仪器分析课程立体知识体系构建的思考与实践

石乃恩

【摘 要】立足基础，着眼未来，培养基本理论知识扎实和实践能力突出的创新型人才是高等教育的核心任务。本文针对短学时的仪器分析课堂，提出构建该课程立体知识体系的做法，透过现象看本质，建立三维有机框架，充分利用课下资源，攻破教学难点，理论联系实际，提升课堂高度，为国家培养适应未来需求的优秀人才。

【关键词】教学改革；立体化；知识系统；仪器分析

0 前言

在当前“大众创业、万众创新”的时代背景下，立足基础，着眼未来，培养具有扎实知识基础和优秀科学素养的创新型人才是高等教育的核心任务。高等学校面向“厚基础、宽口径、重能力、求创新”的培养目标，通过专业课程的教学，着力培养适应时代要求的现代化人才。仪器分析在人类的生活生产活动中占有重要的地位，人类社会面临的“五大危机”即资源、能源、人口、粮食以及环境问题的解决，都与仪器分析密切相关。仪器分析课程是材料和化学相关专业本科课程体系中的重要部分，是学生必须掌握的现代分析技术。以下结合本人在材料相关专业仪器分析课程的实际教学经验，谈一谈学生立体知识体系构建的一些做法。

1 教学现状

仪器分析通过使用现代的分析仪器来获知物质的化学组成、含量和结构的信息，主要内容包括光谱分析、电化学分析和色谱分析三大部分，其中包含十几种常用的分析测试方法。每类方法主要知识结构包括分析方法的原理，仪器的结构以及分析应用部分，是一门多学科交叉的课程。有些方法其原理部分涉及量子化学和结构化学，而且每种方法分析应用部分又有非常强的实践性，需要辅以一定的实践训练，这对教师授课时对知识面及其深度和难度的把握提出了比较高的要求。由于课程的高度学科交叉性、内容的广泛性和抽象性，这就要求学生要有比较扎实的先修课程基础，以及较好的联想和归纳学习能力，学生学起来也有一定难度。有的学生对先修课程，比如大学化学、结构化学等，基础不扎实，严重影响对课堂知识的理解、建构和运用。我们学校这门课程的学时是32学时，学时短，任务重。针对当前教学的一系列问题，需要充分利用课下课上资源，在教学内容、教学手段和教学方法上下功夫，激发学生学习的积极性和主动性，培养学生学习新知识和巩固旧知识的能力，帮助学生加深理解、融会贯通、掌握常用的仪器分析方法。

2 透过现象看本质

突出知识脉络，构建三维知识框架，建设适合材料、化学或相关专业的仪器分析课程知识体系。

2.1 理清知识纵横主干，编织知识体系的二维结构

因为仪器分析中的内容比较繁杂，不可能对每种方法的所有部分都详细讲解，因此授课时透过现象看本质，看到不同方法之间的联系，找到知识的主线。比如，绪论中提到，所有的仪器都包括信号发生器、信号检测器和信号处理器，所以，所有的分析方法都是利用不同的信号来实现对物质的组成、含量或结构的分析，即定性和定量的分析。电化学分析中，根据电信号的位置和大小进行物质的定性和定量的分析；光学分析中，分别根据光谱的峰位和强度鉴定物质的结构和浓度；色谱分析中，分别根据色谱峰保留时间和峰高鉴定物质的性质和含量。以信号决定于物质性质与浓度这一基本规律作为构建知识系统“长”的维度。基于此，进一步对每一部分的各种方法进行比较。

在讲授分析方法的原理部分及仪器结构部分时，尤其要注意比较其中所涵盖的方法的区别和联系。比如，在进行光学分析教学时：在紫外可见吸收光谱仪、红外吸收光谱仪、核磁共振波谱仪中，涉及的电磁辐射的波长范围分别是多少，分子或原子核受激激发的原理，各自反映的分子结构方面的什么信息和仪器的结构特点等。通过对类似可比的内容进行比较分析讲述，从而将同一大类中的不同方法有机联系起来，构建起知识体系“宽”的维度。这样帮助学生理清知识脉络，并从中学会接受新知识和巩有知识的学习方法。

2.2 充分利用网络资源，增加拓展内容，提升课程“高”度，形成三维立体知识体系

知识和技术更新换代的周期在不断缩短，信息化和网络化时代给高校带来了挑战和机遇。教师可利用网络资源为学生提供有关仪器分析方法和操作技术的网络链接和数据库资源，丰富教学素材。另一方面，学生通过书本知识只能了解仪器分析的基本原理，并不知道其在社会生活和科学研究中的具体应用，更不知道当前形势下分析仪器及分析方法发展的新动向，极大地限制了学生的研究和创新能力的培养。在课堂中为学生讲授如何将经典的仪器分析原理应用于实际问题，拓展他们的视野，提高其灵活运用所学知识的能力，提升课堂的“高”度。例如，在讲解紫外–可见分光光度法时，可以结合不同的有机纳米颗粒的紫外–可见吸收光谱的特征进行讲解，如根据吸收峰的位置可以区分不同大小和形状的有机纳米颗粒①；在课程每个章节的开始，可借分析方法在电子器件、能源、环境、食品与药品安全等领域的应用或一些热点问题，如饮用水中重金属离子的检测、环境中硝基爆炸物的检测、饮料中抗氧化剂的分析、蛋奶制品中三聚氰胺的检测等引出原子发射光谱、分子荧光光谱、红外光谱分析、高效液相色谱等分析技术，再来讲授其原理，赋予枯燥的内容以营养和水分，可引起学生浓厚的学习兴趣。

构建和丰富“活学活用”这一“高”的维度，形成三维立体知识系统，不仅打下扎实的理论知识基础，并且开拓学生的思维，提升他们的创新实践能力，激发其学习的兴趣。综上，把基本理论知识立体化：以课程三大部分的纵向联系为长，每一部分各分析方法的横向联系为宽，灵活运用为高，从长、宽、高三维度进行归纳和拓展，构建有机联系的完整的知识体系，进而理解理论知识的内涵，激发学生的学习兴趣。

3 攻破教学难点

如前所述，该课程有些方法其原理部分较为抽象，而且每种方法分析应用部分又有非常强的实践性，需要辅以一定的实践训练，这对教师授课时对知识面及其深度和难度的把握提出了比较高的要求。教师对内容根据理解难度以及教学要求分别进行划分，指导学生做好课前预习，对于大纲要求了解的并且相对易懂的叙述性文字内容，以学生自学为主，课堂内的主要精力放到需要掌握并且不易理解的难点和重点上，确保学生能够学好，进一步辅以课下读书报告、实验课、大学生创新项目、与硕士生及博士生互动等以结合感官认识加强对抽象内容的理解，并提高灵活运用的能力。针对当前大学生自主选课、知识背景有差异，以及不同基础的学生对先修课程的掌握程度也有较大差异的情况，加强预习资料的布置，其中包括发放一些先修课程中涉及课堂内容的复习性资料，以备学生择需而用。学生通过预习和相关的复习，并进一步明确重点和难点，从而可以有计划的利用课堂，对比较熟悉的重点内容进一步复习和巩固，对难点内容及时解决，从而有效提高课堂效率。课前准备考核题目以检验预习和复习效果，课上予以抽查和讨论。这不仅可以提高课堂效率，而且能够培养学生自学能力，为当前以及未来信息时代的现代化创新型人才打好自学能力的基础。

通过以上过程，教师可以合理规划课堂时间，把大部分的精力放到课堂的重点和难点内容，并补充拓展内容，增加课堂趣味。比如在分子荧光光谱教学中，学生提前做好关于分子轨道理论和分子电子能级的复习，并结合前一章紫外-可见吸收光谱中有机化合物的电子跃迁和吸收带等内容，做好分子荧光光谱分析的预习。在课堂上讲解能级图及荧光去激发的途径时，学生不会突然面对众多陌生的名词感到困惑；在此基础上讲授荧光光谱的特征这一重点内容时会更游刃有余，如果进一步对能级图进行逐步分解，采用动画进行辅助讲解，从而可使得学生对这部分难点内容有清楚的认识。此外，进一步增加课程内容的发展史，从而使学生更加清楚个人所修专业的学科发展脉络，并在专业领域理解人类文明的进步，激发学生的思考。1575年西班牙植物学家Monardes发现Lignum Nephriticum木头切片的水溶液在阳光的照射下显示出天蓝色的荧光；1852年斯托克斯发现荧光发射波长比激发波长要长；1867年出现了里程碑式的首次关于荧光分析的工作，这是由Goppelsroder应用铝—桑色素配合物的荧光进行铝含量的测定②③。在此基础上，进一步介绍现代荧光光谱在科学研究的前沿发展和各行各业的广泛应用。这不仅拓展了学生的视野，更进一步激发了学生的思考与兴趣。

4 结语

综上所述，面向基本理论知识扎实的创新型人才这一培养目标，针对短学时课堂，一方面透过现象看本质，构建立体化的课程知识系统，以纵向联系为长，横向联系为宽，灵活运用为高，从长、宽、高三维度进行归纳和拓展，另一方面，充分利用课下资源和时间，进一步提高课堂效率，攻破教学难点，增加课堂趣味，密切联系实际，为国家培养爱学习、乐创造的适应未来需求的人才。

【参考文献】

[1]甄淑君.仪器分析课程教学改革思考[J].西南师范大学学报（自然科学版）， 2013，38：168.

[2]赵芸辉.教学设计课程的立体化教学资源设计研究[D].江西师范大学，2008.

[3]任玉兰，邵艳秋，罗玉杰.讨论式教学法在仪器分析教学中的应用[J].教育与职业，2014，21：151.

注释：

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.

[责任编辑：朱丽娜]