基于分光光度計(jì)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)橫向知識(shí)教學(xué)

吳俊 吳平

摘 要 大學(xué)化學(xué)類學(xué)生經(jīng)常使用分光光度計(jì)進(jìn)行各種化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)。教師開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)，也須加強(qiáng)儀器的物理原理和電子信息技術(shù)的橫向知識(shí)教學(xué)。通過連接電腦等一些外圍舉措，使儀器達(dá)到智能化和網(wǎng)絡(luò)信息化的改造。同時(shí)激發(fā)學(xué)生的積極性、創(chuàng)造性，有效增強(qiáng)學(xué)生對(duì)關(guān)聯(lián)知識(shí)的學(xué)習(xí)和思考。當(dāng)今迅猛發(fā)展的分光光度計(jì)融合了先進(jìn)的光電技術(shù)、微電子技術(shù)及微機(jī)軟硬件技術(shù)，極大地拓寬了學(xué)生的橫向知識(shí)視野。

關(guān)鍵詞 分光光度計(jì)；橫向知識(shí)教學(xué)；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；儀器

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）22-0114-03

Abstract The college students of chemistry major often use spectro-photometer to do all kinds of chemical analysis experiments. Tea-chers may not only teach the knowledge of the experiment itself， but also strengthen the interdisciplinary knowledge of the physical， elec-tronic and informational principles of the equipment. By connecting to computer， the equipment could be modified to intelligent and net-work informational level. Meanwhile the process also inspires stu-dents enthusiasm and creativity and enhances students study and think of relative knowledge. Today rapid development of spectro-photometer combined with advanced optical， micro electronical and computer hardware-and-software technology will greatly broaden studentsfield of vision.

Key words spectrophotometer； teaching of interdisciplinary know-ledge； chemical experiment； instrument

1 前言

化學(xué)類學(xué)科（包括農(nóng)業(yè)、環(huán)保、材料、食品等專業(yè)）的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，普遍使用分光光度計(jì)進(jìn)行各種化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)。長(zhǎng)期以來，在儀器使用中，學(xué)生只是片面地完成規(guī)定的步驟，較多思考本專業(yè)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，非常機(jī)械地去操作儀器，重復(fù)必要的執(zhí)行動(dòng)作，單方面獲取化學(xué)知識(shí)，往往忽略了工具使用的原理，忽視了儀器的物理方法及電子結(jié)構(gòu)，忽視了相關(guān)儀器的智能化應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)信息化發(fā)展。總之，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，錯(cuò)失了橫向知識(shí)升華提高的機(jī)會(huì)。

分光光度計(jì)是很普通的專用光學(xué)儀器，但對(duì)它結(jié)構(gòu)的深刻理解，是有助于加強(qiáng)學(xué)生化學(xué)測(cè)試技能的。儀器原理是依據(jù)單色光對(duì)溶液待測(cè)組分濃度產(chǎn)生不同的吸收現(xiàn)象，從而進(jìn)行光強(qiáng)吸收變化的光電檢測(cè)，依靠朗伯—比耳光吸收定律來定量計(jì)算化學(xué)溶液組分濃度。儀器顯然是面向化學(xué)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)工具。另外，從知識(shí)層面來分析，該儀器的橫向跨度較大，涉及很多學(xué)科知識(shí)。它涉及物理學(xué)的光柵衍射的分光原理、光電池的光電轉(zhuǎn)換的弱電流信號(hào)生成原理、電子學(xué)的弱電流的直流放大原理、模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字電路原理，甚至涉及數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的數(shù)據(jù)回歸運(yùn)算，等等。

因此，面對(duì)大學(xué)化學(xué)專業(yè)學(xué)生，除了要開展必要的化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)課外，還應(yīng)該輔助性地進(jìn)行橫向知識(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理及它在人工智能網(wǎng)絡(luò)信息化方面的發(fā)展，有必要進(jìn)行知識(shí)融合交叉的講述。通過多年的教學(xué)實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生對(duì)這種物理和化學(xué)知識(shí)的復(fù)合講解很感興趣，這種橫向的教學(xué)很好地激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)積極性。

2 引入實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改造機(jī)制

我國(guó)高校的大部分實(shí)驗(yàn)室中，配備的教學(xué)分光光度計(jì)都是普通級(jí)別的儀器，非智能化的。在使用這種儀器時(shí)，可以讓學(xué)生從儀器的各方面來進(jìn)行改革，從而獲得知識(shí)水平的提高；也可以通過整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，盡力發(fā)揮學(xué)生的科學(xué)思維及創(chuàng)新能力。但如何改進(jìn)舊設(shè)備？如何創(chuàng)造一種新方法來訓(xùn)練學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)和科研能力？如進(jìn)行啟發(fā)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)嘗試，師生共同設(shè)計(jì)研究一種特殊微量比色皿，就可安裝在原儀器中進(jìn)行專門的微量吸收光度測(cè)量。學(xué)生通過這樣的微小技術(shù)改動(dòng)，可引發(fā)化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的大變化。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)中，化學(xué)試劑只需添加幾滴，就可以完成微量顯色化學(xué)反應(yīng)，即可達(dá)到同樣的實(shí)驗(yàn)效果，從而節(jié)省了昂貴的化學(xué)試劑。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)改革中開動(dòng)腦筋，過去是按部就班地完成實(shí)驗(yàn)，大多敷衍了事，毫無創(chuàng)造思維；現(xiàn)在通過改造儀器，活躍了思想，提高了學(xué)習(xí)積極性。

另外，操作分光光度計(jì)測(cè)試的化學(xué)數(shù)據(jù)必須通過手工計(jì)算來完成統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，學(xué)校的儀器性能并沒有安置智能計(jì)算操作。因此，為了啟發(fā)學(xué)生的鉆研思想，研究專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換串口輸出數(shù)據(jù)的電子接口模塊，讓它將儀器和電腦串行通信口相連接，從而使儀器測(cè)試的數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入電腦，再通過學(xué)生計(jì)算機(jī)的C#語言編程，順利完成測(cè)試數(shù)據(jù)吸光值—濃度最小二乘法的回歸統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，并且還能完成測(cè)定過程的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。

由于在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中將普通分光光度計(jì)進(jìn)行了低成本的智能改造，將儀器做到技術(shù)升級(jí)，因此，整個(gè)過程使化學(xué)類學(xué)生受益匪淺，他們獲取了許多非化學(xué)的知識(shí)本領(lǐng)（電子接口、數(shù)據(jù)通信知識(shí)），極大地激發(fā)了上進(jìn)的學(xué)習(xí)熱情，鞏固了課堂所學(xué)的書本內(nèi)容。這種理論和實(shí)踐相結(jié)合的研究類學(xué)習(xí)，使他們達(dá)到終生難忘的效果。

3 結(jié)合社會(huì)實(shí)踐研制便攜微型比色計(jì)

化學(xué)類學(xué)生在化學(xué)定量分析實(shí)驗(yàn)中，能夠生動(dòng)熟練運(yùn)用分光光度計(jì)，并能全方位理解儀器的工作原理和結(jié)構(gòu)功能；也可以在具體的化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)范例指導(dǎo)下，結(jié)合社會(huì)實(shí)踐，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力。如自來水水質(zhì)的余氯分析，學(xué)生都是在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中采用分光光度計(jì)測(cè)定的，然而實(shí)際情況不允許這樣實(shí)施——面對(duì)城市管網(wǎng)自來水水質(zhì)測(cè)定，必須在城市取樣的龍頭現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定。

以測(cè)定水中余氯為例，水樣中的余氯組分持留水中時(shí)間不長(zhǎng)，若采用人工取樣再返回實(shí)驗(yàn)室的方式，樣品測(cè)定結(jié)果的真實(shí)性會(huì)受到質(zhì)疑。因此，必須研制便攜式微型比色計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量。微型比色計(jì)是基于分光光度計(jì)而進(jìn)行的簡(jiǎn)化制造，采用低成本的單色發(fā)光二極管以及硅光電池，并且利用普通萬用表，即能很快組建簡(jiǎn)單的比色計(jì)[1-2]。

學(xué)生只要?jiǎng)觿?dòng)手，動(dòng)動(dòng)腦，親自實(shí)踐一下，便能尋到自制儀器的無窮樂趣。這樣鮮活的復(fù)合知識(shí)，課堂上往往是體驗(yàn)不到的。

教育部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作 提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》（教高〔2001〕4號(hào)）中指出：“實(shí)踐教學(xué)對(duì)于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力具有特殊作用?！彼?，儀器的改造也是深入的實(shí)踐教學(xué)，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)造性的發(fā)揮是極為有利的。分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理，可啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新聯(lián)想空間。

4 儀器整合信息化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)

化學(xué)類學(xué)生對(duì)現(xiàn)代化教學(xué)信息及通信技術(shù)的認(rèn)識(shí)比較欠缺，不知道如何將化學(xué)知識(shí)和人工智能結(jié)合起來。而分光光度計(jì)的化學(xué)測(cè)量，恰恰給學(xué)生提供了橫向深度學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。分光光度計(jì)可以和計(jì)算機(jī)相連，其化學(xué)定量分析的數(shù)據(jù)也可自動(dòng)輸入電腦進(jìn)行處理?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)制作成本是很低的，如添置價(jià)值100元的GPRS模塊，可引入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)GPRS的遠(yuǎn)程通信技術(shù)，便可實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)距離傳輸[3]。

實(shí)驗(yàn)中，將化學(xué)分析和數(shù)據(jù)通信結(jié)合起來，化學(xué)類學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣會(huì)得到有效提升，讓大家充分認(rèn)識(shí)到當(dāng)代物聯(lián)網(wǎng)中化學(xué)傳感、數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的人工智能熱點(diǎn)。這些交叉學(xué)科的知識(shí)也自然會(huì)給大家展現(xiàn)知識(shí)的想象空間，教學(xué)效果會(huì)得到明顯正確?；瘜W(xué)分析、光學(xué)應(yīng)用、電子測(cè)量、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、數(shù)據(jù)通信、遠(yuǎn)程傳輸?shù)雀咝轮R(shí)，都能在這樣的普通儀器中體現(xiàn)出來，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的橫向復(fù)合知識(shí)技能也可以得到加強(qiáng)。

5 學(xué)習(xí)分光光度計(jì)近年來發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)

分光光度計(jì)是經(jīng)典的物理光學(xué)儀器，其核心部件是平面光柵，基本原理是依據(jù)光柵對(duì)復(fù)合光的衍射原理，可將光解離成不同的單色光光波；利用可轉(zhuǎn)動(dòng)光柵的機(jī)械裝置及機(jī)械狹縫結(jié)構(gòu)，獲取特定波長(zhǎng)的單色光。這種傳統(tǒng)分光儀的技術(shù)路線，分光控制精度較差，而且構(gòu)成的光學(xué)儀器的體積也很龐大，在儀器操作和技術(shù)應(yīng)用方面顯示出許多局限性。比如研究化學(xué)溶液對(duì)紫外及可見光全波段的光吸收狀況，儀器的實(shí)驗(yàn)操作將變得異常困難，不能快速地得到全光波吸收曲線。

近20年來，微電子芯片技術(shù)及微機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了物理集成光學(xué)技術(shù)的前進(jìn)。發(fā)達(dá)國(guó)家研究成功微型多像素光電二極管傳感器芯片，在二維空間（10×10）集成了1024個(gè)陳列光電二極管耦合傳感器，可同時(shí)有效采集許多條不同單色光的強(qiáng)度信息，瞬間提供給計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速數(shù)據(jù)處理。由于改變了光柵轉(zhuǎn)動(dòng)及狹縫控制的機(jī)械技術(shù)結(jié)構(gòu)方式，化學(xué)溶液的全波段光吸收曲線可在幾秒鐘時(shí)間內(nèi)繪制成功，化學(xué)分析的信息功能得到提升。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)Ocean Optics公司首先發(fā)明世界上第一臺(tái)全息微型光譜儀。隨后，德國(guó)MuT公司及中國(guó)復(fù)享公司等緊跟技術(shù)步伐，有效將集成光學(xué)、微電子芯片、微機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等融合在一起，制造的新一代分光光度計(jì)的體積可達(dá)到火柴盒大小。這對(duì)化學(xué)在線自動(dòng)分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急快速分析發(fā)展起到巨大推動(dòng)作用。

蘇州科技大學(xué)開展的“管網(wǎng)飲用水突發(fā)有機(jī)污染分級(jí)預(yù)警傳感遙測(cè)研究”科研項(xiàng)目中，采用全息微型分光光譜儀及光纖技術(shù)，快速進(jìn)行管道自來水及瓶裝飲用水的水質(zhì)純凈度研究。參與研究的學(xué)生紛紛感受到先進(jìn)的分光光度計(jì)許多技術(shù)的啟示，擴(kuò)大了知識(shí)面，提高了實(shí)踐能力。

6 組合多專業(yè)教師協(xié)同進(jìn)行橫向知識(shí)教學(xué)

將實(shí)驗(yàn)儀器作為手段，實(shí)施多學(xué)科復(fù)合知識(shí)的教學(xué)，是教改的創(chuàng)新之路。經(jīng)過多年的實(shí)踐體會(huì)到，學(xué)生在當(dāng)今科技快速發(fā)展的世界中，非?？释佑|各種先進(jìn)技術(shù)和現(xiàn)代知識(shí)。這也激勵(lì)了教師持續(xù)不斷進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新，讓學(xué)生有效地得到復(fù)合知識(shí)的教學(xué)和實(shí)踐訓(xùn)練。

本文以分光光度計(jì)作為解析實(shí)例，實(shí)踐各種知識(shí)橫向交叉的可行性和重要性。然而多學(xué)科復(fù)合技術(shù)及橫向知識(shí)的傳授，教學(xué)難點(diǎn)較多，為了保證教學(xué)質(zhì)量，應(yīng)該有計(jì)劃地組合多專業(yè)教師團(tuán)隊(duì)，需要考慮主專業(yè)和次專業(yè)的知識(shí)融合，需要考慮知識(shí)面深入掌握和一般了解的尺度問題，分清內(nèi)容的主次和教學(xué)的深淺。總之，要以學(xué)生為本，以高質(zhì)量培育人才為方向，改變以往機(jī)械式的單科專業(yè)教學(xué)，讓學(xué)生多方位、多角度地體驗(yàn)到豐富多彩的知識(shí)世界。

7 結(jié)語

分光光度計(jì)是一臺(tái)普通的實(shí)驗(yàn)儀器，但是儀器的結(jié)構(gòu)和使用橫跨多門學(xué)科的豐富知識(shí)。一方面，以此引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入深度的橫向?qū)W習(xí)，可開創(chuàng)一種新的教學(xué)模式與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，激發(fā)學(xué)生的積極性、創(chuàng)造性，有效增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的理解和關(guān)聯(lián)知識(shí)的思考；另一方面，適當(dāng)引入當(dāng)代世界先進(jìn)的分光光度計(jì)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從橫向知識(shí)傳授方面增強(qiáng)當(dāng)前先進(jìn)的集成光學(xué)、光電芯片及微機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)等知識(shí)教學(xué)，可提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，開闊學(xué)生的視野。

參考文獻(xiàn)

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