培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力探究
——以分光光度法測(cè)溶液濃度教學(xué)為例

蔣童童，周 勝

(安徽大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥230601)

在當(dāng)今科技時(shí)代，世界各國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)突出體現(xiàn)在人才的競(jìng)爭(zhēng)。培養(yǎng)創(chuàng)新型、科研型人才成為高等學(xué)校教學(xué)的重要目的。傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代教育變革大環(huán)境的需求，教學(xué)改革迫在眉睫[1-3]。2019 年9 月29 日，針對(duì)本科教育改革問(wèn)題，教育部提出了一系列提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見(jiàn)。明確提出教師要將科研中的新成果帶進(jìn)教學(xué)中，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科研活動(dòng)的指導(dǎo)，在科研環(huán)境中鍛煉學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。由此，足以見(jiàn)得創(chuàng)新、科研能力是社會(huì)對(duì)新時(shí)代人才培養(yǎng)的新要求。

材料物理實(shí)驗(yàn)是材料物理專(zhuān)業(yè)的必修課，該課程主要以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力為目的。為了培養(yǎng)符合社會(huì)需要的實(shí)用型人才，對(duì)學(xué)生溝通合作能力、科研思維以及自主能力的培養(yǎng)應(yīng)該作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要內(nèi)容。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程需要將學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)手段和解決科研問(wèn)題相結(jié)合。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，教師可以滲入學(xué)科前沿問(wèn)題，設(shè)置多個(gè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生利用前人的研究成果，通過(guò)討論分析，靈活變通地自主解決問(wèn)題。通過(guò)“實(shí)戰(zhàn)演習(xí)”的方式，幫助學(xué)生開(kāi)發(fā)創(chuàng)新思維，拓寬視野，從而使學(xué)生能夠適應(yīng)畢業(yè)后將面臨的角色轉(zhuǎn)變問(wèn)題，從容面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)。本文主要探討分光光度法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中，如何向?qū)W生提出探索性問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)自己分析問(wèn)題，解決問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1.學(xué)習(xí)分光光度法，了解朗伯-比爾定律及其適用條件，掌握紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的使用方法。

2.探索如何利用已知濃度的羅丹明6G水溶液，得出未知羅丹明6G 水溶液的濃度。引導(dǎo)學(xué)生靈活應(yīng)用已學(xué)的知識(shí)和技能，獨(dú)立設(shè)計(jì)，得出結(jié)果。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)原理

1.2.1 分光光度法

分光光度法即是根據(jù)被測(cè)物體的吸收光譜，依據(jù)光的吸收定律，對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行定性以及定量分析的方法。當(dāng)一束光（入射光的強(qiáng)度為I0）照射到某種物質(zhì)（通常為溶液）上時(shí)，和該材料發(fā)生作用，能量從光子轉(zhuǎn)移給該材料，材料從基態(tài)轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)，整個(gè)過(guò)程表現(xiàn)為該物質(zhì)對(duì)光的吸收（吸收光的強(qiáng)度為Ia）[4，5]。物質(zhì)吸收了某種顏色的光，而呈現(xiàn)出吸收光的互補(bǔ)色，即為材料的選擇性吸收。設(shè)透射光的強(qiáng)度為It，透光率的負(fù)對(duì)數(shù)即為吸光度A，滿足

不同濃度的同一物質(zhì)溶液表現(xiàn)出基本一致的吸收光譜形狀，但是吸收峰的強(qiáng)度不同，隨著濃度逐漸增大，峰高不斷增加。

1.2.2 朗伯-比爾定律

其中b 是光通過(guò)樣品的光程（cm），c 是物質(zhì)的量濃度（mol·L-1），ε 是摩爾吸收系數(shù)（L·mol-1·cm-1）。朗伯-比爾定律適用的條件有3 個(gè)要點(diǎn)：均勻介質(zhì)、低濃度和單色光。當(dāng)溶液濃度過(guò)高時(shí)，被測(cè)物質(zhì)粒子與粒子之間的相互作用較強(qiáng)，不可忽略，朗伯-比爾定律得出的線性關(guān)系將會(huì)被破壞。

1.2.3 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的原理

紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的光源為鎢燈（340nm-1500nm），在可見(jiàn)光區(qū)具有連續(xù)光譜。光譜通過(guò)單色器轉(zhuǎn)變成一系列的單色光，經(jīng)過(guò)出射狹縫選擇出特定波長(zhǎng)的單色光。將待測(cè)溶液和參比溶液分別倒在兩個(gè)完全相同的吸收池中，單色光穿過(guò)吸收池，透射光被光電探測(cè)器收集，光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)將電信號(hào)顯示出來(lái)。

1.2.4 提出科學(xué)問(wèn)題

發(fā)給學(xué)生紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)使用指南，另外，提供一瓶已知濃度的羅丹明6G 水溶液（600 mg·L-1），要求學(xué)生測(cè)量一瓶未知羅丹明6G 水溶液的濃度。

1.3 教學(xué)過(guò)程分析

培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力：探索未知，是人類(lèi)一生的課題，有助其在探索未知事物時(shí)進(jìn)行自主思考分析。不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，我們?cè)诮榻B完實(shí)驗(yàn)原理之后，不演示儀器操作步驟，而是將操作步驟說(shuō)明書(shū)發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生自行閱讀，進(jìn)行操作，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。通過(guò)鼓勵(lì)學(xué)生自主閱讀，付諸行動(dòng)，不僅能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)儀器操作步驟的印象，而且能引導(dǎo)他們?cè)趯?shí)踐中形成勇于探索、敢于嘗試的精神。

在學(xué)生掌握儀器操作步驟以后，通過(guò)設(shè)置問(wèn)題情境，逐步引導(dǎo)啟發(fā)，設(shè)計(jì)和開(kāi)展測(cè)試未知羅丹明6G溶液濃度的實(shí)驗(yàn)，如圖1，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。

圖1 測(cè)未知溶液濃度的路線圖

1.分析問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中大多數(shù)同學(xué)都會(huì)想到，分別測(cè)試已知濃度的羅丹明6G 水溶液和待測(cè)羅丹明6G 水溶液的吸光度，比較兩者的強(qiáng)度。教師可對(duì)學(xué)生提出疑問(wèn)：“吸光度是不是一定和濃度成正比？”并給學(xué)生留適當(dāng)?shù)乃伎紩r(shí)間，圍繞該問(wèn)題開(kāi)展討論交流，與他人交換意見(jiàn)，交流心得，才更有可能取得長(zhǎng)足的發(fā)展。

2.理論知識(shí)回顧。教師觀察各小組的討論進(jìn)展，給出提示：“在講授課程中我們已經(jīng)給出了解決問(wèn)題的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，朗伯-比爾定律的適用條件中包含了3 點(diǎn)有效信息：均勻介質(zhì)；低濃度；單色光。首先羅丹明6G 易溶于水，其水溶液是均勻介質(zhì)；其次根據(jù)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的原理，可以近似認(rèn)為照射樣品的光是單色光。還有一條是低濃度，已知濃度的羅丹明6G和未知濃度的羅丹明6G水溶液屬于低濃度嗎？”理論知識(shí)回顧的過(guò)程主要是考驗(yàn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握。

3.理論指導(dǎo)實(shí)踐。針對(duì)思路不清晰的同學(xué)，進(jìn)一步給出提示：“我們不需要知道具體低濃度的標(biāo)準(zhǔn)，需要找出的是朗伯-比爾定律線性關(guān)系?！?/p>

學(xué)生將已知濃度的羅丹明6G 水溶液按一定比例稀釋成幾種不同的濃度如1.25mg·L-1、2.5mg·L-1、5mg·L-1、10mg·L-1、20mg·L-1、40mg·L-1等，根據(jù)羅丹明6G 的吸收光譜選擇合適的光譜掃描范圍（400nm-650nm），測(cè)試溶液的吸光度。制作吸光度隨著溶液濃度變化曲線圖，找出濃度和吸光度呈線性關(guān)系的區(qū)域，如圖2所示。

4.靈活變通地解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。我們給學(xué)生的未知溶液也是高濃度的，當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)未知溶液的濃度不在線性區(qū)域內(nèi)后，我們?cè)僖龑?dǎo)他們進(jìn)行討論，通過(guò)觀察學(xué)生討論情況，進(jìn)一步引導(dǎo)：“我們只能測(cè)試在線性區(qū)域內(nèi)的樣品濃度，可不可以將未知濃度的羅丹明6G 水溶液按照一定比例稀釋。測(cè)試得出稀釋后的未知濃度羅丹明6G 水溶液的吸光度，然后在線性圖中找出吸光度對(duì)應(yīng)的溶液濃度，最后根據(jù)稀釋比例反推得出未知羅丹明6G水溶液的濃度?！?/p>

圖2 a.不同濃度的羅丹明6G水溶液的吸收光譜；b.羅丹明6G水溶液的吸光度和濃度的關(guān)系圖

2 結(jié) 論

在本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，首先向?qū)W生傳遞理論知識(shí)，講授分光光度法，朗伯-比爾定律，介紹紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的原理。再給學(xué)生設(shè)定科研情境。利用已知濃度的羅丹明6G 水溶液探測(cè)未知羅丹明6G 水溶液的濃度。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)逐步給予學(xué)生提示的方式，引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，使學(xué)生能在實(shí)踐中體會(huì)科研過(guò)程，了解設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的整個(gè)思路。創(chuàng)設(shè)多重問(wèn)題情境，可以培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的邏輯思維，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)和物理實(shí)驗(yàn)技能的掌握。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)基本方法和技能掌握是基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的溝通合作、創(chuàng)新意識(shí)、科研態(tài)度是重點(diǎn)。在分光光度法測(cè)未知溶液濃度的實(shí)驗(yàn)中，為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的空間，賦予課堂新的活力。設(shè)置多重問(wèn)題情境，搭建多層思維平臺(tái)，逐步引導(dǎo)學(xué)生自主思索，適時(shí)溝通交流，探究解決問(wèn)題的方法，提升了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、科研思維。