淺談儀器分析發(fā)展進(jìn)程中的課程思政

石宜靈，孔德明，唐安娜

南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院，分析科學(xué)研究中心，天津市生物傳感與分子識別重點實驗室，天津 300071

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代分析儀器不斷更新迭代，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為了適應(yīng)發(fā)展迅速的科學(xué)技術(shù)，學(xué)習(xí)儀器分析成為新時代化學(xué)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的重要需求，各高校對儀器分析課程建設(shè)也提出了更高的要求。在儀器分析的課程教學(xué)中，不僅要求學(xué)生學(xué)會使用不同的分析儀器，掌握各種儀器的基本原理，熟悉基本的實驗操作技能，還要提高學(xué)生的科學(xué)文化素養(yǎng)，培養(yǎng)高文化水平的、高素質(zhì)的、具有愛國奉獻(xiàn)精神的科研工作者[1]。

1 儀器分析發(fā)展為獨立學(xué)科的歷史進(jìn)程及其中的思政元素

1.1 分析化學(xué)的萌芽

分析化學(xué)這一名詞起源雖晚，但其實踐與應(yīng)用歷史非常久遠(yuǎn)，自公元前三千年埃及人已掌握了稱量技術(shù)。公元前1300年的《莎草紙卷》上已經(jīng)有了等臂天平的記載。將等臂天平用于分析還是在中世紀(jì)的烤缽試金法中[2]。最早的分析化學(xué)，往往是憑借經(jīng)驗，利用天然化學(xué)物質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)宏觀表征進(jìn)行分析鑒定。這一階段的分析化學(xué)僅限于宏觀層面變化的探究，對自然現(xiàn)象更多憑借經(jīng)驗和想象來認(rèn)識，盡管如此，先輩們依舊在科學(xué)道路上不斷邁進(jìn)，為分析化學(xué)的理論形成奠定了堅實的基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到想象力和創(chuàng)造力是科學(xué)進(jìn)步的重要推動力，即便在科學(xué)理論趨于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕裉?，我們也不能缺失?chuàng)造和想象的空間。

1.2 獨立形態(tài)分析化學(xué)時期

19世紀(jì)末20世紀(jì)初期，物理化學(xué)溶液體系研究大有進(jìn)展。其中，溶液化學(xué)平衡理論、動力學(xué)理論，如沉淀的生成和共沉淀現(xiàn)象、指示劑作用原理、滴定曲線和終點誤差、催化反應(yīng)和誘導(dǎo)反應(yīng)及緩沖作用原理等，大大地豐富了分析化學(xué)的內(nèi)容。分析化學(xué)從此邁入科學(xué)化的進(jìn)程，化學(xué)分析成為了科學(xué)家們探索世界的又一有力工具[3]。通過學(xué)習(xí)這個知識點，教師引導(dǎo)學(xué)生要善于運用不同學(xué)科的知識和工具，推動多學(xué)科共同發(fā)展。

1.3 儀器分析獨立化發(fā)展時期

20世紀(jì)40年代至20世紀(jì)60年代，物理學(xué)、電子學(xué)、原子能和半導(dǎo)體的發(fā)展拓展了分析化學(xué)的分析手段，走出了傳統(tǒng)的以經(jīng)典化學(xué)分析為主的時期，儀器分析的發(fā)展突飛猛進(jìn)，逐漸發(fā)展為一門獨立的學(xué)科[2]?？萍及l(fā)展處于不斷的拓展之中，我們要以變化的眼光去看待，當(dāng)下的學(xué)科是有待完善的，我們時刻肩負(fù)著探索新領(lǐng)域的使命。

1.4 儀器分析現(xiàn)代化發(fā)展時期

20世紀(jì)70年代以后，計算機(jī)的進(jìn)步完善給儀器分析的發(fā)展提供了可靠的技術(shù)支持，分析化學(xué)綜合了化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和精密儀器制造等學(xué)科，廣泛吸取了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的最新成就。到21世紀(jì)，人們對生命科學(xué)、人工智能領(lǐng)域的發(fā)展提出了更高的需求，綠色可持續(xù)發(fā)展也成為了新的發(fā)展要求，儀器分析面臨著更大的挑戰(zhàn)。追求達(dá)到分子級、原子級的高靈敏度，嘗試將不同分析方法聯(lián)用以達(dá)到高效分離、分析的目標(biāo)，探索有效而實用的實時在線、動態(tài)無損的檢測方法研制新型分析儀器，從不同維度不同方向，儀器分析不斷進(jìn)步不斷變革，在學(xué)科現(xiàn)代化發(fā)展的進(jìn)程中更進(jìn)一步[2]?，F(xiàn)代科學(xué)需要多方面發(fā)展的人才，教師培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行多維度思考，善于將不同學(xué)科的知識和技能融會貫通?？茖W(xué)技術(shù)在飛速發(fā)展，教師引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)和實驗中要緊跟科技發(fā)展前沿，敢于迎接挑戰(zhàn)。

2 幾種儀器分析方法發(fā)展進(jìn)程中的思政元素

以紫外-可見吸收光譜、核磁共振波譜為例，人們從最初觀察到自然現(xiàn)象，然后由表觀現(xiàn)象探究方法的原理，進(jìn)一步將其應(yīng)用于實際生活中，通過解決應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，從而實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。人們在不斷攻克技術(shù)瓶頸的過程中，推動儀器分析進(jìn)入高速發(fā)展階段。教師在專業(yè)課的教學(xué)中融入思政元素(圖1)，引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)儀器分析方法，培養(yǎng)學(xué)生既要扎實掌握專業(yè)技能，同時又要具有高尚的道德品質(zhì)、勇于創(chuàng)新、實事求是探究真理的科學(xué)素養(yǎng)、愛崗敬業(yè)及學(xué)以致用、服務(wù)社會的家國情懷。

圖1 儀器分析方法發(fā)展進(jìn)程中的思政元素

2.1 紫外-可見吸收光譜發(fā)展進(jìn)程中的思政元素

2.1.1 紫外光的發(fā)現(xiàn)

在古代，經(jīng)過不斷實踐，人們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)呈現(xiàn)不同顏色與其物理及化學(xué)性質(zhì)有所聯(lián)系，例如判斷物質(zhì)中有色物質(zhì)的含量多少可以通過觀察其顏色的深淺程度作為依據(jù)。盡管并未形成科學(xué)完備的理論體系，但追本溯源這實際上是紫外-可見吸收分光光度法的雛形。1801年，德國科學(xué)家J. W. Ritter發(fā)現(xiàn)太陽光譜紫色區(qū)域以外存在能量并能使AgCl發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，紫外線的存在得到揭示[2]。教師引導(dǎo)學(xué)生對待科學(xué)研究保持好奇心的同時，也要秉持嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的實驗態(tài)度；對不同尋常的實驗現(xiàn)象要進(jìn)一步的驗證，不能主觀臆斷，不能僅憑經(jīng)驗判斷是否存在操作異常；培養(yǎng)學(xué)生“透過現(xiàn)象，看本質(zhì)”的能力。

2.1.2 紫外-可見分析的基本原理奠基

1820年，為了更精確地測量紫外光，德國物理學(xué)家薩魯克斯發(fā)明了紫外光技術(shù)并將其用于紫外分析中。早在1760年，朗伯(Lambert)就發(fā)現(xiàn)物質(zhì)對光的吸收與物質(zhì)的厚度成正比；在1852年，比耳(Beer)又發(fā)現(xiàn)物質(zhì)對光的吸收與物質(zhì)濃度成正比。兩者奠定了紫外-可見分析定量的理論基礎(chǔ)[4]。后來，人們通常把朗伯定律和比耳定律聯(lián)合起來使用，即我們熟知的朗伯-比耳定律，分光光度法就此有了雛形。1854年，Duboscq和Nessler將此理論應(yīng)用于定量分析化學(xué)領(lǐng)域，并且設(shè)計了第一臺比色計。1908年，英國物理學(xué)家威廉巴勃倫巧妙地運用了空氣中紫外光會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化的特性，構(gòu)建了分光光度法，用于檢測物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化和含量變化[2]。在實驗過程中，研究者應(yīng)當(dāng)深入探索所研究的事物，全面了解其特性。充足的準(zhǔn)備能為靈感的閃現(xiàn)提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。正是基于對紫外光基本性質(zhì)的了解，科學(xué)家們才能夠利用其特性，創(chuàng)造出能夠付諸實際的產(chǎn)品。

2.1.3 紫外-可見分析技術(shù)突破

1918年，第一臺紫外-可見分光光度計于美國國家標(biāo)準(zhǔn)局問世。20世紀(jì)30年代，美國科學(xué)家斯坦斯發(fā)明紫外光譜分析儀，更精確的電子技術(shù)帶來了更高的精度。20世紀(jì)50年代，美國科學(xué)家米科發(fā)明了紫外-可見光互換技術(shù)，用于檢測氣體中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化和含量變化，極大提高了精度。此后，紫外-可見分光光度計經(jīng)不斷改進(jìn)，儀器的靈敏度和準(zhǔn)確度也不斷提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)自動記錄、自動打印、數(shù)字顯示、計算機(jī)控制等各種類型的儀器。目前，分光光度計在電子、計算機(jī)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到了飛速的發(fā)展，功能更加齊全，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品、衛(wèi)生、科學(xué)研究等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用[5–8]，成為生產(chǎn)和科研的有力檢測手段。更有一些比較先進(jìn)的紫外-可見分光光度計具有波長范圍寬、波長分辨率高、可實現(xiàn)全自動控制等優(yōu)點。通過這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，教師引導(dǎo)學(xué)生要認(rèn)識到個人的發(fā)展不能只著眼于眼前一隅，應(yīng)當(dāng)目光開闊一些，時刻關(guān)注關(guān)聯(lián)性學(xué)科的前沿技術(shù)；引導(dǎo)學(xué)生要多積累，多發(fā)現(xiàn)，善于整合不同領(lǐng)域的信息；培養(yǎng)符合當(dāng)代發(fā)展所需的綜合性人才。

2.2 核磁共振波譜法中的思政元素

2.2.1 核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

1920年，在助手彼得·勒特斯和蓋拉赫的幫助下，斯特恩進(jìn)行了一系列實驗，發(fā)現(xiàn)原子的空間取向在外加非均勻磁場的作用下是量子化的，這就是非常著名的斯特恩-蓋拉赫實驗[9]；20世紀(jì)30年代，伊西多·艾薩克·拉比發(fā)現(xiàn)原子核在磁場中施加電波后自旋發(fā)生翻轉(zhuǎn)。美國著名科學(xué)史學(xué)家、科學(xué)哲學(xué)家?guī)於髟?962年寫過關(guān)于斯特爾特的文章，采訪證實，斯特恩當(dāng)年的研究完全是基于探索物質(zhì)世界本質(zhì)的好奇心[9]。即便他當(dāng)時無法預(yù)知核磁共振技術(shù)對現(xiàn)在的生產(chǎn)生活造成這樣巨大的影響，他依舊為他熱愛的事業(yè)付出了漫長的研究，也收獲了寶貴的經(jīng)驗。興趣是最好的老師，盧梭、赫爾巴特等教育學(xué)家均強(qiáng)調(diào)興趣對于學(xué)生發(fā)展的重要性[10,11]。教師培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)事業(yè)的興趣和感情，形成職業(yè)認(rèn)同感，或許從眼前來看收效甚微，但長久來看，更有利于科學(xué)事業(yè)健康積極發(fā)展。

2.2.2 核磁共振基本原理奠基

1946年，美國的兩位物理學(xué)家菲力克斯·布洛赫和愛德華·珀塞爾發(fā)現(xiàn)位于磁場中的原子核受到高頻電磁場激發(fā)而傾斜，關(guān)閉磁場而躍遷回基態(tài)，他們對這一現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究并總結(jié)，揭示了核磁共振的原理。核磁共振技術(shù)從實驗室理論開始轉(zhuǎn)向應(yīng)用，也歸功于布洛赫和珀塞爾將其用于精確測定物質(zhì)的核磁屬性[12]。出人意料的是，他們的核磁共振研究全然由兩人自行籌措經(jīng)費完成，而并沒有政府的任何幫助，也沒有社會上任何有利益需求的投資方參與。教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到，在追求真理的道路上會遇到艱難、險阻，比如：經(jīng)濟(jì)壓力、不被認(rèn)可等，在最困難的時刻，不能輕言放棄，要向科學(xué)家們學(xué)習(xí)，克服重重困難，創(chuàng)造條件，堅守研究初心。

2.2.3 核磁共振波譜儀的重大技術(shù)突破

早期的核磁共振波譜儀主要采取靈敏度較低的連續(xù)波技術(shù)，如非自然豐度高，磁旋比較大的原子核難以成功檢測出結(jié)果，核磁共振波譜儀的應(yīng)用范圍大大受限[2]。理查德·恩斯特改進(jìn)了激發(fā)脈沖序列和分析算法，將傅里葉變換方法引入到核磁共振技術(shù)中，極大提高了信號靈敏度和成像速度，這代表著磁共振技術(shù)開始成熟。脈沖傅立葉變換核磁共振波譜儀技術(shù)使信號采集由頻域變?yōu)闀r域，大大提高了檢測靈敏度，使研究自然豐度低的原子核如13C、15N、29Si等成為現(xiàn)實 并且固體核磁共振技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。利用不同的脈沖組合，我們就能夠得到所需要的分子信息。

在學(xué)習(xí)過程中，教師培養(yǎng)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問題、勇于攻堅克難、突破瓶頸，進(jìn)而推動科技發(fā)展的能力；引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到在解決重大問題的過程中，往往需要掌握多學(xué)科的技術(shù)、知識，并將其綜合運用，從而實現(xiàn)技術(shù)的突破。在信息零散化的現(xiàn)代，更需要綜合掌握多種知識才能攻堅克難，牢固的知識基礎(chǔ)是創(chuàng)新發(fā)展的基石。

3 思政元素融入現(xiàn)代教學(xué)的多元化方式

采用多元化教學(xué)方式將思政元素融入教學(xué)中，除了傳統(tǒng)的線下課堂教學(xué)之外，區(qū)塊化云端技術(shù)、實時在線多元化共享平臺，也引起了人們的關(guān)注。

傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)：將思政元素融入儀器分析發(fā)展歷史中，使學(xué)生了解各種儀器分析方法的發(fā)展進(jìn)程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；介紹本學(xué)科及相關(guān)學(xué)科前沿研究成果，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)解決實際問題的能力。在實驗課堂中，指導(dǎo)學(xué)生完成實驗，體驗成功；培養(yǎng)學(xué)生對于科研的信心；培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，鼓勵學(xué)生敢于探索更多的可能性；培養(yǎng)學(xué)生注重實驗細(xì)節(jié)、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)實驗態(tài)度。

區(qū)塊化云端技術(shù)：云端技術(shù)將實驗室搬上互聯(lián)網(wǎng)。區(qū)塊化是指將專業(yè)課程及其核心知識分門別類地講授，把實驗全過程區(qū)塊化，把復(fù)雜的操作分解，或按步驟分解，或按功能分解，使問題或操作簡單化[13]。嘗試將思政元素融入到不同的模塊中，分解的區(qū)塊小單元以微視頻、微表單的形式存儲于云端，并相互關(guān)聯(lián)，然后以二維碼的形式附在儀器的相應(yīng)功能區(qū)。該技術(shù)使實驗變得更輕松，減少學(xué)生因經(jīng)驗不足而形成的心理負(fù)擔(dān)，能夠提供人性化的實驗場景環(huán)境，為學(xué)生嘗試實驗操作提供新方法，貫徹長善救失的教學(xué)原則，減少學(xué)生緊張情緒，發(fā)揮其真實的操作水平。將思政元素融入?yún)^(qū)塊化中，有望使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時，提升思想政治修養(yǎng)。

實時在線多元化共享平臺：傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式局限于教室與實驗室，缺乏靈活性，學(xué)生的創(chuàng)造力也受限。將大型儀器實驗教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)手段與資源相融合，建立實時在線多元化共享平臺，除了可以在計算機(jī)上觀看互動以外，還能使用手機(jī)、平板等移動終端設(shè)備體驗課程，不受時間、地點的限制，實時進(jìn)入共享[13]。在線上交流中，教師要做到在有限的課堂時間內(nèi)將思政元素自然地融入教學(xué)語言、教學(xué)環(huán)境和教學(xué)平臺中，強(qiáng)化榜樣的作用，讓學(xué)生體會到實驗的樂趣與成就感，對化學(xué)學(xué)科產(chǎn)生心理認(rèn)同感。多元化的線上平臺豐富了信息化教學(xué)手段，使整個教學(xué)過程有學(xué)習(xí)、有感悟、有實踐、有鞏固。多元化共享延展了課堂，為學(xué)生提供了更多的實踐機(jī)會。學(xué)生由被動的接受者轉(zhuǎn)變成主動的積極參與者，促進(jìn)了學(xué)生的自主意識與合作意識，同時也加強(qiáng)了學(xué)生思想道德品質(zhì)的培養(yǎng)。

4 總結(jié)與展望

在儀器分析教學(xué)之中，在向?qū)W生傳授專業(yè)知識的同時加強(qiáng)思想政治教育是非常重要的。本文簡要介紹了儀器分析的發(fā)展歷史、紫外-可見吸收光譜法及核磁共振波譜法發(fā)展進(jìn)程中的思政元素。同時介紹了思政元素融入現(xiàn)代教學(xué)的多元化方式。思想政治教育僅憑單純的口頭教育較為單薄，難以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。隨著時代發(fā)展，在儀器分析教學(xué)中，通過創(chuàng)新授課方式，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，提高課堂互動等方式，結(jié)合學(xué)科特點，著力培養(yǎng)道德高尚、有創(chuàng)新追求、具備基本科學(xué)素養(yǎng)、愛崗敬業(yè)的新一代化學(xué)科研工作者。