大学化学, 2018, 33(1): 35-39 doi: 10.3866/PKU.DXHX201707028

教学研究与改革

分析仪器标本实物学习平台构建及教学实践探索——以分光光度计为例

杨文玉, 岳宣峰, 刘成辉, 段新瑞, 漆红兰, 张成孝, 吕家根,

Construction of Analytical Instrument Specimen Based Learning Platform and Teaching Practice: Exampled by Spectrophotometers

YANG Wenyu, YUE Xuanfeng, LIU Chenghui, DUAN Xinrui, QI Honglan, ZHANG Chengxiao, LÜ Jiagen,

通讯作者: 吕家根, Email: lvjiagen@snnu.edu.cn

收稿日期: 2017-07-24   接受日期: 2017-09-21  

基金资助: 2013、2015陕西师范大学教改项目
2017陕西师范大学名师工作室项目

Received: 2017-07-24   Accepted: 2017-09-21  

Fund supported: 2013、2015陕西师范大学教改项目
2017陕西师范大学名师工作室项目

摘要

针对本科生在分析仪器学习中存在的困难,探索构建分析仪器实物学习平台,将抽象的仪器原理和功能学习实物化、具体化;以学习者为主体制作仪器标本和多媒体自学课件,激活了学生自身的学习、创新能力;经过4年的教学实践,说明新模式提高了学习效率和教学效果。

关键词: 分析仪器 ; 标本 ; 多媒体 ; 教学实践

Abstract

Aiming at the difficulty in comprehension of analytical instruments for undergraduate students, we explored a new learning platform with the use of real instruments which convers the abstract principle and function of instruments into directly perceivable. Our strategy of learner leaded preparation of analytical instrument specimen and multimedia activates students' innate capability in study and innovation. After four years of teaching practice, it was demonstrated that our new mode improved the students' learning efficiency as well as the teaching effect.

Keywords: Analytical instrument ; Specimen ; Multimedia ; Teaching practice

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本文引用格式

杨文玉, 岳宣峰, 刘成辉, 段新瑞, 漆红兰, 张成孝, 吕家根. 分析仪器标本实物学习平台构建及教学实践探索——以分光光度计为例. 大学化学[J], 2018, 33(1): 35-39 doi:10.3866/PKU.DXHX201707028

YANG Wenyu, YUE Xuanfeng, LIU Chenghui, DUAN Xinrui, QI Honglan, ZHANG Chengxiao, LÜ Jiagen. Construction of Analytical Instrument Specimen Based Learning Platform and Teaching Practice: Exampled by Spectrophotometers. University Chemistry[J], 2018, 33(1): 35-39 doi:10.3866/PKU.DXHX201707028

具有创新理念和扎实专业知识的人才培养,是建设创新型国家的基础。探索创新的教学方法、教学平台和课程内容,激发学生的创新潜质,提高教学质量和教学效率,是实现人才培养的核心途径。分析仪器是“科学技术之眼”,对分析仪器的操控能力、研发水平也是国家基础科技实力和创新能力的体现。有关分析仪器的课程学习,涵盖了化学、化工、制药、材料、农学、食品学、医学检验、环境科学、地质勘探等诸多专业[1-4]。对这些专业的本科毕业生而言,掌握扎实的分析仪器及其核心部件原理,具备熟练的仪器操作技能,具有拓展分析仪器应用潜质的能力,往往是他们深造、竞争就业和获得优先发展机会的关键要素。

在教学实践中,对分析仪器的学习主要通过仪器分析课程或相似课程来实现。一方面,随着微电子、计算机、加工技术的发展以及日益增长的各种需求,基于各种新原理、新器件,具有新功能的分析仪器不断涌现,使得仪器换代频率越来越高,仪器分析课程内容处于不断“生长”之中。另一方面,高度集成化的现代仪器,造成了学生在仪器原理和器件功能理解上更多的困惑和学习障碍。探索创新的分析仪器教学方法、教学内容和教学模式势在必行。据此,我们提出如下研究理念:根据从感性到理性的认知规律,构建分析仪器实物学习平台,将学生对分析仪器的抽象认识具体化、实物化;激活学生自身的学习、创新能力,探索学习者为主体的分析仪器实物教学和学习模式。

1 仪器分析教学存在的困惑和教学改革实践动机

在所有的分析仪器学习课程中,有关仪器原理和功能等核心内容,涉及到物理学、信息学、微电子技术和系统制造等诸多学科的基础知识,具有基础知识覆盖面广、学科交叉点多的特点。当前的分析仪器教学,主要依赖于教师在课堂上结合课本内容和课件图片的讲解,让学生形成对仪器形状、内部部件和结构的初步印象。利用演示性的仿真动画,可以在视觉感受上为学生进行比较逼真的仪器原理和器件展示,有利于缓解学生在理解上的困难。但对许多学生而言,将这些图片和动画展示与真实的仪器联系起来,仍缺乏直观性。仪器分析实验课程为学生提供了接触、操作仪器的机会,但学生所能看到的仪器,不过是有各种不同外型的壳状装置。受传统仪器管理、维护模式的制约,这些分析仪器理所当然地由专业人员来管理和保护,任何对仪器的拆卸都被限定为管理人员在必要时的特定行为。分析仪器实验教学内容基本停留在电脑程序操作、数据记录和实验需要的试剂、样品配制水平上。其结果是,学生对分析仪器的内部结构、核心部件的特征和功能,元件功能原理,甚至仪器内部元件的外观和尺寸等的认识,主要处于自我想象的状态。例如,在课堂教学环节,光学仪器的光路图中显示有光准直元件,学生会自动地将其想象为自己熟悉的透镜。而在真实的仪器中,因集成化的需要,光路上大量使用凹面反射镜。更进一步,由于单色器、检测器等光学部件有避光要求,一般被置于密闭的暗盒中,即使打开仪器外壳也看不到光栅、光电管等实物元件。上述原因造成学生在分析仪器学习中往往会感觉抽象和晦涩,容易导致他们对课程学习热情减弱,甚至产生消极、抵触的情绪。这种现状,与培养具有高水平仪器使用能力乃至仪器研发能力的人才培养目标相去甚远。

显然,如果能够像展示动物解剖标本那样,解剖分析仪器,展示其内部结构、部件组成、功能实现、信号检测和采集等各种要素,应能有效地提高分析仪器课程的教学效果,加速学生对科学仪器的理解和掌握。在教师的指导下,将仪器解剖、标本制作、知识点布局、自学多媒体平台构建全部交由学生来主导完成,应能最大限度地吻合学生切身的需求,凸显学习者在学习过程中的主导地位,从而激发学生创新意识和提高动手能力。

2 分析仪器的更新、换代使解剖仪器和标本制作成为可能

近20年来,随着高校科研和教学投入力度不断加强,高校的教学、科研硬件条件得到了显著改善,分析仪器的更新周期大大缩短。这些被更新、淘汰的分析仪器,为我们实践仪器解剖、仪器标本制作提供了物质基础。事实上,不少因高频率使用而淘汰的分析仪器仍属于较新机型,其外形、内部结构、主要部件、核心元件、关键功能等方面与主流仪器完全相同或相似。一些在分析仪器教学中必讲的原型机,也只能在淘汰设备中找到实物或部件。对此类仪器,如再不加以保护,有可能真的成为历史。以上这些淘汰仪器不仅有切实的利用价值,甚至有可能成为宝贵的实物资料。将这些既往走报废渠道处理的仪器加以利用,既能满足学生的学习诉求,也高度吻合了节能环保、资源综合利用的理念。以本文列举的分光光度计为例,通过在教师实验室征集获得724型光度计2台;借助学院教学实验室更新,获得UV-1901光度计2台;而721光度计的获得则困难得多,经过多方寻找和将残缺设备拼凑才得到2台。在采集后,首先对这些光度计进行功能恢复,即在不要求原有的分析指标前提下,通过拼装、更换损坏元件的方式,保证仪器能启动、能检测,所有部件均保有其基础功能。

3 721、724、UV-1901分光光度计解剖、标本制作和多媒体自学课件制作

仪器解剖、标本制作以及多媒体自学课件制作的主体为大四本科生,这些临近毕业的学生已经有了较为完整、系统的专业知识,且在一年前刚刚经历了分析仪器课程学习。载体主要依托本科生毕业设计或各类大学生创新研究项目。自2013至2016年,先后有三批共5名本科生参与了721、724、UV-1901分光光度计解剖、标本制作和多媒体制作的工作。2013年上半年,首先由2名大四本科生在其同级同学和大三学生中开展征集意见,筛查他们在分光光度计仪器学习中曾经存在的疑惑点和难点。随后,由该2名学生通过阅读多本仪器分析教材[1-6],检索、采集网络资源,向校内外仪器管理人员以及仪器厂家索取仪器说明书等方式,搜集整理仪器原理图、电路图、使用说明书和器件参数。在以上工作基础上,设计划分仪器功能展示模块,初步设定仪器解剖程度和标本展示形式。期间,邀请大四、大三学生现场体验仪器标本学习,征求建议、发现问题;根据体验者提出的问题和建议进行反复调整和修改。随后,通过拍摄关键元件照片、关键功能展示视频等方式,制作多媒体自学课件。在以上过程中,教师负责采集必须的分光光度计仪器,对损坏仪器做必要的功能恢复,提供所需的资金、工具、计算机和工作场地,帮助学生搜集资料,联络专业人员讲解仪器电路和元件原理。在仪器解剖、标本制作和多媒体制作中出现争论和问题时,指导教师主要负责对有科学性错误的问题进行纠正;对其他争论和问题主要负责组织讨论或出面邀请专业教师给予讲解,而将具体解决方案交由学生自己做出决定并付诸实践。例如在721分光光度计的解剖、制作过程中,首要呈现的是仪器整体布局和主要功能模块(图1),这样能够最大限度地展示仪器总体结构,便于理解各个功能模块之间的联系。但光源、单色器、检测器的元件均被置于暗盒内,参与学习体验的本科生提出希望看到其中的元件实物,最好是能直接触摸到所有元件,看到它们的功能演示,这样最有利于理解它们是如何实现部件功能的。经教师组织讨论后,负责仪器标本制作的2位学生决定对以上模块进一步解剖。考虑到保留对仪器整体功能的展示,他们提出需要另一台同款的721分光光度计。根据学生要求,指导教师再次采集了一台器件完整的721分光光度计。如图2所示,在拆解单色器上盖后,可见其色散元件为反射棱镜,当旋动波长选择旋钮时,凸轮带动传动杆改变棱镜的角度,使不同波长的单色光顺序通过出射狭缝(图3图4)。通过这一原理的演示,学习者可直观地使用LED光源为入射光源,肉眼观察到棱镜分光效果,理解单色器工作原理。此外,通过观察不规则凸轮,也能够让学生更好地理解、记忆棱镜色散力随波长不同而不同,即棱镜色散的“非匀排性”。结合图1,学生能够直观地理解来自卤钨灯光源的复合光经过何种光路进入单色器,狭缝如何调节光通量,为何调节波长选择旋钮即可使不同波长的单色光照射样品池。

图1

图1   721光度计俯视结构和部分功能模块


图2

图2   单色器暗盒内部结构和功能元件


图3

图3   色散棱镜


图4

图4   单色器暗盒狭缝端


724、UV-1901分光光度计的解剖、标本制作,遵循与721分光光度计相同的程序和思路。针对724分光光度计,重点展示内容包括:通过两块光源滤光片切换,分别实现光源在紫外和可见波段的转换;使用凹面反射光栅为色散元件,实现较棱镜更高效率的分光效果;信号读出、指示系统改进为数码显示,较721光度计的微安表指示更为直观和准确;将724光路、波长选择和调节系统与721进行比较,观察它们的不同。UV-1901分光光度计属主流机型,在前两款光度计标本的基础上,重点展示内容包括:观察双光束元件,理解如何得到双光束、双光束检测和参比背景扣除是如何实现的;将光电倍增管检测器与721、724两种机型的硒光电池或光电管检测器比较,重温光电倍增管信号放大原理,理解为何UV-1901具有更高的检测灵敏度;比较UV-1901与724两种机型的光栅尺寸,回顾闪耀光栅分光原理,理解为何UV-1901具有更强的波长分辨能力。对比三代仪器在光路上的演变,理解为实现更强大的仪器功能,需要对仪器结构布局做哪些改变。同时强调展示三代机型具有的共性之处,比如,光闸系统自721始,几乎没有发生过改变。

在制作分光光度计仪器标本时,同步开展多媒体自学课件的制作。多媒体课件主要从仪器原理、功能模块及功能部件、核心元件、光路系统、部件或元件功能演示、仪器整体功能实现等方面提供详细说明。具体展示要点、照片说明、视频演示等在前期意见采集基础上形成初稿,随后根据参与学习体验本科生的反馈、建议,配套标本制作进行反复修改。多媒体中的配乐、讲解、动画和视频切换等,均由学生独立完成。在这一过程中,学生需要自行寻找和学习所需要的软件,很好地锻炼了学生制作多媒体课件的能力。更为重要的是,让学生站在讲解者的位置上,思考、实践如何才能以最佳的方式实现所期望的教学效果,这一点对师范生来讲尤为重要。

4 分析仪器实物平台教学实践

在构建以上分析仪器标本的基础上,进行了教改实践探索。首先面临的问题是,在何时、何地、以何种形式开展教学活动。单独开课或者作为实验课程内容,都面临更改培养计划增加课时的问题;而为了获得理想的教学效果,又期望教学活动能够与仪器分析课程同步进行。我们的解决方案是,从仪器分析实验课教室中,单独设立一间仪器标本学习室;在仪器分析课程授课期间,每周开放5天;在课堂上向学生通告标本室开放的信息,鼓励学生随课程进度自行前往学习。在标本室自学环节中,要求学生动手拆解部件、观察元件、尝试元件功能并进行元件组装。在实验课开课前,组织授课教师集中学习仪器标本。在讲授相关仪器分析实验内容时,以仪器标本为实物教具现场讲解仪器原理和主要功能模块,要求学生在实验课后,自行前往标本学习室,依托多媒体课件对仪器部件、元件原理和功能进行自学。对学生提出的问题,由实验课授课教师给予解答。通过授课教师搜集和设置意见簿的方式,对学生提出有共性的意见和建议,在次年对仪器标本和多媒体课件进行新一轮的修改和调整。而此时的修改者,恰好是上一年度的学习者和建议者。目前,分光光度计仪器标本和多媒体课件已经过了两次修改。由于在各个环节中贯穿了“学习者为主体”这一理念,学生有很强的代入感和参与感。学生普遍反映,对分析仪器的抽象感、神秘感,以及课堂上的无助感得到了极大的缓解,激发了他们的想象力,提高了学习兴趣。例如,通过在每个版本的多媒体课件中标示制作者姓名、年级的方式,让参与学习的学生产生“学长能够做到自己也能够做到”的自觉和自信。标本室专门购置了发光二极管、光敏二极管和万用表,供有兴趣的学生搭建简易的光度计;通过自己动手,使用价格低廉的器件即可对有色溶液做出定量检测,对学生是一种很大的鼓舞。对教师而言,由于在以上教改活动中设置了大量的师生互动环节,使教师对学生的需求、存在的学习难点和知识盲点有了更为清楚的认识。每次教学活动都相当于一次详细的学生调研,教师能够有针对性地调整课堂教学内容和讲授重点,实现真正的良性互动。

在2013-2016年的4年教学实践中,前往仪器标本室自主学习的本科生超过2000人次。在此期间,仪器标本室还吸引了部分硕士研究生和外学院、外校本科生。作为开放平台,标本室还多次向“科技之春”“科技夏令营”等社会科技活动开放。期间,先后有十多个院校的专业教师来仪器标本学习室考察、交流。所创新的分析仪器实物学习平台和学习者为主体的仪器标本、多媒体课件及教学模式,得到学生的普遍认同,收到了良好的教学效果;所开设的仪器标本学习室有成为开放型科学仪器学习平台的潜质。

参考文献

Christian, G. D. Analytical Chemistry, 6th ed.; John Wiley and Sons Inc.:New Jersey, USA, 2003.

[本文引用: 2]

华中师范大学; 东北师范大学; 陕西师范大学; 北京师范大学; 西南大学. 分析化学(下册), 第4版 北京: 高等教育出版社, 2011.

仪器分析教程.第2版.北京:北京大学出版社, 2007.

方惠群; 于俊生; 史坚. 仪器分析, 北京: 科学出版社, 2002.

[本文引用: 1]

张寒琦. 仪器分析, 北京: 高等教育出版社, 2013.

武汉大学. 分析化学(下册), 第5版 北京: 高等教育出版社, 2008(重印).

[本文引用: 1]

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