光学专业本科生光谱实验教学的改进探索

刘玉春

（海上理工大学光电信息与计算工程学院 上海 200093）

光谱学是现代光学的一个重要分支学科，主要是利用物质与不同频率电磁波之间的相互作用研究其性质，[1]从而实现对不同样品的物理结构、化学成分等指标测量与表征。光谱技术作为自然科学分析的重要手段，具有灵敏、快速、简便等特点，在科学研究和生产生活中具有非常的广泛的应用前景，可用于化学、生物、医学、药物临床、仪器卫生、环境监测等多个领域。[1]光谱技术早在20世纪四五十年代就得到了迅速发展，目前的光谱技术主要可分为吸收光谱、发射光谱与散射光谱。不同种类的光谱技术，可以从不同方面提供物质微观结构信息以及不同的化学分析方法。随着科技的进步的发展，光谱技术在生活应用及教学科研中发挥着越来越重要的作用，因此针对本科生的光谱相关教学具有十分重要的意义。

由于光谱技术在高水平检测和应用研究中具有重要地位，因此相关课程应紧密结合专业知识与实际应用需求，使学生明确理论知识与实验测试的教学意义所在。目前已有多所高效展开光谱技术相关实验教学，[2][3]主要包括紫外-可见吸收光谱、近红外吸收光谱、红外吸收光谱、拉曼光谱等。然而，由于光谱仪种类较多且价格较为昂贵，在实验教学中存在设备数量少、学生人数多、实验内容单一、实验效果不理想等问题。本文将以紫外－可见吸收光谱的实验教学为例，浅析如何解决光谱技术实验教学中存在问题，探索实验教学中各个环节的过程管理和改进方法，利用多样化实验内容和探索性思考培养学生在实验中的操作技能和创新能力。

1 实验前加强对实验目的理解与对实验内容的讨论思考

以吸收光谱为例，紫外－可见吸收光谱仪器设备比较简单，具有操作简便、精密度较高、选择性好等特点，[4]可利用吸收峰的特性对物质的组成、含量和结构进行定性和定量分析。吸收光谱实验教学目标包括：学生熟悉光谱仪的基本结构，深入了解吸收光谱色散系统的色散原理、探测器的类型和基本参数、掌握吸收光谱的测试原理及方法。一般而言，吸收光谱的仪器组成部分分为：光源系统、色散系统、样品池、探测器、显示记录系统，如图1所示。吸收光谱测试主要是基于朗伯-比尔吸收定律（Lambert-Beer law）：

图1 紫外－可见光谱仪的基本结构和吸收示意图

其中，A为吸光度，T为透射率，I0为入射光强，I为出射光强，a为摩尔吸光系数，b为光程，c为物质浓度。实验中根据测得的I0、I得到物质的吸收特性。

对于吸收光谱实验教学而言，需要将理论联系实验，才能更好地达到实验教学目。通过光谱分析仪器结构特点、组成的基础的讲解引出吸收光谱涉及三个基本过程：能源提供能量、能量与被测物之间的相互作用、产生信号，进一步导出吸收光谱产生的原理、光谱信号与物质结构的内在联系。[5]针对实验设备不足的问题，可建议院校单位购置多个价格较低的微型光谱仪和便携式光谱仪。一方面，教师可以先通过理论学习和视频动画讲解加强学生对实验原理的理解，使学生对光谱仪构成、基本光学元件、光路结构及光学参数的直观认识；另一方面，通过对不同光谱仪实物进行分析对比，讨论学习其光源系统、色散系统及探测器的差异。通过对以往实验案例的讲解，使学生对实验用光谱仪基本测试参数设置及测试光谱图有基础了解，对光谱测试结果分析及光谱技术应用有基本认知。教师讲解过程中间可合理穿插多种形式的问答，创造良好的互动氛围，充分调动学生的学习兴致。

通过对实验原理和实验目的的充分了解之后，可以让学生对于实验中实验内容及测试细节提出一些意见和建议，并通过展开讨论提高学生对于光谱实验的兴趣和积极性。具体来说，本科生吸收光谱实验内容可以分为两类：基础性内容和探索性内容，如表1所示。基础性测试内容可以包括固体粉末、溶液或薄膜三类，例如二氧化钛粉末、硫酸铜溶液、高锰酸钾溶液、石英玻璃、聚合物薄膜等等；探索性测试内容可结合吸收光谱应用实例，比如单组分、多组分、不同官能团的测定等等。基础性实验测试内容用于学生对实验仪器、实验原理、实验操作及实验方法的理解和掌握，而探索性实验测试内容旨在让学生数量掌握和应用朗伯-比尔吸收定律，探讨紫外—可见吸收光谱的应用实例及相关实验重难点问题的解决方案。通过对多样化实验内容的讨论和选择，可以提高学生实验学习的积极性以及创新思考的能力，进一步加强其对吸收光谱定性和定量分析实验的基本原理及实验目的的理解。

表1 光谱技术实验教学中的基础性实验与探索性实验

2 实验中加强实验操作与实验过程的管理

在吸收光谱的实验教学中，首先采用纯水作为演示实验测试对象进行实验演示，分别测试其透射率和吸光度。对于不同光谱仪器，吸收光谱的测量方式可分为单光路型和双光路型两种。将纯水替换成某种待测溶液，测试其紫外-可见光范围内的透射率和吸光度。在教师进行实验演示过程中，不断与学生进行互动提问，加强相关实验过程及操作的理解记忆。演示实验完成后，采取小组实验训练方式，小组人数为3~4人；然后通过实验内容讨论、实验分工协作、实验操作反馈等过程使每个学生都参与实验操作，同组成员在实验的过程中不断反馈、讨论，提高实验教学效果。例如在吸收光谱实验中，设置一系列不同浓度的溶液样品（如高锰酸钾、硫酸铜、甲基蓝等）进行测试，要求学生小组成员全程参与；从溶液样品的配制、取样、放置到光谱仪参数设置、光谱采集、数据保存，每个小组成员完成1~2组实验测试，涉及每个实验步骤。

在光谱实验内容操作过程中，教师可根据实验内容将操作分为两部分，即基础操作和探索性操作。在探索性操作中，教师可以鼓励学生适当改变实验条件，并且在实验操作完成后分析不同实验条件对实验结果的影响。与之对应地，对学生实验过程的考核也分解为基础操作部分和探索性操作部分。基础操作包括基础测试样品的制备、放置、光谱仪参数设置、光谱采集、数据保存、数据计算等；探索性操作包括特定样品的测试分析、实验条件变换、实验结果分析、实际应用联系等。基础操作注重规范性，探索性操作部分注重实验反思，不同实验内容、实验操作可与最终实验结果分析相互印证。

通过不同的实验过程管理，选择合适的实验操作方式，有利于学生在锻炼专业实验技能的同时，加强实验积极性与问题分析能力。比如在对一种浓度未知的溶剂进行含量测定的实验过程中，可以首先将不同的已知浓度的样品作为吸收光谱基础实验内容，将另外的已知和未知浓度的样品作为探索性内容，实验过程中相互验证，测试之后通过对光谱数据的对比对比，加深对吸收光谱实验方法及过程的理解。此外，结合吸收光谱技术和应用的特性，实验过程中可以启发和开展多种探索性测试。

3 实验后进行多方面总结思考与反馈交流

在吸收光谱分析测试实验教学过程中，通过理论基础学习、演示实验的理解及实验测试的操作，学生能够增强对光谱仪基本结构、光谱测试基本原理和应用的相关了解，并在实验过程进行一系列思考和讨论，加强专业实验操作技能的训练，培养学生知识学习和仪器应用的兴趣。在吸收光谱测试实验结束后，多方面的总结思考和分析交流可以进一步加强实验教学效果。具体地，实验后总结交流可分为以下三个阶段：

实验室光谱测试结束后为第一阶段。该阶段教师可根据实验现场操作情况提出一系列的问题，与学生互动讨论，鼓励学生积极主动思考，对实验过程和实验结果进行总结和思考。例如，在基础性实验中，不同形态样品的测试方法、测试误差、测试结果校验等方面都有哪些不同？在不同的未知浓度样品测定中，吸收光谱参设定有哪些技巧？在探索性实验中，将样品A换成样品B，吸收光谱将会产生怎么的不同效果？

光谱测试结果分析和实验报告撰写为第二阶段。该阶段由各小组开展相关专题讨论交流，完成实验结果的处理、数据分析及实验报告的撰写。实验报告包括小组对实验原理和实验目的的理解、基础性实验测试数据处理与吸收特性分析、探索性实验测试结果分析与思考、实验总结与探索性思考等内容。鼓励学生小组在实验报告中结合自己的实验分析和资料查阅，提出新的实验方案或者潜在应用实例，启发对光谱实验技术和应用进行思考和讨论。

班级实验课程交流与讨论为第三阶段。通过线上网络或者线下课题，设置小组实验交流讨论，基于对不同小组的实验报告的学习，开展光谱技术实验及应用的自由讨论，鼓励不同小组之间相互提问，并对教师的实验教学提出意见和建议。最后总结相关实践经验、操作技巧、学习心得及探索性思考内容，形成文档，作为内部公共资源供全体学生使用。通过总结思考和反馈交流启发学生进行更多资料学习和仿真实验尝试。

同时，通过学生的反馈和交流，教师进一步反思如何进行实验教学的过程管理和效果提升。例如，教师注重专业实验素材积累，搜集各类动画和视频资料结合相关领域的最新进展或热点内容讲解光谱实验基础；并通过新的实验方式和方法的讨论，优化实验过程；综合实验过程管理、实验报告以及交流互动情况，对学生的实验目标达成和实验技能掌握情况进行清晰判断。

综上所述，实验前结合视频动画等学习资料对实验原理、实验目的、实验设计和实验过程进行讲解，鼓励学生参与对实验内容及实验设计的讨论，制定基础性和探索性实验内容；实验中充分利用现有实验平台和仪器设备，通过基础性和探索性光谱实验操作加强实验过程的管理和改进；实验后增加多阶段的总结思考及经验交流环节，加强和深化学生对实验内容、实验操作、实验结果及光谱应用的理解和探索。通过对实验内容、实验过程的改进和探索，可明显提升光学专业本科生光谱技术相关的实验教学效果，加强学生专业实验技能和创新思维能力的培养。