(zhǎng)、寬、高三維度進(jìn)行歸納和拓展，另一方面，充分利用課下資源和時(shí)間，進(jìn)一步提高課堂效率，攻破教學(xué)難點(diǎn)，增加課堂趣味，密切聯(lián)系實(shí)際，為國(guó)家培養(yǎng)愛學(xué)習(xí)、樂(lè)創(chuàng)造的適應(yīng)未來(lái)需求的人才。

【參考文獻(xiàn)】

[1]甄淑君.儀器分析課程教學(xué)改革思考[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013，38：168.

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[3]任玉蘭，邵艷秋，羅玉杰.討論式教學(xué)法在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育與職業(yè)，2014，21：151.

注釋：

①Fu， H. B.； Yao， J. N. Journal of American Chemical Society [J]. 2001（123）： 1434.

②Muyskens， M. Journal of Chemical Education [J]. 2006（83）： 765.

③Acuna， A. U.； Amat-Guerri， F. Springer Series on Fluorescence： Methods and Applications [M]. New York： Springer-Verlag Berlin Heidelberg， 2008（4）： 3.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]