思维导图在环境仪器分析课程教学改革中的应用

宫迎增 仪名凯

摘要：环境仪器分析课程是环境学专业的基础课程，该课程涉及大量化学、物理和环境等方面的内容，知识点庞杂，学生难以理解和掌握，并很难对相关仪器有完整的认识。“思维导图”可以将仪器原理、结构、应用形象的联系起来，有助于学生对知识点的理解、记忆和应用，从而帮助学生全面掌握仪器的相关知识。因此将“思维导图”引入到环境仪器分析课程可以有效地提升教学效果。

关键词：环境仪器分析；思维导图；仪器分析；教学改革

仪器分析是环境分析和检测的重要手段，是准确获取环境数据进行相关科学研究、政策制定以及工程实施的基础。仪器分析课程是环境及相关方向本科生的重要基础课程。仪器分析课程的主要内容涵盖了当前环境学分析所需要的主要仪器的基本原理，结构组成，主要用途，并且需要结合实验课让学生通过相关仪器操作，掌握相关仪器的使用方法，了解使用过程中的常见问题及其处理方法。仪器基本原理和结构组成的学习涉及到大量物理化学知识，这就使得这门课具有知识面广，知识点多且庞杂，不易记忆的特点。这些特点往往导致学生上完这门课之后“只见树木不见森林”，即只记住老师上课着重强调的几个知识点，或者只记住了仪器的某个组成部分，而对于整个仪器缺乏认识，更不能准确指出不同仪器之间的差别，也就不能够根据实际需要准确快速的选择所需仪器。

思维导图（或称心智图，英文为Mind-mapping）是将发散性思维以生动的图形形式进行呈现的工具，它可以通过简单的词句、线条、颜色、基本的形状以及生动的符号等元素将分散的知识点以及知识点之间的内在逻辑关系直观的呈现出来。思维导图通过有效直观的呈现知识结构全景图，帮助学生构建起完整的知识体系，使学生在理解知识的内在逻辑的基础上将相应的知识点串联起来，有助于学生对于知识的学习和应用。

将思维导图应用到环境仪器分析教学中可以帮助学生构建起包括基础理论-仪器结构-仪器使用等内容的完整的知识体系，为学生以后从事环境相关的科研、工作打下坚实基础。

1 利用思维导图进行教学设计

环境仪器分析课程知识点庞杂、琐碎以及枯燥的特点首先给教师备课带来困难。准确把握知识体系的内在逻辑，在此基础上把仪器相关的知识点串联起来，期间再穿插课程思政、相关科研最新进展作为课程重要补充，然后点缀一些社会热点、生活趣事等可以活跃课堂气氛的段落，就可以把课堂设计的兼具知识性和趣味性，达到理想的教学效果。

思维导图可以将知识点和逻辑体系可视化的功能应用到教师的备课过程中，可以使课程更加有逻辑性，便于教师快速、高质量的完成课程设计，有助于教师逻辑清晰的把课堂内容呈现给学生。

在课程实践中，一般可以按照图一的思维导图进行课堂设计。（1）课程导入：根据具体的仪器特点设计合适的课程导入，例如在讲高效液相色谱的时候已经学过气相色谱，因此导入的时候可以通过启发式提问的方式让学生思考对于难以气化等难以用气相色谱进行分析的样品需要如何分离，还可以进一步引导学生思考并讨论需要进行相应改进的仪器结构，然后开始进行仪器学习。

（2）概述：引入本堂课将要学习的仪器，介绍该仪器的发明和发展演化过程。这部分内容可能和一些著名科学家相关，因此适当增加相关科学家的名人轶事等内容可以增加课堂的趣味性，调节课堂气氛。另外仪器的发明一般都是基于仪器重要测试原理的发现，而仪器的改进得益于某些关键技术的突破导致某些部件的升级，所以本部分和后续仪器的基本原理、仪器组成等知识密切相关，在讲解这部分内容的时候，可以为后续相关知识的学习埋下一些伏笔，引导学生进行思考和讨论。另外这部分

（3）仪器：讲解仪器的理论基础和结构组成，该部分是重点部分。仪器分析是利用样品的物理或者化学性质实现对样品的定性或者定量测量。因此首先要讲解物理或者化学信号和样品性质或者数量之间的关系的理论基础。然后要逐步介绍样品信号产生、信号处理以及信号检测的理论基础，在此基础上介绍仪器为了实现相应功能所具备的结构或者部件，仪器的理论基础和结构特点决定了仪器的适用场景和注意事项。因此仪器原理和仪器结构相关知识点虽然比较多且零碎，但只要抓住理论基础和结构组成的统一性就可以将其内在逻辑展示给学生。

（4）应用和实例，在学生掌握的仪器理论基础和结构之后，结合最新的关于相关仪器的中英文文献中的案例，介绍仪器所適用的场景，注意事项，不同特性样品的分析方法以及所适用的范围，干扰排除等内容。在学习了仪器理论基础和结构组成之后，这部分的很多内容可以通过教师的适当引导，让学生自己归纳出来，因此这部分内容在适当的情况下可以以学生讨论自学为主，教师适当点评引导为辅进行。另外应用实例也可以在课堂引入的时候抛出，让学生去思考如何去解决某个实际问题，或者如果进行某项环境指标的测量，然后通过前面3个步骤逐步引导学生边学习边思考。

（5）知识拓展，在书本内容基础上，对仪器相关最新科研进展等方面的知识进行拓展。这部分内容与最新研究进展关系密切，需要引导学生阅读最新的科研文献。因为本课程面向低年级本科生，他们还不具备有目的查找文献阅读文献的能力，因此最开始教师可以指定文献让学生阅读，总结，讨论。随着学生阅读文献能力提高，可以让学生仔细查阅，并做专题报告展示相关收获。

（6）课后作业，包括两部分，一方面要求学生利用思维导图对本仪器的知识点进行总结，另一方面结合现实案例给学生布置形式多样的作业。教师要及时对学生优秀的思维导图进行点评，鼓励并启发学生做出更加优秀的思维导图。另外一个作业可以是让学生针对某一案例设计测试方案，也可以利用教师在实际科研中的数据进行数据分析。

一般来说仪器理论基础、结构组成和应用是重点内容，也是其他部分的基础，需要让学生认识到仪器在实际应用中的特点主要是由仪器的理论基础和结构组成所决定的。

2 利用思维导图构建知识体系

仪器的理论基础、结构和测量等知识内容涉及大量的物理、化学和环境方面的知识。学生在初步学习过程中，很容易陷入对一些细节的理解、记忆上，而忽略对仪器整体的认识。可以通过让学生构建思维导图，帮助他们建立起来对仪器的整体知识体系以及内在逻辑的认识。

仪器的理论基础是围绕着利用样品的化学或物理性质对样品进行定性或者定量测量所构建的，而仪器的各个组成部分是由理论基础决定的，是为了实现理论基础中的某些具体功能所设计的，因此可以將仪器的理论基础和结构组成联系起来进行理解和记忆，这也是让学生构建思维导图的内在逻辑基础。

以原子发射光谱仪为例，其实现定量检测的基础是样品原子的发射谱线强度和样品中元素浓度呈现线性关系。因此该仪器需要实现原子的激发和发射谱线的准确检测。而原子激发的理论基础是将样品转化为气态原子并施加能量将原子转化为激发态，完成激发。为了实现这一原理，发明了直流电弧、交流电弧、高压火花和电感耦合等离子体（ICP），这些部件都是为了实现样品的气化、激发，只是具体途径不同，并且根据部件名称可以很好理解并记住它们实现相应目的的原理。

而为了实现发射谱线的准确检测首先需要将空间重叠的不同光谱按照波长顺序排列，然后再将光信号的强度正确的读取出来，前者需要的是单色器，而后者需要检测器和数据处理与现实系统。将光谱在空间上展开，可以通过两种不同的途径，一种是用不同波长的光在棱镜中的折射率不同实现，这便是棱镜；另一种是利用光在光栅上产生的衍射和干涉实现，这便是光栅。对于对光信号的定量检测，一般是将光信号转变为电信号，并进行放大之后对信号进行读取和显示。主要包括两类：光电倍增管和阵列检测器。阵列检测器由于其组成阵列的原件不同有多种类型。

以上是原子发射光谱的理论基础和结构部件，所有的理论是为了实现利用对原子跃迁发射光谱进行测量得到样品浓度的定量信息。而各种部件都是为了实现其中部分功能所设计的。让学生在进行思维导图的归纳过程中去体会理论和结构的统一才能够让学生真正掌握原子发射光谱仪。在此知识结构的基础上，学生可以更好的理解并掌握仪器在使用中的各种知识。以此为基础可以讲样品测量、干扰解析等知识构建到该图中。其他的仪器也可以用类似的方式进行知识体系的构建。

在刚学完相关内容利用思维导图进行知识点总结的时候，要尽量做到面面俱到，将所有的知识点尽可能的都归纳进去，这样便于更加全面的掌握所有新学到的知识点。而在对知识点有一定掌握，进行课程复习的时候，则应该突出知识逻辑脉络，突出重点，因为这时候已经对仪器相关的知识有所认识，重点应该放在对仪器形成整体认识上。

3 利用思维导图展示不同仪器的异同

在仪器学习的时候，除了要掌握每一种仪器的理论基础、结构组成和应用等知识之外，还需要清楚的知道不同仪器的结构和功能特点，能够根据实际测量需求准确判断所需要的仪器。因此在复习的时候，可以利用思维导图对比仪器的异同，帮助学生建立起整个课程的知识体系。

以原子吸收分光光度计和原子发射光谱仪为例，它们的单色器和检测器差别不大，而它们的进样和光源系统有显著差别。这是由于，原子发射光谱仪是对发射光谱的检测，需要对样品进行原子化和激发，一般在利用电弧或者电感耦合等离子体的能量进行原子化的同时也实现了原子的激发。而对于原子吸收分光光度计，需要对吸收强度进行检测。原子的吸收光谱比较窄，因此需要使用谱线非常窄的锐线光源，这就需要通过光源发射和光线吸收两部分实现。将这两者放在一起对比可以让学生了解两种仪器原理上的本质区别，同时也可以和仪器结构差别对应起来，让学生更加深刻的理解锐线光源的原理和意义。

在展示仪器理论基础和结构的内在联系的基础上一些其他的特点也可以构建起来，比如在原子吸收分光光度仪的学习中需要注意的光谱干扰的相关知识等。

结语

思维导图可以很好的将环境分析仪器相关的知识点和内在的逻辑清晰的呈现出来，帮助学生相关知识体系的建立，可以有效的提高环境仪器分析教学效果，让学生通过相关学习，掌握仪器的原理和结构，了解仪器特性，能够根据实际需求判断所需的仪器。因此在环境仪器分析课堂教学过程中充分发挥思维导图的优势，对“教”与“学”的过程都有良好的促进作用。

参考文献：

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作者简介：宫迎增（1987—  ），男，汉族，山东人，博士，讲师，研究方向：环境科学。