培养学生科研创新能力探究——以分光光度法测溶液浓度教学为例

蒋童童，周 胜

(安徽大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥230601)

在当今科技时代，世界各国的竞争突出体现在人才的竞争。培养创新型、科研型人才成为高等学校教学的重要目的。传统的教学方式已经满足不了现代教育变革大环境的需求，教学改革迫在眉睫[1-3]。2019 年9 月29 日，针对本科教育改革问题，教育部提出了一系列提高人才培养质量的意见。明确提出教师要将科研中的新成果带进教学中，加强对学生科研活动的指导，在科研环境中锻炼学生，培养学生的创新意识，提高学生的实践能力。由此，足以见得创新、科研能力是社会对新时代人才培养的新要求。

材料物理实验是材料物理专业的必修课，该课程主要以培养学生实验技术以及锻炼学生动手能力为目的。为了培养符合社会需要的实用型人才，对学生沟通合作能力、科研思维以及自主能力的培养应该作为实验教学中的重要内容。因此，实验教学设计过程需要将学习实验手段和解决科研问题相结合。在实验设计中，教师可以渗入学科前沿问题，设置多个问题情境，引导学生利用前人的研究成果，通过讨论分析，灵活变通地自主解决问题。通过“实战演习”的方式，帮助学生开发创新思维，拓宽视野，从而使学生能够适应毕业后将面临的角色转变问题，从容面对竞争。本文主要探讨分光光度法的实验教学设计中，如何向学生提出探索性问题，引导学生学会自己分析问题，解决问题。

1 实验内容和原理

1.1 实验目的

1.学习分光光度法，了解朗伯-比尔定律及其适用条件，掌握紫外可见分光光度计的使用方法。

2.探索如何利用已知浓度的罗丹明6G水溶液，得出未知罗丹明6G 水溶液的浓度。引导学生灵活应用已学的知识和技能，独立设计，得出结果。

1.2 实验内容与实验原理

1.2.1 分光光度法

分光光度法即是根据被测物体的吸收光谱，依据光的吸收定律，对被测材料进行定性以及定量分析的方法。当一束光（入射光的强度为I0）照射到某种物质（通常为溶液）上时，和该材料发生作用，能量从光子转移给该材料，材料从基态转变成激发态，整个过程表现为该物质对光的吸收（吸收光的强度为Ia）[4，5]。物质吸收了某种颜色的光，而呈现出吸收光的互补色，即为材料的选择性吸收。设透射光的强度为It，透光率的负对数即为吸光度A，满足

不同浓度的同一物质溶液表现出基本一致的吸收光谱形状，但是吸收峰的强度不同，随着浓度逐渐增大，峰高不断增加。

1.2.2 朗伯-比尔定律

其中b 是光通过样品的光程（cm），c 是物质的量浓度（mol·L-1），ε 是摩尔吸收系数（L·mol-1·cm-1）。朗伯-比尔定律适用的条件有3 个要点：均匀介质、低浓度和单色光。当溶液浓度过高时，被测物质粒子与粒子之间的相互作用较强，不可忽略，朗伯-比尔定律得出的线性关系将会被破坏。

1.2.3 紫外可见分光光度计的原理

紫外可见分光光度计的光源为钨灯（340nm-1500nm），在可见光区具有连续光谱。光谱通过单色器转变成一系列的单色光，经过出射狭缝选择出特定波长的单色光。将待测溶液和参比溶液分别倒在两个完全相同的吸收池中，单色光穿过吸收池，透射光被光电探测器收集，光信号转换成电信号。最后，通过计算机将电信号显示出来。

1.2.4 提出科学问题

发给学生紫外可见分光光度计使用指南，另外，提供一瓶已知浓度的罗丹明6G 水溶液（600 mg·L-1），要求学生测量一瓶未知罗丹明6G 水溶液的浓度。

1.3 教学过程分析

培养学生的自主学习能力：探索未知，是人类一生的课题，有助其在探索未知事物时进行自主思考分析。不同于传统的实验教学，我们在介绍完实验原理之后，不演示仪器操作步骤，而是将操作步骤说明书发给学生，让学生自行阅读，进行操作，培养学生的自主学习能力。通过鼓励学生自主阅读，付诸行动，不仅能够加强学生对仪器操作步骤的印象，而且能引导他们在实践中形成勇于探索、敢于尝试的精神。

在学生掌握仪器操作步骤以后，通过设置问题情境，逐步引导启发，设计和开展测试未知罗丹明6G溶液浓度的实验，如图1，训练学生的科学思维。

图1 测未知溶液浓度的路线图

1.分析问题。在实验过程中大多数同学都会想到，分别测试已知浓度的罗丹明6G 水溶液和待测罗丹明6G 水溶液的吸光度，比较两者的强度。教师可对学生提出疑问：“吸光度是不是一定和浓度成正比？”并给学生留适当的思考时间，围绕该问题开展讨论交流，与他人交换意见，交流心得，才更有可能取得长足的发展。

2.理论知识回顾。教师观察各小组的讨论进展，给出提示：“在讲授课程中我们已经给出了解决问题的关键知识点，朗伯-比尔定律的适用条件中包含了3 点有效信息：均匀介质；低浓度；单色光。首先罗丹明6G 易溶于水，其水溶液是均匀介质；其次根据紫外可见分光光度计的原理，可以近似认为照射样品的光是单色光。还有一条是低浓度，已知浓度的罗丹明6G和未知浓度的罗丹明6G水溶液属于低浓度吗？”理论知识回顾的过程主要是考验学生对理论知识的掌握。

3.理论指导实践。针对思路不清晰的同学，进一步给出提示：“我们不需要知道具体低浓度的标准，需要找出的是朗伯-比尔定律线性关系。”

学生将已知浓度的罗丹明6G 水溶液按一定比例稀释成几种不同的浓度如1.25mg·L-1、2.5mg·L-1、5mg·L-1、10mg·L-1、20mg·L-1、40mg·L-1等，根据罗丹明6G 的吸收光谱选择合适的光谱扫描范围（400nm-650nm），测试溶液的吸光度。制作吸光度随着溶液浓度变化曲线图，找出浓度和吸光度呈线性关系的区域，如图2所示。

4.灵活变通地解决问题，培养学生创新思维。我们给学生的未知溶液也是高浓度的，当学生发现未知溶液的浓度不在线性区域内后，我们再引导他们进行讨论，通过观察学生讨论情况，进一步引导：“我们只能测试在线性区域内的样品浓度，可不可以将未知浓度的罗丹明6G 水溶液按照一定比例稀释。测试得出稀释后的未知浓度罗丹明6G 水溶液的吸光度，然后在线性图中找出吸光度对应的溶液浓度，最后根据稀释比例反推得出未知罗丹明6G水溶液的浓度。”

图2 a.不同浓度的罗丹明6G水溶液的吸收光谱；b.罗丹明6G水溶液的吸光度和浓度的关系图

2 结 论

在本次实验教学过程中，首先向学生传递理论知识，讲授分光光度法，朗伯-比尔定律，介绍紫外可见分光光度计的原理。再给学生设定科研情境。利用已知浓度的罗丹明6G 水溶液探测未知罗丹明6G 水溶液的浓度。实验中通过逐步给予学生提示的方式，引导学生分析问题、解决问题，使学生能在实践中体会科研过程，了解设计解决问题的整个思路。创设多重问题情境，可以培养锻炼学生的逻辑思维，加深学生对相关理论知识点和物理实验技能的掌握。

在实验教学过程中，实验基本方法和技能掌握是基础，培养学生的沟通合作、创新意识、科研态度是重点。在分光光度法测未知溶液浓度的实验中，为学生提供自主学习的空间，赋予课堂新的活力。设置多重问题情境，搭建多层思维平台，逐步引导学生自主思索，适时沟通交流，探究解决问题的方法，提升了学生的创新意识、科研思维。