淺談儀器分析發展進程中的課程思政

石宜靈，孔德明，唐安娜

南開大學化學學院，分析科學研究中心，天津市生物傳感與分子識別重點實驗室，天津 300071

隨著科技的發展，現代分析儀器不斷更新迭代，新技術不斷涌現，為了適應發展迅速的科學技術，學習儀器分析成為新時代化學及相關專業學生的重要需求，各高校對儀器分析課程建設也提出了更高的要求。在儀器分析的課程教學中，不僅要求學生學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，還要提高學生的科學文化素養，培養高文化水平的、高素質的、具有愛國奉獻精神的科研工作者[1]。

1 儀器分析發展為獨立學科的歷史進程及其中的思政元素

1.1 分析化學的萌芽

分析化學這一名詞起源雖晚，但其實踐與應用歷史非常久遠，自公元前三千年埃及人已掌握了稱量技術。公元前1300年的《莎草紙卷》上已經有了等臂天平的記載。將等臂天平用于分析還是在中世紀的烤缽試金法中[2]。最早的分析化學，往往是憑借經驗，利用天然化學物質的物理性質、化學性質宏觀表征進行分析鑒定。這一階段的分析化學僅限于宏觀層面變化的探究，對自然現象更多憑借經驗和想象來認識，盡管如此，先輩們依舊在科學道路上不斷邁進，為分析化學的理論形成奠定了堅實的基礎。在學習過程中，教師引導學生認識到想象力和創造力是科學進步的重要推動力，即便在科學理論趨于嚴謹的今天，我們也不能缺失創造和想象的空間。

1.2 獨立形態分析化學時期

19世紀末20世紀初期，物理化學溶液體系研究大有進展。其中，溶液化學平衡理論、動力學理論，如沉淀的生成和共沉淀現象、指示劑作用原理、滴定曲線和終點誤差、催化反應和誘導反應及緩沖作用原理等，大大地豐富了分析化學的內容。分析化學從此邁入科學化的進程，化學分析成為了科學家們探索世界的又一有力工具[3]。通過學習這個知識點，教師引導學生要善于運用不同學科的知識和工具，推動多學科共同發展。

1.3 儀器分析獨立化發展時期

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

1.4 儀器分析現代化發展時期

20世紀70年代以后，計算機的進步完善給儀器分析的發展提供了可靠的技術支持，分析化學綜合了化學、物理學、數學、計算機科學和精密儀器制造等學科，廣泛吸取了當代科學技術的最新成就。到21世紀，人們對生命科學、人工智能領域的發展提出了更高的需求，綠色可持續發展也成為了新的發展要求，儀器分析面臨著更大的挑戰。追求達到分子級、原子級的高靈敏度，嘗試將不同分析方法聯用以達到高效分離、分析的目標，探索有效而實用的實時在線、動態無損的檢測方法研制新型分析儀器，從不同維度不同方向，儀器分析不斷進步不斷變革，在學科現代化發展的進程中更進一步[2]?，F代科學需要多方面發展的人才，教師培養學生進行多維度思考，善于將不同學科的知識和技能融會貫通?？茖W技術在飛速發展，教師引導學生在學習和實驗中要緊跟科技發展前沿，敢于迎接挑戰。

2 幾種儀器分析方法發展進程中的思政元素

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象，然后由表觀現象探究方法的原理，進一步將其應用于實際生活中，通過解決應用過程中的關鍵技術問題，從而實現質的飛躍。人們在不斷攻克技術瓶頸的過程中，推動儀器分析進入高速發展階段。教師在專業課的教學中融入思政元素(圖1)，引導學生深入學習儀器分析方法，培養學生既要扎實掌握專業技能，同時又要具有高尚的道德品質、勇于創新、實事求是探究真理的科學素養、愛崗敬業及學以致用、服務社會的家國情懷。

圖1 儀器分析方法發展進程中的思政元素

2.1 紫外-可見吸收光譜發展進程中的思政元素

2.1.1 紫外光的發現

在古代，經過不斷實踐，人們發現物質呈現不同顏色與其物理及化學性質有所聯系，例如判斷物質中有色物質的含量多少可以通過觀察其顏色的深淺程度作為依據。盡管并未形成科學完備的理論體系，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，德國科學家J. W. Ritter發現太陽光譜紫色區域以外存在能量并能使AgCl發生化學反應，紫外線的存在得到揭示[2]。教師引導學生對待科學研究保持好奇心的同時，也要秉持嚴謹科學的實驗態度；對不同尋常的實驗現象要進一步的驗證，不能主觀臆斷，不能僅憑經驗判斷是否存在操作異常；培養學生“透過現象，看本質”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，德國物理學家薩魯克斯發明了紫外光技術并將其用于紫外分析中。早在1760年，朗伯(Lambert)就發現物質對光的吸收與物質的厚度成正比；在1852年，比耳(Beer)又發現物質對光的吸收與物質濃度成正比。兩者奠定了紫外-可見分析定量的理論基礎[4]。后來，人們通常把朗伯定律和比耳定律聯合起來使用，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將此理論應用于定量分析化學領域，并且設計了第一臺比色計。1908年，英國物理學家威廉巴勃倫巧妙地運用了空氣中紫外光會發生結構變化的特性，構建了分光光度法，用于檢測物質的結構變化和含量變化[2]。在實驗過程中，研究者應當深入探索所研究的事物，全面了解其特性。充足的準備能為靈感的閃現提供良好的物質基礎。正是基于對紫外光基本性質的了解，科學家們才能夠利用其特性，創造出能夠付諸實際的產品。

2.1.3 紫外-可見分析技術突破

1918年，第一臺紫外-可見分光光度計于美國國家標準局問世。20世紀30年代，美國科學家斯坦斯發明紫外光譜分析儀，更精確的電子技術帶來了更高的精度。20世紀50年代，美國科學家米科發明了紫外-可見光互換技術，用于檢測氣體中物質的結構變化和含量變化，極大提高了精度。此后，紫外-可見分光光度計經不斷改進，儀器的靈敏度和準確度也不斷提高，其應用范圍也不斷擴大，出現自動記錄、自動打印、數字顯示、計算機控制等各種類型的儀器。目前，分光光度計在電子、計算機等相關學科發展的基礎上進行改進，得到了飛速的發展，功能更加齊全，在工業、農業、食品、衛生、科學研究等領域均有廣泛的應用[5–8]，成為生產和科研的有力檢測手段。更有一些比較先進的紫外-可見分光光度計具有波長范圍寬、波長分辨率高、可實現全自動控制等優點。通過這部分內容的學習，教師引導學生要認識到個人的發展不能只著眼于眼前一隅，應當目光開闊一些，時刻關注關聯性學科的前沿技術；引導學生要多積累，多發現，善于整合不同領域的信息；培養符合當代發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 核磁共振現象的發現

1920年，在助手彼得·勒特斯和蓋拉赫的幫助下，斯特恩進行了一系列實驗，發現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30年代，伊西多·艾薩克·拉比發現原子核在磁場中施加電波后自旋發生翻轉。美國著名科學史學家、科學哲學家庫恩在1962年寫過關于斯特爾特的文章，采訪證實，斯特恩當年的研究完全是基于探索物質世界本質的好奇心[9]。即便他當時無法預知核磁共振技術對現在的生產生活造成這樣巨大的影響，他依舊為他熱愛的事業付出了漫長的研究，也收獲了寶貴的經驗。興趣是最好的老師，盧梭、赫爾巴特等教育學家均強調興趣對于學生發展的重要性[10,11]。教師培養學生對科學事業的興趣和感情，形成職業認同感，或許從眼前來看收效甚微，但長久來看，更有利于科學事業健康積極發展。

2.2.2 核磁共振基本原理奠基

1946年，美國的兩位物理學家菲力克斯·布洛赫和愛德華·珀塞爾發現位于磁場中的原子核受到高頻電磁場激發而傾斜，關閉磁場而躍遷回基態，他們對這一現象進行了深入研究并總結，揭示了核磁共振的原理。核磁共振技術從實驗室理論開始轉向應用，也歸功于布洛赫和珀塞爾將其用于精確測定物質的核磁屬性[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。教師引導學生認識到，在追求真理的道路上會遇到艱難、險阻，比如：經濟壓力、不被認可等，在最困難的時刻，不能輕言放棄，要向科學家們學習，克服重重困難，創造條件，堅守研究初心。

2.2.3 核磁共振波譜儀的重大技術突破

早期的核磁共振波譜儀主要采取靈敏度較低的連續波技術，如非自然豐度高，磁旋比較大的原子核難以成功檢測出結果，核磁共振波譜儀的應用范圍大大受限[2]。理查德·恩斯特改進了激發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開始成熟。脈沖傅立葉變換核磁共振波譜儀技術使信號采集由頻域變為時域，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等成為現實 并且固體核磁共振技術得到廣泛應用。利用不同的脈沖組合，我們就能夠得到所需要的分子信息。

在學習過程中，教師培養學生善于發現問題、勇于攻堅克難、突破瓶頸，進而推動科技發展的能力；引導學生認識到在解決重大問題的過程中，往往需要掌握多學科的技術、知識，并將其綜合運用，從而實現技術的突破。在信息零散化的現代，更需要綜合掌握多種知識才能攻堅克難，牢固的知識基礎是創新發展的基石。

3 思政元素融入現代教學的多元化方式

采用多元化教學方式將思政元素融入教學中，除了傳統的線下課堂教學之外，區塊化云端技術、實時在線多元化共享平臺，也引起了人們的關注。

傳統線下課堂教學：將思政元素融入儀器分析發展歷史中，使學生了解各種儀器分析方法的發展進程，激發學生學習興趣；介紹本學科及相關學科前沿研究成果，引導學生進行探究性學習，培養解決實際問題的能力。在實驗課堂中，指導學生完成實驗，體驗成功；培養學生對于科研的信心；培養學生創新意識，鼓勵學生敢于探索更多的可能性；培養學生注重實驗細節、嚴謹認真的科學實驗態度。

區塊化云端技術：云端技術將實驗室搬上互聯網。區塊化是指將專業課程及其核心知識分門別類地講授，把實驗全過程區塊化，把復雜的操作分解，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，分解的區塊小單元以微視頻、微表單的形式存儲于云端，并相互關聯，然后以二維碼的形式附在儀器的相應功能區。該技術使實驗變得更輕松，減少學生因經驗不足而形成的心理負擔，能夠提供人性化的實驗場景環境，為學生嘗試實驗操作提供新方法，貫徹長善救失的教學原則，減少學生緊張情緒，發揮其真實的操作水平。將思政元素融入區塊化中，有望使學生在學習專業知識的同時，提升思想政治修養。

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

4 總結與展望

在儀器分析教學之中，在向學生傳授專業知識的同時加強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展歷史、紫外-可見吸收光譜法及核磁共振波譜法發展進程中的思政元素。同時介紹了思政元素融入現代教學的多元化方式。思想政治教育僅憑單純的口頭教育較為單薄，難以調動學生學習積極性。隨著時代發展，在儀器分析教學中，通過創新授課方式，改進教學內容，提高課堂互動等方式，結合學科特點，著力培養道德高尚、有創新追求、具備基本科學素養、愛崗敬業的新一代化學科研工作者。