問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在“儀器分析”課程教學(xué)中的應(yīng)用

夏莉++雷存喜++聶偉安

【摘要】“儀器分析”是相關(guān)專業(yè)一門兼具理論性和實(shí)用性的核心專業(yè)課。通過采用問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，以一些生活問題和科研問題為起點(diǎn)，引出教學(xué)內(nèi)容并指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提升學(xué)生在教學(xué)過程中的參與程度，實(shí)際應(yīng)用效果表明，問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的引入有助于提高“儀器分析”課程的教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法 ?儀器分析 ?教學(xué)改革

【中圖分類號(hào)】G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? ?【文章編號(hào)】2095-3089（2016）11-0131-02

一、引言

“儀器分析”是分析化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、環(huán)境工程等化學(xué)類專業(yè)的核心專業(yè)課程之一，該課程的主要任務(wù)是依據(jù)物質(zhì)的物理及化學(xué)性質(zhì)，采用比較復(fù)雜和特殊的儀器設(shè)備獲取分析數(shù)據(jù)，鑒定物質(zhì)的化學(xué)組成、測(cè)定有關(guān)成分的含量。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握常用儀器分析方法和設(shè)備，并初步具有運(yùn)用所學(xué)方法和工具解決相應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際和科學(xué)研究問題的能力[1]。“儀器分析”課程的教學(xué)內(nèi)容包括光譜分析法中的原子吸收光譜法、紫外可見分光光度法、紅外吸收光譜法、核磁共振光譜法和質(zhì)譜法，色譜分析法中的高效液相色譜法和氣相色譜法，電化學(xué)分析中的電位分析法等。該課程的理論性與實(shí)踐性均較強(qiáng)，一方面學(xué)生需要掌握常用分析儀器的基本原理和構(gòu)造，另一方面還需要熟悉常用儀器的操作和使用。為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，很多教師在“儀器分析”課程的教學(xué)與改革中開展了一系列研究和探索工作[2-4]。

問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法（Problem-Based Learning， PBL）由前蘇聯(lián)教育家馬赫穆托夫等人提出，是一種以學(xué)生為主體，以實(shí)際生活及專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的各種問題作為學(xué)習(xí)起點(diǎn)，以問題為中心規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生圍繞問題探求相應(yīng)的解決方案的一種學(xué)習(xí)方法[5]。教師在整個(gè)過程中扮演問題的提出者、問題解決思路的設(shè)計(jì)者以及結(jié)果的評(píng)估者。

在“儀器分析”教學(xué)過程中，通過采用問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，以現(xiàn)實(shí)生活以及科學(xué)研究中面臨的一些具體問題作為出發(fā)點(diǎn)，讓學(xué)生圍繞問題探尋解決方案，進(jìn)而引出對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，以問題為中心講解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生在教學(xué)過程中的參與度。

二、問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的應(yīng)用

在“儀器分析”課程的教學(xué)實(shí)踐中，通過引入問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，采用提出問題、分析問題、解決問題、結(jié)果評(píng)價(jià)的教學(xué)流程，精心設(shè)計(jì)導(dǎo)入教學(xué)內(nèi)容的問題。以問題作為出發(fā)點(diǎn)，引出教學(xué)內(nèi)容，再詳細(xì)講解相關(guān)知識(shí)，最后回到問題本身，用所學(xué)知識(shí)解決問題，做到前后呼應(yīng)，學(xué)以致用。在問題設(shè)計(jì)的過程中，遵循目標(biāo)明確、難度適中、由淺入深、面向全體學(xué)生的基本原則，激發(fā)學(xué)生的求知欲，讓學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)過程，真正做到教學(xué)相長(zhǎng)。在教學(xué)中，根據(jù)“儀器分析”課程的特點(diǎn)，將問題分為生活實(shí)際問題和科學(xué)研究問題兩大類，不同類型的教學(xué)內(nèi)容圍繞不同的問題開展教學(xué)活動(dòng)。

1.以生活問題引出教學(xué)內(nèi)容

“儀器分析”課程的教學(xué)內(nèi)容涉及到不少與人們生活息息相關(guān)的問題，包括夏日防曬、食品安全等，還有一些問題是一些生活常識(shí)問題，例如顏色的產(chǎn)生等。下面以兩個(gè)實(shí)例來說明在“儀器分析”教學(xué)中如何通過生活實(shí)際問題開展教學(xué)活動(dòng)。

（1）顏色的奧秘——物質(zhì)的分子吸收光譜

問題一：大千世界五彩繽紛，為什么不同的物質(zhì)會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色？

學(xué)生首先針對(duì)該問題開展討論，對(duì)學(xué)生討論的結(jié)果進(jìn)行分析，引出物質(zhì)與光的相互作用，包括光的反射和光的吸收。不透明的物體的顏色是由它反射的色光所決定的，而透明物體的顏色是由它吸收的色光所決定的。以高錳酸鉀溶液為例，探尋高錳酸鉀溶液呈現(xiàn)紫紅色的原因，引出物質(zhì)分子對(duì)光的吸收。

問題二：為什么高錳酸鉀溶液是紫紅色？

高錳酸鉀溶液呈紫紅色，因?yàn)樗站G光，而硫酸銅溶液呈藍(lán)色，因?yàn)樗拯S色光，并得出一個(gè)結(jié)論，物質(zhì)的顏色是它所吸收光的互補(bǔ)色。

問題三：透明物體呈現(xiàn)顏色的基本原理是什么？

以物質(zhì)顏色這一問題為入口，進(jìn)一步從分子層面對(duì)透明物體顏色產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，由于分子的結(jié)構(gòu)和電子排布方式的不同，導(dǎo)致分子發(fā)生躍遷時(shí)所需的能量不同，因此分子所吸收的光的波長(zhǎng)不同，不同的物質(zhì)即呈現(xiàn)不同的顏色。在問題分析過程中，從分子的能級(jí)、分子能級(jí)的躍遷等方面詳細(xì)講解物質(zhì)分子對(duì)光的吸收，闡述分子吸收光譜的基本原理，再由可見光的吸收擴(kuò)展到紫外吸收光譜，并介紹紫外及可見光分光光度計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)。

（2）防曬霜與物質(zhì)的紫外吸收

問題一：炎炎夏日，烈日當(dāng)頭，大家如何防曬？

學(xué)生先針對(duì)防曬方法開展討論，然后分析匯總結(jié)果。所得結(jié)論，防曬的原理主要有兩類：一是利用傘或防曬霜中的紫外線屏蔽劑反射紫外線，屬于物理防曬;二是利用防曬霜中某些物質(zhì)（紫外吸收劑）對(duì)紫外線的吸收，而避免紫外線對(duì)皮膚的傷害，屬于化學(xué)防曬。

問題二：紫外線吸收劑為什么會(huì)吸收紫外線？

在教學(xué)中，可以先復(fù)習(xí)物質(zhì)吸收光的本質(zhì)，大多數(shù)狀態(tài)下，物質(zhì)分子處于能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)（基態(tài)），分子吸收能量時(shí)，可以從基態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。當(dāng)某波長(zhǎng)的光照過來，如果此光所帶的能量恰好等于分子某兩個(gè)能級(jí)之間的能量差時(shí)，物質(zhì)分子就能吸收此波長(zhǎng)的光，從某一低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。通過計(jì)算，紫外光能引起物質(zhì)分子發(fā)生價(jià)電子的躍遷。紫外線吸收劑是一種光穩(wěn)定劑，能吸收陽光及熒光光源中的紫外線部分波長(zhǎng)的光（波長(zhǎng)為200-400nm），而本身又不發(fā)生變化。

問題三：是不是所有發(fā)生價(jià)電子的躍遷的分子都可以吸收紫外線呢？什么樣物質(zhì)才能充當(dāng)紫外線吸收劑？

從有機(jī)分子價(jià)電子躍遷的形式開始分析，復(fù)習(xí)價(jià)電子的類型以及價(jià)電子的躍遷的兩種類型，根據(jù)不同價(jià)電子躍遷所需能量可得到結(jié)論：只有π→π*和n→π*兩種躍遷類型在紫外光區(qū)內(nèi)，吸收紫外光的物質(zhì)必須具有π電子。因此，并不是所有物質(zhì)都有紫外吸收，只有分子中有不飽和鍵即π電子的物質(zhì)具有紫外吸收。例如不飽和烴及芳香烴以及它們的衍生物。我國(guó)《化妝品衛(wèi)生規(guī)范》規(guī)定防曬化妝品中可以使用24種紫外線吸收劑，例如水楊酸酯類、苯酮類、苯并三唑類、取代丙烯腈類、三嗪類等都具有不飽和鍵和雜原子。

2.以科研問題引出教學(xué)內(nèi)容

很多分析方法和分析儀器都誕生于科研活動(dòng)，因此，在“儀器分析”的教學(xué)過程中，合理通過一些科研問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)工作的開展有助于學(xué)生深入理解相應(yīng)分析方法和分析儀器的原理和應(yīng)用。下面同樣以兩個(gè)實(shí)例進(jìn)行說明。

（1） 色素引發(fā)的革命——液相色譜分離原理

問題一：為什么同一片樹葉在不同的季節(jié)會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色？

通過該問題引出俄國(guó)植物學(xué)家茨維特（M.Tswett）在1906年做的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，將植物葉子中提取出的色素混合物通過裝填有吸附劑碳酸鈣的柱子，然后在柱子上端源源不斷的加石油醚沖洗，逐步看到色帶展開，出現(xiàn)不同顏色，最后各色素以不同的速率流動(dòng)后形成不同的色帶而被分開。通過這一問題學(xué)生了解色譜分離法的誕生和得名，進(jìn)一步解釋色譜中的固定相和流動(dòng)相的概念以及色譜的分離原理。

問題二：為什么不同的色素會(huì)被分開？

在教學(xué)中，學(xué)生先自主思考該問題，再解釋色素的分離原理。在柱內(nèi)填充CaCO3，其吸附作用使色素在柱中停滯下來，稱之為吸附能力;同時(shí)，由于被石油醚流動(dòng)并溶解，使色素向下移動(dòng)，稱之為溶解能力。由于不同的色素結(jié)構(gòu)不同，它們的吸附能力和溶解能力也不相同，因此色素在柱中流動(dòng)的速度不同，最后吸附能力弱的組分先流出，吸附能力強(qiáng)的組分后流出。通過該問題對(duì)色譜的分離原理進(jìn)行深入的講解，其基本流程為：由于結(jié)構(gòu)性質(zhì)差異，導(dǎo)致作用力大小不同，進(jìn)而通過色譜柱所需時(shí)間不同，最終實(shí)現(xiàn)色譜分離。

（2）中藥的“親子鑒定”——中藥指紋圖譜技術(shù)

問題一：如何評(píng)價(jià)中藥質(zhì)量的好壞？

通過幾則假冒偽劣中藥的新聞提出問題，思考能不能利用所學(xué)的色譜知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)鑒定中藥材質(zhì)量?jī)?yōu)劣的方案，進(jìn)而引出中藥指紋圖譜技術(shù)，即中藥化學(xué)成分色譜指紋圖譜。該技術(shù)借助高效液相色譜技術(shù)，將復(fù)雜的化學(xué)成分進(jìn)行分離而形成高低不同的峰，這些峰組成一張色譜圖，可利用這些色譜峰的高度和峰面積對(duì)組分進(jìn)行定性和定量分析。中藥指紋圖譜技術(shù)是高效液相色譜法的重要應(yīng)用之一，該技術(shù)的引入使整體性控制中藥質(zhì)量的方法學(xué)和實(shí)際

問題二：樣品的指紋圖譜跟誰對(duì)比？

基于問題一的分析，馬上引出另一個(gè)問題，跟誰比？以該問題為入口向?qū)W生介紹標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的建立流程，包括樣品的收集、色譜方法的建立、對(duì)照指紋圖譜的產(chǎn)生和指紋圖譜的評(píng)價(jià)，通過這些步驟，可以得到中藥材的標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜，然后用某樣品跟其進(jìn)行相似度評(píng)價(jià)，可以借助計(jì)算機(jī)軟件“中藥指紋圖譜計(jì)算機(jī)輔助相似度評(píng)價(jià)軟件”進(jìn)行相似度計(jì)算和比較，一般情況下相似度在0.9-1.0之間即認(rèn)為符合要求。通過詳細(xì)的分析和講解，回答了對(duì)應(yīng)的問題，學(xué)生在探尋問題答案的過程中也學(xué)到了相應(yīng)的知識(shí)，掌握如何使用中藥指紋圖譜技術(shù)鑒定中醫(yī)藥的質(zhì)量好壞。

三、結(jié)語

“儀器分析”是一門理論性和應(yīng)用型都很強(qiáng)的專業(yè)核心課，通過引入問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，以一系列逐步深入的生活實(shí)際問題和科學(xué)研究問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)，可以極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生積極思考、主動(dòng)學(xué)習(xí)，更好地理解和掌握所學(xué)知識(shí)。

教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法讓學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)過程，有助于學(xué)生理解和掌握“儀器分析”課程的核心內(nèi)容，能夠有效改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

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