儀器分析課程立體知識體系構建的思考與實踐

石乃恩

【摘 要】立足基礎，著眼未來，培養基本理論知識扎實和實踐能力突出的創新型人才是高等教育的核心任務。本文針對短學時的儀器分析課堂，提出構建該課程立體知識體系的做法，透過現象看本質，建立三維有機框架，充分利用課下資源，攻破教學難點，理論聯系實際，提升課堂高度，為國家培養適應未來需求的優秀人才。

【關鍵詞】教學改革；立體化；知識系統；儀器分析

0 前言

在當前“大眾創業、萬眾創新”的時代背景下，立足基礎，著眼未來，培養具有扎實知識基礎和優秀科學素養的創新型人才是高等教育的核心任務。高等學校面向“厚基礎、寬口徑、重能力、求創新”的培養目標，通過專業課程的教學，著力培養適應時代要求的現代化人才。儀器分析在人類的生活生產活動中占有重要的地位，人類社會面臨的“五大危機”即資源、能源、人口、糧食以及環境問題的解決，都與儀器分析密切相關。儀器分析課程是材料和化學相關專業本科課程體系中的重要部分，是學生必須掌握的現代分析技術。以下結合本人在材料相關專業儀器分析課程的實際教學經驗，談一談學生立體知識體系構建的一些做法。

1 教學現狀

儀器分析通過使用現代的分析儀器來獲知物質的化學組成、含量和結構的信息，主要內容包括光譜分析、電化學分析和色譜分析三大部分，其中包含十幾種常用的分析測試方法。每類方法主要知識結構包括分析方法的原理，儀器的結構以及分析應用部分，是一門多學科交叉的課程。有些方法其原理部分涉及量子化學和結構化學，而且每種方法分析應用部分又有非常強的實踐性，需要輔以一定的實踐訓練，這對教師授課時對知識面及其深度和難度的把握提出了比較高的要求。由于課程的高度學科交叉性、內容的廣泛性和抽象性，這就要求學生要有比較扎實的先修課程基礎，以及較好的聯想和歸納學習能力，學生學起來也有一定難度。有的學生對先修課程，比如大學化學、結構化學等，基礎不扎實，嚴重影響對課堂知識的理解、建構和運用。我們學校這門課程的學時是32學時，學時短，任務重。針對當前教學的一系列問題，需要充分利用課下課上資源，在教學內容、教學手段和教學方法上下功夫，激發學生學習的積極性和主動性，培養學生學習新知識和鞏固舊知識的能力，幫助學生加深理解、融會貫通、掌握常用的儀器分析方法。

2 透過現象看本質

突出知識脈絡，構建三維知識框架，建設適合材料、化學或相關專業的儀器分析課程知識體系。

2.1 理清知識縱橫主干，編織知識體系的二維結構

因為儀器分析中的內容比較繁雜，不可能對每種方法的所有部分都詳細講解，因此授課時透過現象看本質，看到不同方法之間的聯系，找到知識的主線。比如，緒論中提到，所有的儀器都包括信號發生器、信號檢測器和信號處理器，所以，所有的分析方法都是利用不同的信號來實現對物質的組成、含量或結構的分析，即定性和定量的分析。電化學分析中，根據電信號的位置和大小進行物質的定性和定量的分析；光學分析中，分別根據光譜的峰位和強度鑒定物質的結構和濃度；色譜分析中，分別根據色譜峰保留時間和峰高鑒定物質的性質和含量。以信號決定于物質性質與濃度這一基本規律作為構建知識系統“長”的維度?；诖?，進一步對每一部分的各種方法進行比較。

在講授分析方法的原理部分及儀器結構部分時，尤其要注意比較其中所涵蓋的方法的區別和聯系。比如，在進行光學分析教學時：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范圍分別是多少，分子或原子核受激激發的原理，各自反映的分子結構方面的什么信息和儀器的結構特點等。通過對類似可比的內容進行比較分析講述，從而將同一大類中的不同方法有機聯系起來，構建起知識體系“寬”的維度。這樣幫助學生理清知識脈絡，并從中學會接受新知識和鞏有知識的學習方法。

2.2 充分利用網絡資源，增加拓展內容，提升課程“高”度，形成三維立體知識體系

知識和技術更新換代的周期在不斷縮短，信息化和網絡化時代給高校帶來了挑戰和機遇。教師可利用網絡資源為學生提供有關儀器分析方法和操作技術的網絡鏈接和數據庫資源，豐富教學素材。另一方面，學生通過書本知識只能了解儀器分析的基本原理，并不知道其在社會生活和科學研究中的具體應用，更不知道當前形勢下分析儀器及分析方法發展的新動向，極大地限制了學生的研究和創新能力的培養。在課堂中為學生講授如何將經典的儀器分析原理應用于實際問題，拓展他們的視野，提高其靈活運用所學知識的能力，提升課堂的“高”度。例如，在講解紫外–可見分光光度法時，可以結合不同的有機納米顆粒的紫外–可見吸收光譜的特征進行講解，如根據吸收峰的位置可以區分不同大小和形狀的有機納米顆粒①；在課程每個章節的開始，可借分析方法在電子器件、能源、環境、食品與藥品安全等領域的應用或一些熱點問題，如飲用水中重金屬離子的檢測、環境中硝基爆炸物的檢測、飲料中抗氧化劑的分析、蛋奶制品中三聚氰胺的檢測等引出原子發射光譜、分子熒光光譜、紅外光譜分析、高效液相色譜等分析技術，再來講授其原理，賦予枯燥的內容以營養和水分，可引起學生濃厚的學習興趣。

構建和豐富“活學活用”這一“高”的維度，形成三維立體知識系統，不僅打下扎實的理論知識基礎，并且開拓學生的思維，提升他們的創新實踐能力，激發其學習的興趣。綜上，把基本理論知識立體化：以課程三大部分的縱向聯系為長，每一部分各分析方法的橫向聯系為寬，靈活運用為高，從長、寬、高三維度進行歸納和拓展，構建有機聯系的完整的知識體系，進而理解理論知識的內涵，激發學生的學習興趣。

3 攻破教學難點

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用部分又有非常強的實踐性，需要輔以一定的實踐訓練，這對教師授課時對知識面及其深度和難度的把握提出了比較高的要求。教師對內容根據理解難度以及教學要求分別進行劃分，指導學生做好課前預習，對于大綱要求了解的并且相對易懂的敘述性文字內容，以學生自學為主，課堂內的主要精力放到需要掌握并且不易理解的難點和重點上，確保學生能夠學好，進一步輔以課下讀書報告、實驗課、大學生創新項目、與碩士生及博士生互動等以結合感官認識加強對抽象內容的理解，并提高靈活運用的能力。針對當前大學生自主選課、知識背景有差異，以及不同基礎的學生對先修課程的掌握程度也有較大差異的情況，加強預習資料的布置，其中包括發放一些先修課程中涉及課堂內容的復習性資料，以備學生擇需而用。學生通過預習和相關的復習，并進一步明確重點和難點，從而可以有計劃的利用課堂，對比較熟悉的重點內容進一步復習和鞏固，對難點內容及時解決，從而有效提高課堂效率。課前準備考核題目以檢驗預習和復習效果，課上予以抽查和討論。這不僅可以提高課堂效率，而且能夠培養學生自學能力，為當前以及未來信息時代的現代化創新型人才打好自學能力的基礎。

通過以上過程，教師可以合理規劃課堂時間，把大部分的精力放到課堂的重點和難點內容，并補充拓展內容，增加課堂趣味。比如在分子熒光光譜教學中，學生提前做好關于分子軌道理論和分子電子能級的復習，并結合前一章紫外-可見吸收光譜中有機化合物的電子躍遷和吸收帶等內容，做好分子熒光光譜分析的預習。在課堂上講解能級圖及熒光去激發的途徑時，學生不會突然面對眾多陌生的名詞感到困惑；在此基礎上講授熒光光譜的特征這一重點內容時會更游刃有余，如果進一步對能級圖進行逐步分解，采用動畫進行輔助講解，從而可使得學生對這部分難點內容有清楚的認識。此外，進一步增加課程內容的發展史，從而使學生更加清楚個人所修專業的學科發展脈絡，并在專業領域理解人類文明的進步，激發學生的思考。1575年西班牙植物學家Monardes發現Lignum Nephriticum木頭切片的水溶液在陽光的照射下顯示出天藍色的熒光；1852年斯托克斯發現熒光發射波長比激發波長要長；1867年出現了里程碑式的首次關于熒光分析的工作，這是由Goppelsroder應用鋁—桑色素配合物的熒光進行鋁含量的測定②③。在此基礎上，進一步介紹現代熒光光譜在科學研究的前沿發展和各行各業的廣泛應用。這不僅拓展了學生的視野，更進一步激發了學生的思考與興趣。

4 結語

綜上所述，面向基本理論知識扎實的創新型人才這一培養目標，針對短學時課堂，一方面透過現象看本質，構建立體化的課程知識系統，以縱向聯系為長，橫向聯系為寬，靈活運用為高，從長、寬、高三維度進行歸納和拓展，另一方面，充分利用課下資源和時間，進一步提高課堂效率，攻破教學難點，增加課堂趣味，密切聯系實際，為國家培養愛學習、樂創造的適應未來需求的人才。

【參考文獻】

[1]甄淑君.儀器分析課程教學改革思考[J].西南師范大學學報（自然科學版）， 2013，38：168.

[2]趙蕓輝.教學設計課程的立體化教學資源設計研究[D].江西師范大學，2008.

[3]任玉蘭，邵艷秋，羅玉杰.討論式教學法在儀器分析教學中的應用[J].教育與職業，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.

[責任編輯：朱麗娜]