基于分光光度計的化學實驗橫向知識教學

吳俊 吳平

摘 要 大學化學類學生經常使用分光光度計進行各種化學分析實驗。教師開展實驗教學的同時，也須加強儀器的物理原理和電子信息技術的橫向知識教學。通過連接電腦等一些外圍舉措，使儀器達到智能化和網絡信息化的改造。同時激發學生的積極性、創造性，有效增強學生對關聯知識的學習和思考。當今迅猛發展的分光光度計融合了先進的光電技術、微電子技術及微機軟硬件技術，極大地拓寬了學生的橫向知識視野。

關鍵詞 分光光度計；橫向知識教學；化學實驗；儀器

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：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

化學類學科（包括農業、環保、材料、食品等專業）的化學實驗中，普遍使用分光光度計進行各種化學分析實驗。長期以來，在儀器使用中，學生只是片面地完成規定的步驟，較多思考本專業的化學實驗，非常機械地去操作儀器，重復必要的執行動作，單方面獲取化學知識，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構，忽視了相關儀器的智能化應用及網絡信息化發展。總之，學生在實驗的同時，錯失了橫向知識升華提高的機會。

分光光度計是很普通的專用光學儀器，但對它結構的深刻理解，是有助于加強學生化學測試技能的。儀器原理是依據單色光對溶液待測組分濃度產生不同的吸收現象，從而進行光強吸收變化的光電檢測，依靠朗伯—比耳光吸收定律來定量計算化學溶液組分濃度。儀器顯然是面向化學測試的實驗工具。另外，從知識層面來分析，該儀器的橫向跨度較大，涉及很多學科知識。它涉及物理學的光柵衍射的分光原理、光電池的光電轉換的弱電流信號生成原理、電子學的弱電流的直流放大原理、模數轉換的數字電路原理，甚至涉及數理統計中的數據回歸運算，等等。

因此，面對大學化學專業學生，除了要開展必要的化學分析實驗課外，還應該輔助性地進行橫向知識的實驗教學，如分光光度計的結構原理及它在人工智能網絡信息化方面的發展，有必要進行知識融合交叉的講述。通過多年的教學實踐可以發現，很多學生對這種物理和化學知識的復合講解很感興趣，這種橫向的教學很好地激發了他們的學習積極性。

2 引入實驗設備的改造機制

我國高校的大部分實驗室中，配備的教學分光光度計都是普通級別的儀器，非智能化的。在使用這種儀器時，可以讓學生從儀器的各方面來進行改革，從而獲得知識水平的提高；也可以通過整合實驗內容，盡力發揮學生的科學思維及創新能力。但如何改進舊設備？如何創造一種新方法來訓練學生的綜合實驗和科研能力？如進行啟發性實驗教學嘗試，師生共同設計研究一種特殊微量比色皿，就可安裝在原儀器中進行專門的微量吸收光度測量。學生通過這樣的微小技術改動，可引發化學實驗方法的大變化。改進后的實驗中，化學試劑只需添加幾滴，就可以完成微量顯色化學反應，即可達到同樣的實驗效果，從而節省了昂貴的化學試劑。

學生在實驗改革中開動腦筋，過去是按部就班地完成實驗，大多敷衍了事，毫無創造思維；現在通過改造儀器，活躍了思想，提高了學習積極性。

另外，操作分光光度計測試的化學數據必須通過手工計算來完成統計運算，學校的儀器性能并沒有安置智能計算操作。因此，為了啟發學生的鉆研思想，研究專用的模數轉換串口輸出數據的電子接口模塊，讓它將儀器和電腦串行通信口相連接，從而使儀器測試的數據自動輸入電腦，再通過學生計算機的C#語言編程，順利完成測試數據吸光值—濃度最小二乘法的回歸統計運算，并且還能完成測定過程的數據庫存儲。

由于在化學實驗中將普通分光光度計進行了低成本的智能改造，將儀器做到技術升級，因此，整個過程使化學類學生受益匪淺，他們獲取了許多非化學的知識本領（電子接口、數據通信知識），極大地激發了上進的學習熱情，鞏固了課堂所學的書本內容。這種理論和實踐相結合的研究類學習，使他們達到終生難忘的效果。

3 結合社會實踐研制便攜微型比色計

化學類學生在化學定量分析實驗中，能夠生動熟練運用分光光度計，并能全方位理解儀器的工作原理和結構功能；也可以在具體的化學分析實驗范例指導下，結合社會實踐，培養解決實際問題的能力。如自來水水質的余氯分析，學生都是在學校實驗室中采用分光光度計測定的，然而實際情況不允許這樣實施——面對城市管網自來水水質測定，必須在城市取樣的龍頭現場進行測定。

以測定水中余氯為例，水樣中的余氯組分持留水中時間不長，若采用人工取樣再返回實驗室的方式，樣品測定結果的真實性會受到質疑。因此，必須研制便攜式微型比色計進行現場快速測量。微型比色計是基于分光光度計而進行的簡化制造，采用低成本的單色發光二極管以及硅光電池，并且利用普通萬用表，即能很快組建簡單的比色計[1-2]。

學生只要動動手，動動腦，親自實踐一下，便能尋到自制儀器的無窮樂趣。這樣鮮活的復合知識，課堂上往往是體驗不到的。

教育部發布的《關于加強高等學校本科教學工作 提高教學質量的若干意見》（教高〔2001〕4號）中指出：“實踐教學對于提高學生的綜合素質、培養學生的創新精神與實踐能力具有特殊作用。”所以，儀器的改造也是深入的實踐教學，對學生的創造性的發揮是極為有利的。分光光度計的結構原理，可啟發學生的創新聯想空間。

4 儀器整合信息化和網絡化技術

化學類學生對現代化教學信息及通信技術的認識比較欠缺，不知道如何將化學知識和人工智能結合起來。而分光光度計的化學測量，恰恰給學生提供了橫向深度學習的機會。分光光度計可以和計算機相連，其化學定量分析的數據也可自動輸入電腦進行處理。現在的實驗制作成本是很低的，如添置價值100元的GPRS模塊，可引入移動互聯網GPRS的遠程通信技術，便可實現測試數據的無線遠距離傳輸[3]。

實驗中，將化學分析和數據通信結合起來，化學類學生的學習興趣會得到有效提升，讓大家充分認識到當代物聯網中化學傳感、數據傳輸和網絡應用的人工智能熱點。這些交叉學科的知識也自然會給大家展現知識的想象空間，教學效果會得到明顯正確。化學分析、光學應用、電子測量、統計計算、數據通信、遠程傳輸等高新知識，都能在這樣的普通儀器中體現出來，學生在實驗中的橫向復合知識技能也可以得到加強。

5 學習分光光度計近年來發展的先進技術

分光光度計是經典的物理光學儀器，其核心部件是平面光柵，基本原理是依據光柵對復合光的衍射原理，可將光解離成不同的單色光光波；利用可轉動光柵的機械裝置及機械狹縫結構，獲取特定波長的單色光。這種傳統分光儀的技術路線，分光控制精度較差，而且構成的光學儀器的體積也很龐大，在儀器操作和技術應用方面顯示出許多局限性。比如研究化學溶液對紫外及可見光全波段的光吸收狀況，儀器的實驗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，微電子芯片技術及微機軟硬件技術的發展，推動了物理集成光學技術的前進。發達國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個陳列光電二極管耦合傳感器，可同時有效采集許多條不同單色光的強度信息，瞬間提供給計算機進行快速數據處理。由于改變了光柵轉動及狹縫控制的機械技術結構方式，化學溶液的全波段光吸收曲線可在幾秒鐘時間內繪制成功，化學分析的信息功能得到提升。

20世紀90年代，美國Ocean Optics公司首先發明世界上第一臺全息微型光譜儀。隨后，德國MuT公司及中國復享公司等緊跟技術步伐，有效將集成光學、微電子芯片、微機技術、通信技術等融合在一起，制造的新一代分光光度計的體積可達到火柴盒大小。這對化學在線自動分析及現場應急快速分析發展起到巨大推動作用。

蘇州科技大學開展的“管網飲用水突發有機污染分級預警傳感遙測研究”科研項目中，采用全息微型分光光譜儀及光纖技術，快速進行管道自來水及瓶裝飲用水的水質純凈度研究。參與研究的學生紛紛感受到先進的分光光度計許多技術的啟示，擴大了知識面，提高了實踐能力。

6 組合多專業教師協同進行橫向知識教學

將實驗儀器作為手段，實施多學科復合知識的教學，是教改的創新之路。經過多年的實踐體會到，學生在當今科技快速發展的世界中，非常渴望接觸各種先進技術和現代知識。這也激勵了教師持續不斷進行教學創新，讓學生有效地得到復合知識的教學和實踐訓練。

本文以分光光度計作為解析實例，實踐各種知識橫向交叉的可行性和重要性。然而多學科復合技術及橫向知識的傳授，教學難點較多，為了保證教學質量，應該有計劃地組合多專業教師團隊，需要考慮主專業和次專業的知識融合，需要考慮知識面深入掌握和一般了解的尺度問題，分清內容的主次和教學的深淺。總之，要以學生為本，以高質量培育人才為方向，改變以往機械式的單科專業教學，讓學生多方位、多角度地體驗到豐富多彩的知識世界。

7 結語

分光光度計是一臺普通的實驗儀器，但是儀器的結構和使用橫跨多門學科的豐富知識。一方面，以此引導學生進入深度的橫向學習，可開創一種新的教學模式與實驗模式，激發學生的積極性、創造性，有效增強學生對課堂內容的理解和關聯知識的思考；另一方面，適當引入當代世界先進的分光光度計技術的實驗教學，從橫向知識傳授方面增強當前先進的集成光學、光電芯片及微機數據通信技術等知識教學，可提高學生的實驗技能，開闊學生的視野。

參考文獻

[1]王小贊，于宗仁.自制實驗儀器在水文地質專業教學中的應用[J].實驗技術與管理，2016（4）：73-76.

[2]田利，徐冬梅，王彬彬.自制微型實驗儀器在化學實驗教學中的應用[J].長春師范學院學報，2012（6）：141-144.

[3]樊吉瑞.信息技術在物理實驗教學中運用的思考[J].中國教育技術裝備，2012（19）：124-125.