仪器分析课程教学实践

胡小刚俞英

(华南师范大学化学与环境学院 广东广州 510006)

仪器分析课程教学实践

胡小刚＊俞英

(华南师范大学化学与环境学院 广东广州 510006)

在仪器分析课程的教学实践中,采取加强绪论课教学,引入仪器分析发展史,运用生活化的形象描述及比喻,以及充分利用多媒体教学手段 4种方法,培养和激发学生学习兴趣。

人们在从事感兴趣的活动时总伴随着一种积极的、愉快的情绪体验;相反,在从事不感兴趣的活动时,总伴随着一种消极的、厌烦的情绪体验。由此可见,兴趣在学习中具有非常重要的作用,培养和激发学生学习兴趣是提高教学质量的重要途径[1]。

作为必修课程,仪器分析在高等院校化学及其他相关专业的基础课教学中有着重要地位。但该课程涉及物理学、数学、化学、电子学及计算机技术等众多学科理论,学生在学习过程中容易感觉抽象、难于理解和掌握,导致缺乏学习兴趣。有调查结果表明,降低仪器分析理论学习难度后,仍有很多学生反映“理论部分太深奥,导致自己产生厌学情绪”,并表示“似乎没有必要学习那么深的理论”[2]。因此,如何培养和激发学生学习兴趣,是仪器分析课程教学中应重点关注的问题。本文作者从培养和激发学生学习兴趣入手,采取多种有效途径,力图提高仪器分析课程教学质量,取得了较好效果。

1 加强绪论课教学

很多教师认为绪论课就是简单介绍课程的概念,提出学习要求,而忽视了绪论课的重要性。其实,绪论课对培养学生课程学习兴趣非常重要。高等教育出版社的《分析化学》(下)[3]为仪器分析课程教材,虽然该书的绪论部分只有 3页,但我们却为绪论课安排了 3个学时,内容包括仪器分析的定义和内涵、仪器分析的发展历程、仪器分析的任务和作用、仪器分析与社会生活及其他学科的关系、仪器分析的发展趋势等,让学生全面了解仪器分析课程的知识体系以及学习这门课程的重要意义。为激发学生学习仪器分析课程的兴趣,可从多个角度强调仪器分析的地位和作用:(1)引用著名科学家对仪器分析的定位。如日本东京大学 Niki教授在I

UPAC’91大会报告中指出:“Whether the coming 21st century will be bright or dark depends largely on the advances of science and technology in the various information,energy,resource,environment and health fields.The analytical scienceswill be key factors for solving problems in these fields”。又如徐光宪院士在高小霞院士诞辰 85周年纪念会上提出对分析化学的看法:“以前我认为化学的核心是合成化学,现在看来化学的核心任务应该有两个:合成化学与广义的分析化学(包括分子识别和序列测定、结构分析、形貌分析、粒度分析和物质成像等)。”(2)介绍与仪器分析发明、发展相关的诺贝尔奖,阐述仪器分析获得的巨大成就。(3)介绍仪器分析与社会生活的紧密联系,如生活产品质量检验 (食品新鲜度、食品添加剂、农药残留量等)、法庭化学(DNA技术、物证鉴定等)、兴奋剂检测、环境污染分析等。(4)介绍社会或重大事件中仪器分析发挥的作用,如人类基因组测序、嫦娥一号探月、2008北京奥运会、苏丹红事件、三聚氰胺奶粉事件等等。这些具体、详细的评述和事例能让学生从各个层面了解仪器分析的重要作用和意义,进而激发学生的学习兴趣;而第一堂课中所激发出来的兴趣往往能够延续下去,对学生后续课程的学习产生积极的影响。

前苏联教育家苏霍姆林斯基在《兴趣的秘密何在》中写道:“所谓课上得有趣,就是说:学生带着一种高涨的、激动的情绪从事学习和思考,对面前展示的真理感到惊奇甚至震惊。”这种高涨的、激动的情绪和惊奇、震惊需要通过教师的情绪去引导,通过教师的授课激情去激发。想让学生喜欢仪器分析课程,授课教师首先要喜欢仪器分析课程。因此,教师在讲授仪器分析绪论课时应充满激情,这是引导调动学生情绪、培养和激发学生对仪器分析课程学习兴趣的好途径。

2 引入仪器分析发展史

在仪器分析发展的各个阶段,始终交织着成功的喜悦和失败的迷惘,几乎每种分析仪器和方法的背后,都蕴涵着一段故事[4]。我们在仪器分析课程教学中,结合相关章节内容的传授,有针对性地插入一些短小有趣的仪器分析发展中的小花絮、小故事,以提高学生的学习兴趣,激发他们学习仪器分析课程的积极性。同时,也能使课堂气氛快速进入活跃期,提高教学质量。

例如,在讲授极谱和伏安分析时,可先通过对极谱方法创始人——捷克化学家海洛夫斯基的介绍和他发明极谱法的故事引入正题。在攻读博士学位期间,年轻的海洛夫斯基在导师指导下研究小面积工作电极上低浓度组分的电解。他在滴汞阴极和汞池阳极两端加上连续增加的负电势,但无数次试验后始终得不到所期望的结果,却反复出现一个十分奇怪的异常现象:如果与电极接触的溶液含有还原性离子或离子团的话,电流就会按等级而不是连续地增加。海洛夫斯基对这个偶然现象进行了认真总结和归纳,终于发明了被广泛应用的极谱分析法。1959年,海洛夫斯基因发明和发展极谱法获诺贝尔化学奖。又如,在讲授色谱分析法之前,可以引入茨维特发现色谱法的故事。发明色谱法的茨维特不是化学家,而是植物学家。1903年,茨维特无意中做了一个实验,他将植物叶绿素提取液倒入装有碳酸钙吸附剂的玻璃柱中,用石油醚淋洗,随后惊奇地发现随着石油醚的冲洗,提取液在玻璃柱中形成一条具有不同颜色的谱带,谱带中各种颜色代表不同的植物色素。他把这种新奇的分离方法形象地命名为“色谱”法,因为这个发现他被誉为“色谱法之父”。但茨维特将他的发现发表在不出名的俄文植物学刊物上,导致 20多年的时间内色谱法一直没有被化学家所了解和重视,直到 1931年, R.库恩发现茨维特所发明色谱法的重要性,此法才得到普遍的推广和应用。1952年,英国科学家Martin和 Synge由于发明分配色谱法获得诺贝尔化学奖。类似这样的仪器分析发展史的故事还有很多,如原子吸收现象的发现、德国科学家能斯特的故事等,这些不仅能起到引入教学内容的目的,而且增强了课堂教学的趣味性,能激发学生的学习兴趣,吸引他们的注意力并将注意力持续到后面内容的教学中。

3 生活化的形象描述及比喻

仪器分析课程涉及的各类原理和概念非常多,如果完全按照课本上的内容,把原理和概念直白、平铺式地传授给学生,学生往往觉得抽象、晦涩和难以理解,提不起兴趣,教学效果不好。如何讲授仪器分析课本中的原理概念,使之既有科学性和严密性,又易于理解,便于掌握,这是仪器分析课程教学中值得研究的一个课题。对此,可从学生熟知的日常生活知识入手,提炼出简单、生动、易懂、有趣的生活知识与抽象、隐晦、难懂的原理概念之间的相似性,通过类比的手法,采用形象的描述及比喻,引导学生思考,得出结论,引出原理和概念,让学生从日常生活中感受仪器分析,用仪器分析知识重新认识与体验生活,提高学习兴趣。

例如,色谱分析法中介绍色谱分离原理时,如果按常规讲授,主要是介绍不同样品由于本身性质不同,与固定相作用力大小存在差异,因此在色谱柱中固定相、流动相两相间不断的分配过程中逐渐分离开来。这样的叙述容易使学生觉得复杂、抽象,理解起来较为困难。对此,可用学生熟悉的广州北京路步行街作一个形象的比喻:笔直的步行街就像一根色谱柱,街两端均匀分布的一间间商店像是固定相,从街一端向另外一端流动的人流像是流动相,逛街的人进入北京路后会随着人流(流动相)向前移动,并且进出商店(固定相)。有互不认识的一男一女两位学生,就像是色谱法中的分离对象,同时从北京路一端出发 (同时进样)逛北京路。由于商店对女学生吸引力大,因此女学生逛的商店多,且在商店中停留的时间长;而商店对男学生吸引力小,因此男学生进入的商店少且停留的时间短。这样最后将是男学生先走出北京路,两者完全分离开来。由此可见,色谱分离的机理就是分析对象 (男女学生)本身性质不同,与固定相(商店)作用力大小也不同,因此在色谱柱 (北京路)中停留时间不同而得到分离。这样生活化的形象比喻很容易让学生理解色谱方法复杂、抽象的分离机理,并对色谱方法产生兴趣。

4 充分运用多媒体教学手段

多媒体技术是把文本、图形、图像、视频、动画和声音等承载信息的媒体集成在一起,并通过计算机进行综合处理和控制的一种信息技术[5],具有良好的直观性和形象性,是一种新型的现代教学方式,也是当今世界教育技术发展的趋向。

仪器分析课程信息量大、内容多且较抽象,涉及光学、电学、数学、计算机科学等多个学科的相关知识,教学内容伴随着大量物理原理和物质微观作用,尤其是仪器分析原理部分,往往内容抽象且难于理解。而传统的教学方式手段单一,缺少变化,对学生感官刺激性弱,难以激发学生的兴趣。因此,在仪器分析课程教学中,充分采用多媒体教学手段,可以变抽象为具体,化枯燥为生动,变静态为动态,并可对操作过程进行模拟,使复杂抽象的内容变得形象生动,从而帮助学生充分利用直观感觉和思维去分析比较,加深理解,用较少的时间达到较好的效果。

电化教学实验表明,使人识别同一信息,用语言描述需要 2.8秒,用线条图需要 1.5秒,用黑白照片需要 1.2秒,直接看实物需要 0.7秒。仪器分析所涉及的仪器多为大型、精密、昂贵的设备,无法在课堂上直接展示。因此,把各类方法的原理、操作流程、谱图以及仪器的实物、结构、部件等制作成图片,将不易理解的内容变成直观图形,可以激发学生的学习积极性,规范教学形式,提高教学效果。为充分发挥图像这种多媒体载体的作用,必须注意以下几点:(1)提高图像质量。可通过网络搜索、实物拍摄、资料扫描、软件绘制或其他途径获取清晰、分辨率高的彩色图片,以增强图片演示的效果;尽量不用颜色单一、分辨率差的图片。(2)对于获取的图片须进行后期处理,如裁剪、扣除背景及调整颜色、亮度、对比度和清晰度等。(3)在课件制作中,将图片与文字、线条、边框、图形相结合,以增强说服力;同时应注意文字、线条、边框、图形的大小和颜色与主体图片要有一定的对比,以吸引学生注意力,避免视觉疲劳。

与静态图像相比,动画和视频均具有动态效果,将单一的静态视觉刺激提升为动态视觉与听觉联合刺激,更容易让学生理解和接受。例如在讲解红外光谱法分子振动形式时,通过三维动画可让学生清楚地从各个角度观看分子中各种振动模式的动态三维模型。在讲解原子吸收分光光度计仪器结构时,可采用动画进行演示:光源空心阴极灯发出的光线,穿过燃烧的火焰后被吸收,光线变弱,经过单色器后传到检测器,转变为吸光度数字信号;点击原子化器可以打开该系统三维结构图,并动态演示样品溶液的吸液、雾化和原子化过程,使学生直观地了解仪器内部构造和工作原理。在讲授高效液相色谱法时,可通过播放录制的视频文件介绍高效液相色谱仪的结构和操作流程。这些动画和视频对学生的吸引力比单纯的文字说明或图片演示更大,能使学生注意力更为集中。网络上有关仪器分析的各类动画和视频教学资源较为丰富,掌握好这些资源,并将其有效地结合到课堂教学中去,有助于激发学生的学习兴趣,提升课堂教学质量。

5 结语

瑞士著名教育家皮亚杰说过:“所有智力方面的活动都依赖于兴趣”。学习兴趣可以促进学生的求知欲,是学生在课堂上保持注意力高度集中的“灵丹妙药”。在仪器分析课堂教学过程中,应结合仪器分析课程本身的特点,不断探索能激发学生学习兴趣的途径和方法,活跃课堂教学氛围,提高课堂教学质量。

[1] 杨志峰.中国科教创新导刊,2008,25:59

[2] 王安亭,孙雪萍.大学化学,2008,23(5):20

[3] 华中师范大学,陕西师范大学,东北师范大学.分析化学(下).第3版.北京:高等教育出版社,2001

[4] 朱广华,鞠熀先.大学化学,2003,18(4):30

[5] 潘瑾,白雁,王星.实验室研究与探索,2008,27(10):89

＊ 通讯联系人,E-mail:huxg@scnu.edu.cn