在本科理論與實踐課程中引入觀摩實驗的探討

成漢文+唐意紅+羅謹

摘 要 文章簡要介紹了本科生理論與實踐課程中通過觀摩DEMO（演示實驗）引進原子、分子尺寸的概念對于本學生從理論上理解儀器分析中給定物質的大小和原子數的重要意義，結合國際合作課題組在DEMO方面已有的經驗，指出了如何在“中級儀器分析”（雙語授課）課程中幫助學生真正建立明晰的分子、原子概念，從而將理論更好地與實踐相結合。

關鍵詞 理論與實踐 演示實驗 教學改革

中圖分類號：G642 ? 文獻標識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.09.024

Discussion on Introducing Observation Experiment in

Undergraduate Theory and Practice Courses

CHENG Hanwen[1]， TANG Yihong[1]， LUO Jin[2]

（[1] School of Chemical and Environmental Engineering， Shanghai Institute of Technology， Shanghai 201418;

[2] State University of New York at Binghamton （Binghamton）， New York， America 13902）

Abstract This paper introduces the theory and practice of undergraduate courses introduce atomic， molecular size by observation DEMO （Demonstration Experiment） concept for the present students theoretical understanding of instrumental analysis is important given the size of the substance and the atoms， combined with international cooperation project group has experience in DEMO respect， pointing out how to help students in the "intermediate instrumental analysis" （Bilingual teaching） course really establish clear molecules， atoms concept， which will better combine theory and practice.

Key words theory and practice; demonstration experiment; teaching reform

對于本科生來說，理論與實踐的教學課程有很多，而對于許多化學專業的學生而言，儀器分析類課程將理論和實踐很好地結合在了一起。而在這些儀器類課程中所涉及的光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡（TEM）等顯微技術如今在本科生的實驗室中并不陌生。但是仍然有很多學生在學習中接觸到的原子和分子尺度概念時候理解不清晰。

在上述的一系列技術中，盡管實踐用儀器（如TEM）的分辨率高一些，這些技術卻均不能提供原子級的分辨率。自從20世紀80年代早期G. Binnig和H. Rohrer（1986年獲得諾貝爾物理學獎）發明了STM（掃描隧道顯微鏡），研究者們對STM儀器和應用的興趣呈爆炸式增長，并因此在原子/分子水平上開辟了科學和工程的許多新領域。

為什么要讓本科生在本科學習階段就要觀察和了解原子這樣理論而又抽象的概念呢？首先，因為材料中原子或分子的存在是一個重要的化學概念。學生通常對一個已知物質中的原子大小和數目的認知感到困難。光學顯微鏡可以用來檢查物體的細節，但是只有物體的大小大于光的波長才能被觀察到，小到原子級別則無法達到可視化。其次，納米尺度上的原子排列決定了材料的宏觀性能。通常學生難以將相似元素組成的材料宏觀性能與原子級的結構關聯起來。

在分析化學專業的本科生課程設計中，像儀器分析課程這類理論與實踐相結合的課程都是必修課程。隨著各種檢測技術不斷更新，化學/材料類本科生也應該對儀器分析技術的發展趨勢有所了解。自從納米技術的問世，在納米材料表面通過特定的設計實現原子/分子級別特殊排列成為研究者們追求特異納米功能的重要途徑。所以通過儀器分析的檢測手段讓本科生增強他們的原子、分子概念對于培養我們的本科生適應更快的科學發展尤為重要。

在“中級儀器分析”這門課程中有一章節將電化學方法中的理論知識點——庫倫分析法和原子層中原子個數的計算聯系了起來。如，一定的電流和時間將會在1cm2中沉積多少個銅原子？一定個數的銅原子需要多大的電流才能在一定的時間里沉積滿一個單原子層/1cm2？在這一章節的學習中我們發現學生對原子水平的理解甚少，進而對這一量化計算過程感到陌生。考慮到學科發展的需要以及培養學生知識面的完整性，我們決定在“中級儀器分析”這門課程中引進表征原子尺寸的有關手段。然后，盡管在各大高校中STM和AFM等儀器已不罕見，但是此類儀器常常放置在研究中心或重點實驗室供科研、創新項目使用，所以本科教學的實驗中引入這類儀器的教學環節還是有一定的難度。早在2002年，美國紐約州立大學賓漢頓分校分析/材料系就有過報道，關于本科生動手做STM的檢測實驗進而對原子和分子概念有了較深刻、全面的理解，并且該校本科生的這一實驗過程均已錄制存檔。考慮到我們的“中級儀器分析”課程是雙語授課，（下轉第137頁）（上接第50頁）所以我們利用該校的實驗攝像和網絡版動畫作為教學中演示實驗（DEMO）的工具。并且在DEMO觀摩實驗前后，我們對本科生進行了一些有關于原子、分子尺度問題的調查，來評估他們在這樣的教學模式中獲益的程度。在DEMO觀摩實驗過程中，我們給學生進行了詳細的講解，如下：

（1）DEMO（演示實驗）程序。考慮到“中級儀器分析”課程是雙語課，所以我們利用國際合作課題組以本科生的STM動手實驗過程為素材制成的錄像和網絡版動畫作為教學中演示實驗（DEMO）的工具。在理論課程中，詳細講解DEMO的實驗步驟和關鍵性問題。在DEMO演示過程中，使用了STM對具體的樣品（如高度有序的熱解石墨，HOPG）進行了成像。

（2）數據處理和討論的額外方向及注意事項。在DEMO實驗觀摩過程中，學生們記錄的圖像實際原子分辨率各異。但是因為我們的目的是培養學生具備基本的成像概念去觀摩實驗，所以允許這樣的差異存在。

在DEMO實驗觀摩過程中，學生們思考了許多有關于理論方面的原子級概念的引導性問題，讓其在實驗報告中闡述。例題包括：樣品為什么觀察到“六元環中的三個原子”這樣的排列而不是“六元環中的六個原子”排列;怎么計算原子個數/平方厘米或摩爾數/平方厘米形式的表面堆積密度等等。

（3）對學生的評估。在介紹SPM講座和觀摩DEMO實驗之前我們對學習過相關理論課程（儀器分析類）學生進行了內部調查，目的是為了評估DEMO實驗觀摩前后本科學生在學習原子尺度的概念時取得的任何進步。得到的結果是平均分低，驗證了我們的最初估計：學生對原子尺度的概念了解甚少。在最后的測試中，我們設計的問題也涉及到了這些概念。我們發現通過這些練習使得學生們對原子尺度概念的感知有了顯著的改善。以DEMO觀摩實驗的觀察、測試、口頭報告以及分析儀器方法特殊項目和分析化學導論課程的最終報告等作為基礎，對這方面進行了進一步的研究。

總之，我們已經在理論與實踐結合的中級儀器分析雙語課程中引入一種新的DEMO觀摩實驗，使得本科生可以不進入實驗室即可了解到STM。DEMO觀摩實驗強調晶體材料的原子尺度可視化。學生們從觀摩實驗中掌握了原子尺度的概念將會對他們進一步的探究性學習和實驗活動有益。我們鼓勵其他人也考慮將本觀摩實驗引進本科的理論與實踐教學中來。

本文是上海應用技術學院引進人才基金項目（No：1012 0K156009-YJ2015-9）、2015年“上海高校青年教師培養資助計劃”（No：1021ZK151009005-ZZyy15099）研究成果

參考文獻

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