教学微芯片在郎伯-比尔定律教学中的应用

吴剑 张叶 高焕

（安徽中医药高等专科学校 安徽·芜湖 241000）

分析化学作为化学的四大基础之一，处于承上启下的关键位置，分析基础是否牢固对后续的药物分析等专业课程而言非常重要，因此对于分析化学课程的教学方法及课程改革等方面有很多的研究。[1-3]但分析化学知识点多，涉及计算多，实验内容多，且实验中对学生的耐心、细心要求很高，因此极为枯燥，我校是文理兼收的学校，文科同学学习非常吃力。普通专科教育的讲授法和操作法，[4]对学生对相关知识点的理解帮助较小。在实际教学中我校分析化学精品课程的教学团队基于上述实际情况，发展了多种有特色的教育教学方法，教学微芯片法即是其中一种。其通过将枯燥乏味的分析化学的知识点，用精心设计的教学微芯片设计出来，让学生在课堂上动手操作，通过实践让学生掌握相关知识，教学效果较为显著。[5、6]对应的教学方法在理科课程特别是分析化学课程教学中较为少见，本课题组特选择郎伯-比尔定律教学过程中教学微芯片的使用为例描述如下：

1 本校分析化学课程情况简介

我校自1960年建校以来就开设分析化学课程，开设历史悠久，目前本课程所用教材为《分析化学》（第四版，陈哲洪等主编），课本共分十四章，包括化学分析和仪器分析的内容。2006年本课程成为校级精品课程在建设过程中积累了坚实的基础，在此基础上，2013年本课程成为安徽省精品视频公开课（2013gkk016）。目前我校医疗系医疗检验技术专业，药学系药学专业均采用该套教材进行授课。以药学专业为例，总学时为108学时，其中理论课时72学时，实验学时36学时。

2 教学微芯片技术的发展

教学微芯片是从目前分析化学领域热点技术——微芯片技术发展而来的，本教学团队较早的提出了该创新性的思路即：将科研中常用的微芯片技术引入课程教育教学中，由于微芯片技术的特点因此具有绿色环保的教学效果和可以进行理实一体化教学，在此思路下我们发展了四代教学微芯片，本文采用的技术为第四代教学微芯片技术。目前已经发展了多种针对性的教学微芯片，郎伯-比尔定律教学微芯片即是其中一种，该芯片通过精心设计的结构，可以让同学们在教学中一次性获得不同浓度不同厚度的溶液，从而让同学们理解郎伯-比尔定律的基础知识。

3 郎伯-比尔定律

朗伯-比尔定律的表达式为：A=K·c·L

表示当一束平行单色光垂直通过某一具有一定光照面积的、含吸光物质的稀溶液时，若该溶液均匀、无散射，则在入射光波长、强度及溶液的温度等条件保持不变的情况下，该溶液中的吸光物质对单色光的吸光度A与溶液的浓度c及溶液液层厚度L的乘积成正比关系。

4 郎伯-比尔定律教学微芯片

我们将微型化化学实验的概念和微流控芯片的技术结合在一起，设计了一种能够演示朗伯-比尔定律的教学用芯片，采用能够构建浓度梯度和厚度梯度的微芯片，达到更好的教学效果。其可以通过热溶胶、培养皿、磁铁为模板，用聚二甲基硅橡胶（PDMS）制备的，也可以通过光刻技术结合磁铁法制备。其结构[7]简单描述为采用常规的圣诞树状浓度梯度生成装置，同时在底端设计纵向的三个不同厚度的样品池，从浓度梯度生成装置入水口处注入高锰酸钾溶液和水，则可以在样品池生成不同浓度的溶液，结合不同厚度让同学进行观察即可对上述朗伯-比尔定律得到一个直观的印象。

5 学情分析及教学过程设计

经过前期的教学，学生已经学习了无机化学、有机化学、生物化学等学科的知识对于本课而言则已学习了滴定分析知识和操作技能（3-7章）、电分析化学知识（第9章）等。而本模块是光谱分析法，涉及到电磁辐射、光谱等光学知识。相关知识从表面上看和学生已经掌握的知识点没有太多关系，是全新的领域。这是仪器分析的特点，不同的模块如光学分析法、电化学分析法、色谱法之间的原理、操作等均有很大不同，如割裂来讲解则前后知识点不能融会贯通，影响学生学习。因此我们在讲解中将滴定分析模块归纳为通过计量点前后，肉眼可见的颜色变化来分析；电化学分析模块是对无法直接观察的变化通过仪器协助分析。本章则更进一步，讲述对肉眼不可见的其他的光（电磁波）如何借助和借助什么仪器进行分析。

虽然学生都已学习了无机、有机、生化等相关课程，但对知识的掌握程度差别较大；光学知识在初中也都有所接触，但显然文科同学对相关知识的掌握不及在高中物理中再次学习过的理科同学，而我校是文理兼收的，因此总的来看学生的起点还是存在着较大的差距，尤其表现在对知识的探究、联想、迁移能力上。这就使得课程讲解时不宜太深，否则层次较低的同学难以掌握、不敢学习；也不宜太浅，否则层次较高的同学会觉得太过简单、不想学习。因此在教学中采用一些新颖的手段将大大缓解学生学习的畏难情绪、自满情绪，这是本课采用教学微芯片的学情基础。

教学过程设计：

［导入］我们接着讲述下分光光度法中非常重要的概念，当然在这之前我们先回顾下刚才的颗粒中我们讲述了什么内容。

［投影、动画］上次我们讲解了非常重要的两个量度A和T，吸光度、透过率，两者之间的关系。

A=－lgT

［讲］这是两个非常重要的量度，我们说紫外这个慧眼不仅仅可以让我们看到第八第九种颜色的世界，可以让我们用来测定和度量世界，量的概念非常重要，那么我们是怎么度量的呢？让我们做下这个实验。

［教学微芯片实验］高锰酸钾溶液在朗伯比尔教学微芯片上的实验现象（图1）。

［学生观察实验现象］学生观察获得结论：芯片出口处横向比较，颜色有深浅不同，纵向比较，颜色也有深浅不同。

图1 教学微芯片实际效果图

［分析实验结果］横向比较形成浓度梯度，浓度越大，颜色越深；纵向比较，有不同厚度，厚度越大，颜色越深。

［结论、引出］吸光度大小与浓度、厚度有关。

这就是本节课所要讲述的内容：朗伯-比尔定律。

［讲］当一束平行单色光垂直通过某一具有一定光照面积的、含吸光物质的稀溶液时，若该溶液均匀、无散射，则在入射光波长、强度及溶液的温度等条件保持不变的情况下，该溶液中的吸光物质对单色光的吸光度A与溶液的浓度c及溶液液层厚度L的乘积成正比关系。

A=K·c·L

［动画、投影类比讲解］好比吃了多少菜取决于吃菜的人，人越多菜被吃的越多（相同厚度情况下浓度越大吃菜人越多，相同浓度下，厚度越大吃菜的人越多）。是分光光度法（紫外、红外、可见）定量分析的理论依据。

6 教学效果

本方法已被用于我校2018级药学专业的分析课程教学，学生通过微芯片实验能够自主的获得上述实验的效果，进行分析后获得结论，由于采用此类新型的教学方法使得学生对课程的兴趣大增。

此外在教学准备阶段我们组织了5名学生参与到芯片的制备过程中，他们现在可以熟练的掌握芯片的制备技术，相应的使用过程等，对此部分同学而言显然收获较多。

在教学中我们没有采用直播技术进行实验的直播，导致学生在操作时有的过早有的注射针管放置位置不对，导致实验失败的现象，这说明在进行教学微芯片教学时最好采用直播等方式进行。

7 总结和建议

上述就是我校分析化学精品视频公开课建设过程中，采用教学微芯片技术进行教学的过程。通过这样的方式使得学生能够在课堂上直接进行实验获得直观的认识，使得枯燥乏味又非常有用的分析化学课程中抽象的理论变得直观可见，这样的手段显然是一种非常有益的尝试，值得承担同类课程教学的各位同仁参考和借鉴。