分光光度法測鐵實驗教學方法的探索與實踐

周磊 杜登學

摘 要：文章作者對鄰二氮雜菲分光光度法測鐵實驗教學中存在的問題進行了分析，結合學校實際教學條件和要求，在教學方法上采取了針對性改進措施。通過采用分段式教學、建立工作曲線模板、利用線性回歸曲線獲得待測組分含量等方法的聯合應用，提高了實驗的教學效果。

關鍵詞：分光光度法;實驗教學;方法改進

在化學實驗中，有一類實驗項目是利用分光光度法測定組分含量，鐵是常見的被測組分，鄰二氮雜菲是測鐵的常用顯色劑。根據實驗學時和要求的不同，鄰二氮雜菲分光光度法測鐵實驗基本上分為兩種類型：基本型（學時較少）和綜合設計提高型（學時較多）。針對該實驗教學的研究報道，大多集中在實驗條件優化選擇及綜合實驗設計研究等方面，而對基本型實驗傳統教學方法的改進挖掘方面報道較少。本文以齊魯工業大學（以下簡稱“我校”）針對大一學生開設的基本型實驗“鄰二氮雜菲分光光度法測鐵”為例，結合實驗教學中出現的一些具體問題，對傳統實驗教學方法進行了經驗總結和深入思考，提出了相應的改進方案并付諸實踐。

一、實驗原理簡介和常規教學方法

本實驗基本原理：分光光度法定量測定組分含量的依據是朗伯-比爾定律（Lambert-Beer law）。實驗過程簡介：先配制一系列已知準確濃度（C）的鐵標準溶液（標準系列），在給定條件下，用分光光度計測定標準系列所對應的吸光度值（A）;然后以A為縱坐標，以C為橫坐標，即可繪制出A～C工作曲線（標準曲線），理論上A～C曲線應為一條直線（線性相關系數R=1）;在同樣的實驗條件下，測定待測溶液的吸光度Ax， 用工作曲線法進行數據處理，即可獲得待測溶液中的鐵含量Cx。

任課教師指導鄰二氮雜菲分光光度法測鐵實驗時，采取的常規教學方法往往是：教師先行講解（介紹實驗原理、實驗步驟、注意事項以及分光光度計的使用等），然后學生根據實驗內容分組開展實驗。因光度計數量有限，一般2～3人一組，每班約20組輪流使用分光光度計。實驗結束，學生獲得吸光度原始數據后離開實驗室，課后各自獨立處理原始數據，繪制工作曲線并給出待測組分含量，在規定時間內完成實驗報告并交給指導老師批閱。

二、常規實驗教學方法中存在的問題

教師在指導實驗和批閱報告時，發現上述教學方法存在一些弊端和不足，主要表現為以下三點：

（1）部分學生聽課效率不高，對所用主要儀器分光光度計的使用方法的部分要點經常遺忘。這是因為，本實驗涉及的內容較多，教師講解的時間較長，學生注意力易分散。另外，學生是第一次使用分光光度計，有些學生聽完教師的講解，再配制好標準系列溶液，等到開始使用光度計時，已經忘記了前面指導教師講過的儀器的正確使用方法。出現這種“部分忘卻”的情況也實屬正常，因為這符合著名的如圖1所示的“艾賓浩斯遺忘曲線（Ebbinghaus Forgetting Curve）”。但造成的后果就是教師不得不再次強調和重復講解，明顯影響了實驗效率，增加了教師的工作量。

（2）學生在課堂實驗中，對所得工作曲線的線性好壞不易做到心中有數。因為課堂時間比較寶貴，一般來說，實驗課結束后，學生才會進行數據處理并繪制工作曲線。若工作曲線線性欠佳，會導致未知液測定結果也會不準確，但由于學生已經離開了實驗室而無法補救，這樣就不能達成實驗的既定目標。為了避免工作曲線線性欠佳，個別學生甚至會“微調”實驗數據，對這種嚴重違反實事求是原則的情況，教師一經發現，都需要對學生進行嚴肅教育并督促其改正。

（3）同一組原始數據，不同學生繪制出的工作曲線不盡相同，得到的測定結果也有較大差別，不具有唯一性。由于分組實驗的緣故，同組的2～3位學生共用同一組原始數據，但在利用這些數據繪制工作曲線時，由于實驗誤差是客觀存在的，所以這些數據所對應的實驗點不可能全都恰好落在工作曲線這條直線上。實際情況是，有些實驗點位于工作曲線的上方，有些則位于工作曲線的下方，而有一些可能剛好落在工作曲線上。不同的學生在利用坐標紙繪圖時，因為選擇實驗點的分布情況以及作圖技巧等因素的影響，導致即使是同一組數據，同組學生繪制出來的工作曲線也各不相同。這樣一來，利用所繪曲線得到的未知液測定結果就有差異，而這種差異實際上是由于繪圖不當造成的。

三、改進教學方法

（一）采用分段式講解，提高學習效率

在學生預習的基礎上，指導教師先介紹實驗原理、實驗步驟，并對注意事項重點講解，在講授過程中適時提問以集中學生注意力，時間控制在不超過25分鐘。因為研究發現大腦集中精力的時間最多只有25分鐘，對成年人而言，學習20～30分鐘后休息10分鐘，效果較佳。教師講解完上述內容后，學生立即開始實驗。當某個小組的學生率先完成鐵標準系列溶液的配制時，其他各組學生也已接近完成溶液的配制。此時教師再把學生召集起來專門介紹分光光度計的使用，講完后對重點步驟再強調一遍以加深印象。經實踐驗證，這段時間一般不會超過20分鐘，大腦仍處于精力集中的時間范圍內。由于2～3人一組，學生之間還可以互相補漏提醒，所以以組為單位的整體記憶效果更佳。實踐結果也表明各組學生能夠順利掌握儀器的使用，不但提高了實驗效率，也避免了指導教師反復講解，減輕了教師的工作量。

（二）利用工作曲線模板當場驗證其線性好壞

針對上述第二個問題的解決辦法是：實驗室配備計算機，教師用 Excel軟件繪制出工作曲線模板，供學生現場核對實驗數據的線性好壞。以我校開設的實驗為例，工作曲線模板如圖2所示。圖2中的方程是工作曲線的線性回歸方程，y是吸光度，x是鐵的濃度。R是線性相關系數，其值越接近于1，說明工作曲線的線性愈優。教師可以設置一個實驗數據作為合格的標準，比如要求R2>0.995，否則要求其分析原因并補做實驗，直至達標方可離開實驗室。學生測完溶液后，即可用所得的吸光度原始數據替換工作曲線模板里的相應數據，模板即自動生成新的對應工作曲線。這樣一來，學生就能夠清楚、直觀地看到所得工作曲線的線性好壞，個別線性欠佳的實驗點也能一目了然地得以發現。對于欠佳的實驗點，要求學生重新測量對應溶液的吸光度或重新配制該份溶液，甚至重配各個點所對應的系列溶液，直至達標。這種建立模板當場驗證的教學方法，既避免了個別學生蒙混過關，也能讓“線性極佳”的學生有滿滿的成就感，起到了激勵的效果，還讓實驗更有趣味，一定程度上提高了學生參加課堂實驗的積極性。

（三）利用線性回歸曲線法計算待測組分含量，可有效提高準確度

利用最小二乘法，同一組原始實驗數據所對應的線性回歸曲線必定是唯一的，同時也是誤差最小的，由線性回歸曲線法得到的待測組分含量也必然是唯一確定值，因而提高了測定結果的準確度。同時也讓學生認識到實驗不但要準確地測量，正確地進行數據處理同樣至關重要。本實驗中為了避免前面提到的同一組實驗數據得出不同的工作曲線和測定結果，采取的改進方法是要求學生把工作曲線繪制成線性回歸曲線，給出線性回歸方程和R2值。據了解，本校大一學生每人都有智能手機，但只有部分學生擁有計算機。寫實驗報告繪制工作曲線時，考慮到學生經濟條件不同可以適當靈活處理，計算機繪圖和坐標紙繪圖可以二選一，這也體現了以學生為本和彈性要求的原則。其中采用坐標紙描點繪圖的學生，允許其參考在實驗室里用手機拍下的線性回歸方程，并提示學生按照線性回歸曲線的特點，工作曲線必過坐標點（），其中，分別表示x的平均值和y的平均值。

四、結語

針對“分光光度法測鐵”實驗中出現的三個問題，分別進行了有針對性的改進：

（1）部分學生聽課效率較低，對所用主要儀器分光光度計的使用記憶不夠牢固。教師采取分段式講解的辦法，能夠克服上述困難，有效減輕師生的負擔。

（2）學生在課堂實驗中，對所得工作曲線的線性好壞難以做到心中有數。解決辦法是，在實驗室內配備1～2臺計算機，教師提前用Excel軟件繪制出工作曲線模板，學生即可現場隨時核對實驗數據的線性好壞。

（3）同一組原始數據，不同學生繪制出的工作曲線不盡相同，得到的測定結果有較大差別。解決方法是，利用最小二乘法的原理，采取線性回歸曲線法作圖，則測量結果具有唯一性，誤差最小，測定準確度得以提高。

我校鄰二氮雜菲分光光度法測鐵實驗的教學方法經過上述改進后，教學效果明顯提高。本教學改進方案對其他與光度法測鐵原理類似的教學實驗也有一定的啟發和借鑒意義。

參考文獻：

[1]李絲紅，郭幼紅.鄰二氮菲分光光度法測定微量鐵實驗探討[J].海峽藥學，2013，25（8）：82-85.

[2]秦 巖.鄰二氮菲分光光度法測定微量鐵實驗的改進[J].沈陽醫學院學報，2008（1）：44-45.