問題驅動教學法在“儀器分析”課程教學中的應用

夏莉++雷存喜++聶偉安

【摘要】“儀器分析”是相關專業一門兼具理論性和實用性的核心專業課。通過采用問題驅動教學法，以一些生活問題和科研問題為起點，引出教學內容并指導教學設計，提高學生的學習興趣和學習主動性，提升學生在教學過程中的參與程度，實際應用效果表明，問題驅動教學法的引入有助于提高“儀器分析”課程的教學質量，改善教學效果。

【關鍵詞】問題驅動教學法 ?儀器分析 ?教學改革

【中圖分類號】G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標識碼】A ? ? ?【文章編號】2095-3089（2016）11-0131-02

一、引言

“儀器分析”是分析化學、化學工程與工藝、環境工程等化學類專業的核心專業課程之一，該課程的主要任務是依據物質的物理及化學性質，采用比較復雜和特殊的儀器設備獲取分析數據，鑒定物質的化學組成、測定有關成分的含量。通過本課程的學習，學生能夠掌握常用儀器分析方法和設備，并初步具有運用所學方法和工具解決相應生產實際和科學研究問題的能力[1]。“儀器分析”課程的教學內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，電化學分析中的電位分析法等。該課程的理論性與實踐性均較強，一方面學生需要掌握常用分析儀器的基本原理和構造，另一方面還需要熟悉常用儀器的操作和使用。為了達到更好的教學效果，很多教師在“儀器分析”課程的教學與改革中開展了一系列研究和探索工作[2-4]。

問題驅動教學法（Problem-Based Learning， PBL）由前蘇聯教育家馬赫穆托夫等人提出，是一種以學生為主體，以實際生活及專業領域內的各種問題作為學習起點，以問題為中心規劃學習內容，讓學生圍繞問題探求相應的解決方案的一種學習方法[5]。教師在整個過程中扮演問題的提出者、問題解決思路的設計者以及結果的評估者。

在“儀器分析”教學過程中，通過采用問題驅動教學法，以現實生活以及科學研究中面臨的一些具體問題作為出發點，讓學生圍繞問題探尋解決方案，進而引出對應的教學內容，以問題為中心講解相關知識點，充分調動了學生的學習積極性和主動性，提高學生在教學過程中的參與度。

二、問題驅動教學法的應用

在“儀器分析”課程的教學實踐中，通過引入問題驅動教學法，采用提出問題、分析問題、解決問題、結果評價的教學流程，精心設計導入教學內容的問題。以問題作為出發點，引出教學內容，再詳細講解相關知識，最后回到問題本身，用所學知識解決問題，做到前后呼應，學以致用。在問題設計的過程中，遵循目標明確、難度適中、由淺入深、面向全體學生的基本原則，激發學生的求知欲，讓學生主動參與教學過程，真正做到教學相長。在教學中，根據“儀器分析”課程的特點，將問題分為生活實際問題和科學研究問題兩大類，不同類型的教學內容圍繞不同的問題開展教學活動。

1.以生活問題引出教學內容

“儀器分析”課程的教學內容涉及到不少與人們生活息息相關的問題，包括夏日防曬、食品安全等，還有一些問題是一些生活常識問題，例如顏色的產生等。下面以兩個實例來說明在“儀器分析”教學中如何通過生活實際問題開展教學活動。

（1）顏色的奧秘——物質的分子吸收光譜

問題一：大千世界五彩繽紛，為什么不同的物質會呈現不同的顏色？

學生首先針對該問題開展討論，對學生討論的結果進行分析，引出物質與光的相互作用，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紫紅色的原因，引出物質分子對光的吸收。

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，因為它吸收綠光，而硫酸銅溶液呈藍色，因為它吸收黃色光，并得出一個結論，物質的顏色是它所吸收光的互補色。

問題三：透明物體呈現顏色的基本原理是什么？

以物質顏色這一問題為入口，進一步從分子層面對透明物體顏色產生的原因進行分析，由于分子的結構和電子排布方式的不同，導致分子發生躍遷時所需的能量不同，因此分子所吸收的光的波長不同，不同的物質即呈現不同的顏色。在問題分析過程中，從分子的能級、分子能級的躍遷等方面詳細講解物質分子對光的吸收，闡述分子吸收光譜的基本原理，再由可見光的吸收擴展到紫外吸收光譜，并介紹紫外及可見光分光光度計的原理和結構。

（2）防曬霜與物質的紫外吸收

問題一：炎炎夏日，烈日當頭，大家如何防曬？

學生先針對防曬方法開展討論，然后分析匯總結果。所得結論，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（紫外吸收劑）對紫外線的吸收，而避免紫外線對皮膚的傷害，屬于化學防曬。

問題二：紫外線吸收劑為什么會吸收紫外線？

在教學中，可以先復習物質吸收光的本質，大多數狀態下，物質分子處于能量較低的穩定狀態（基態），分子吸收能量時，可以從基態躍遷到能量較高的激發態。當某波長的光照過來，如果此光所帶的能量恰好等于分子某兩個能級之間的能量差時，物質分子就能吸收此波長的光，從某一低能態躍遷到高能態。通過計算，紫外光能引起物質分子發生價電子的躍遷。紫外線吸收劑是一種光穩定劑，能吸收陽光及熒光光源中的紫外線部分波長的光（波長為200-400nm），而本身又不發生變化。

問題三：是不是所有發生價電子的躍遷的分子都可以吸收紫外線呢？什么樣物質才能充當紫外線吸收劑？

從有機分子價電子躍遷的形式開始分析，復習價電子的類型以及價電子的躍遷的兩種類型，根據不同價電子躍遷所需能量可得到結論：只有π→π*和n→π*兩種躍遷類型在紫外光區內，吸收紫外光的物質必須具有π電子。因此，并不是所有物質都有紫外吸收，只有分子中有不飽和鍵即π電子的物質具有紫外吸收。例如不飽和烴及芳香烴以及它們的衍生物。我國《化妝品衛生規范》規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內容

很多分析方法和分析儀器都誕生于科研活動，因此，在“儀器分析”的教學過程中，合理通過一些科研問題驅動教學工作的開展有助于學生深入理解相應分析方法和分析儀器的原理和應用。下面同樣以兩個實例進行說明。

（1） 色素引發的革命——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會呈現不同的顏色？

通過該問題引出俄國植物學家茨維特（M.Tswett）在1906年做的經典實驗，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，出現不同顏色，最后各色素以不同的速率流動后形成不同的色帶而被分開。通過這一問題學生了解色譜分離法的誕生和得名，進一步解釋色譜中的固定相和流動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被分開？

在教學中，學生先自主思考該問題，再解釋色素的分離原理。在柱內填充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，由于被石油醚流動并溶解，使色素向下移動，稱之為溶解能力。由于不同的色素結構不同，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的速度不同，最后吸附能力弱的組分先流出，吸附能力強的組分后流出。通過該問題對色譜的分離原理進行深入的講解，其基本流程為：由于結構性質差異，導致作用力大小不同，進而通過色譜柱所需時間不同，最終實現色譜分離。

（2）中藥的“親子鑒定”——中藥指紋圖譜技術

問題一：如何評價中藥質量的好壞？

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的色譜知識設計一個鑒定中藥材質量優劣的方案，進而引出中藥指紋圖譜技術，即中藥化學成分色譜指紋圖譜。該技術借助高效液相色譜技術，將復雜的化學成分進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組分進行定性和定量分析。中藥指紋圖譜技術是高效液相色譜法的重要應用之一，該技術的引入使整體性控制中藥質量的方法學和實際

問題二：樣品的指紋圖譜跟誰對比？

基于問題一的分析，馬上引出另一個問題，跟誰比？以該問題為入口向學生介紹標準指紋圖譜的建立流程，包括樣品的收集、色譜方法的建立、對照指紋圖譜的產生和指紋圖譜的評價，通過這些步驟，可以得到中藥材的標準指紋圖譜，然后用某樣品跟其進行相似度評價，可以借助計算機軟件“中藥指紋圖譜計算機輔助相似度評價軟件”進行相似度計算和比較，一般情況下相似度在0.9-1.0之間即認為符合要求。通過詳細的分析和講解，回答了對應的問題，學生在探尋問題答案的過程中也學到了相應的知識，掌握如何使用中藥指紋圖譜技術鑒定中醫藥的質量好壞。

三、結語

“儀器分析”是一門理論性和應用型都很強的專業核心課，通過引入問題驅動教學法，以一系列逐步深入的生活實際問題和科學研究問題驅動教學，可以極大提高學生的學習興趣，讓學生積極思考、主動學習，更好地理解和掌握所學知識。

教學實踐結果表明，問題驅動教學法讓學生主動參與教學過程，有助于學生理解和掌握“儀器分析”課程的核心內容，能夠有效改進教學質量和教學效果。

參考文獻

[1] 朱明華，胡坪. 儀器分析（第4版）[M]. 北京： 高等教育出版社，2009.

[2] 陳浩，李慶，李勝清，等. 儀器分析課程教學改革與實踐[J]. 大學化學，2006，21（3）： 20-22.

[3] 劉英菊，陳實，熊亞紅，等. 儀器分析教學改革初探[J]. 廣東化工，2008，35（7）：168-170.

[4] 徐小娜，蔣軍輝，楊慧仙，等. 儀器分析教學中任務驅動式教學法的應用[J]. 基礎醫學教育，2012，14（3）：189-191.

[5] 陳躍新，劉越. 質疑與創新-問題驅動教學模式研究[J]. 計算機工程與科學，2006，28（s1）：81-83.