教學微芯片在郎伯-比爾定律教學中的應用

吳劍 張葉 高煥

（安徽中醫藥高等專科學校 安徽·蕪湖 241000）

分析化學作為化學的四大基礎之一，處于承上啟下的關鍵位置，分析基礎是否牢固對后續的藥物分析等專業課程而言非常重要，因此對于分析化學課程的教學方法及課程改革等方面有很多的研究。[1-3]但分析化學知識點多，涉及計算多，實驗內容多，且實驗中對學生的耐心、細心要求很高，因此極為枯燥，我校是文理兼收的學校，文科同學學習非常吃力。普通專科教育的講授法和操作法，[4]對學生對相關知識點的理解幫助較小。在實際教學中我校分析化學精品課程的教學團隊基于上述實際情況，發展了多種有特色的教育教學方法，教學微芯片法即是其中一種。其通過將枯燥乏味的分析化學的知識點，用精心設計的教學微芯片設計出來，讓學生在課堂上動手操作，通過實踐讓學生掌握相關知識，教學效果較為顯著。[5、6]對應的教學方法在理科課程特別是分析化學課程教學中較為少見，本課題組特選擇郎伯-比爾定律教學過程中教學微芯片的使用為例描述如下：

1 本校分析化學課程情況簡介

我校自1960年建校以來就開設分析化學課程，開設歷史悠久，目前本課程所用教材為《分析化學》（第四版，陳哲洪等主編），課本共分十四章，包括化學分析和儀器分析的內容。2006年本課程成為校級精品課程在建設過程中積累了堅實的基礎，在此基礎上，2013年本課程成為安徽省精品視頻公開課（2013gkk016）。目前我校醫療系醫療檢驗技術專業，藥學系藥學專業均采用該套教材進行授課。以藥學專業為例，總學時為108學時，其中理論課時72學時，實驗學時36學時。

2 教學微芯片技術的發展

教學微芯片是從目前分析化學領域熱點技術——微芯片技術發展而來的，本教學團隊較早的提出了該創新性的思路即：將科研中常用的微芯片技術引入課程教育教學中，由于微芯片技術的特點因此具有綠色環保的教學效果和可以進行理實一體化教學，在此思路下我們發展了四代教學微芯片，本文采用的技術為第四代教學微芯片技術。目前已經發展了多種針對性的教學微芯片，郎伯-比爾定律教學微芯片即是其中一種，該芯片通過精心設計的結構，可以讓同學們在教學中一次性獲得不同濃度不同厚度的溶液，從而讓同學們理解郎伯-比爾定律的基礎知識。

3 郎伯-比爾定律

朗伯-比爾定律的表達式為：A=K·c·L

表示當一束平行單色光垂直通過某一具有一定光照面積的、含吸光物質的稀溶液時，若該溶液均勻、無散射，則在入射光波長、強度及溶液的溫度等條件保持不變的情況下，該溶液中的吸光物質對單色光的吸光度A與溶液的濃度c及溶液液層厚度L的乘積成正比關系。

4 郎伯-比爾定律教學微芯片

我們將微型化化學實驗的概念和微流控芯片的技術結合在一起，設計了一種能夠演示朗伯-比爾定律的教學用芯片，采用能夠構建濃度梯度和厚度梯度的微芯片，達到更好的教學效果。其可以通過熱溶膠、培養皿、磁鐵為模板，用聚二甲基硅橡膠（PDMS）制備的，也可以通過光刻技術結合磁鐵法制備。其結構[7]簡單描述為采用常規的圣誕樹狀濃度梯度生成裝置，同時在底端設計縱向的三個不同厚度的樣品池，從濃度梯度生成裝置入水口處注入高錳酸鉀溶液和水，則可以在樣品池生成不同濃度的溶液，結合不同厚度讓同學進行觀察即可對上述朗伯-比爾定律得到一個直觀的印象。

5 學情分析及教學過程設計

經過前期的教學，學生已經學習了無機化學、有機化學、生物化學等學科的知識對于本課而言則已學習了滴定分析知識和操作技能（3-7章）、電分析化學知識（第9章）等。而本模塊是光譜分析法，涉及到電磁輻射、光譜等光學知識。相關知識從表面上看和學生已經掌握的知識點沒有太多關系，是全新的領域。這是儀器分析的特點，不同的模塊如光學分析法、電化學分析法、色譜法之間的原理、操作等均有很大不同，如割裂來講解則前后知識點不能融會貫通，影響學生學習。因此我們在講解中將滴定分析模塊歸納為通過計量點前后，肉眼可見的顏色變化來分析；電化學分析模塊是對無法直接觀察的變化通過儀器協助分析。本章則更進一步，講述對肉眼不可見的其他的光（電磁波）如何借助和借助什么儀器進行分析。

雖然學生都已學習了無機、有機、生化等相關課程，但對知識的掌握程度差別較大；光學知識在初中也都有所接觸，但顯然文科同學對相關知識的掌握不及在高中物理中再次學習過的理科同學，而我校是文理兼收的，因此總的來看學生的起點還是存在著較大的差距，尤其表現在對知識的探究、聯想、遷移能力上。這就使得課程講解時不宜太深，否則層次較低的同學難以掌握、不敢學習；也不宜太淺，否則層次較高的同學會覺得太過簡單、不想學習。因此在教學中采用一些新穎的手段將大大緩解學生學習的畏難情緒、自滿情緒，這是本課采用教學微芯片的學情基礎。

教學過程設計：

［導入］我們接著講述下分光光度法中非常重要的概念，當然在這之前我們先回顧下剛才的顆粒中我們講述了什么內容。

［投影、動畫］上次我們講解了非常重要的兩個量度A和T，吸光度、透過率，兩者之間的關系。

A=－lgT

［講］這是兩個非常重要的量度，我們說紫外這個慧眼不僅僅可以讓我們看到第八第九種顏色的世界，可以讓我們用來測定和度量世界，量的概念非常重要，那么我們是怎么度量的呢？讓我們做下這個實驗。

［教學微芯片實驗］高錳酸鉀溶液在朗伯比爾教學微芯片上的實驗現象（圖1）。

［學生觀察實驗現象］學生觀察獲得結論：芯片出口處橫向比較，顏色有深淺不同，縱向比較，顏色也有深淺不同。

圖1 教學微芯片實際效果圖

［分析實驗結果］橫向比較形成濃度梯度，濃度越大，顏色越深；縱向比較，有不同厚度，厚度越大，顏色越深。

［結論、引出］吸光度大小與濃度、厚度有關。

這就是本節課所要講述的內容：朗伯-比爾定律。

［講］當一束平行單色光垂直通過某一具有一定光照面積的、含吸光物質的稀溶液時，若該溶液均勻、無散射，則在入射光波長、強度及溶液的溫度等條件保持不變的情況下，該溶液中的吸光物質對單色光的吸光度A與溶液的濃度c及溶液液層厚度L的乘積成正比關系。

A=K·c·L

［動畫、投影類比講解］好比吃了多少菜取決于吃菜的人，人越多菜被吃的越多（相同厚度情況下濃度越大吃菜人越多，相同濃度下，厚度越大吃菜的人越多）。是分光光度法（紫外、紅外、可見）定量分析的理論依據。

6 教學效果

本方法已被用于我校2018級藥學專業的分析課程教學，學生通過微芯片實驗能夠自主的獲得上述實驗的效果，進行分析后獲得結論，由于采用此類新型的教學方法使得學生對課程的興趣大增。

此外在教學準備階段我們組織了5名學生參與到芯片的制備過程中，他們現在可以熟練的掌握芯片的制備技術，相應的使用過程等，對此部分同學而言顯然收獲較多。

在教學中我們沒有采用直播技術進行實驗的直播，導致學生在操作時有的過早有的注射針管放置位置不對，導致實驗失敗的現象，這說明在進行教學微芯片教學時最好采用直播等方式進行。

7 總結和建議

上述就是我校分析化學精品視頻公開課建設過程中，采用教學微芯片技術進行教學的過程。通過這樣的方式使得學生能夠在課堂上直接進行實驗獲得直觀的認識，使得枯燥乏味又非常有用的分析化學課程中抽象的理論變得直觀可見，這樣的手段顯然是一種非常有益的嘗試，值得承擔同類課程教學的各位同仁參考和借鑒。