吳劍 張葉 高煥

（安徽中醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 安徽·蕪湖 241000）

分析化學(xué)作為化學(xué)的四大基礎(chǔ)之一，處于承上啟下的關(guān)鍵位置，分析基礎(chǔ)是否牢固對后續(xù)的藥物分析等專業(yè)課程而言非常重要，因此對于分析化學(xué)課程的教學(xué)方法及課程改革等方面有很多的研究。[1-3]但分析化學(xué)知識點多，涉及計算多，實驗內(nèi)容多，且實驗中對學(xué)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(xué)校，文科同學(xué)學(xué)習(xí)非常吃力。普通專科教育的講授法和操作法，[4]對學(xué)生對相關(guān)知識點的理解幫助較小。在實際教學(xué)中我校分析化學(xué)精品課程的教學(xué)團隊基于上述實際情況，發(fā)展了多種有特色的教育教學(xué)方法，教學(xué)微芯片法即是其中一種。其通過將枯燥乏味的分析化學(xué)的知識點，用精心設(shè)計的教學(xué)微芯片設(shè)計出來，讓學(xué)生在課堂上動手操作，通過實踐讓學(xué)生掌握相關(guān)知識，教學(xué)效果較為顯著。[5、6]對應(yīng)的教學(xué)方法在理科課程特別是分析化學(xué)課程教學(xué)中較為少見，本課題組特選擇郎伯-比爾定律教學(xué)過程中教學(xué)微芯片的使用為例描述如下：

1 本校分析化學(xué)課程情況簡介

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

2 教學(xué)微芯片技術(shù)的發(fā)展

教學(xué)微芯片是從目前分析化學(xué)領(lǐng)域熱點技術(shù)——微芯片技術(shù)發(fā)展而來的，本教學(xué)團隊較早的提出了該創(chuàng)新性的思路即：將科研中常用的微芯片技術(shù)引入課程教育教學(xué)中，由于微芯片技術(shù)的特點因此具有綠色環(huán)保的教學(xué)效果和可以進行理實一體化教學(xué)，在此思路下我們發(fā)展了四代教學(xué)微芯片，本文采用的技術(shù)為第四代教學(xué)微芯片技術(shù)。目前已經(jīng)發(fā)展了多種針對性的教學(xué)微芯片，郎伯-比爾定律教學(xué)微芯片即是其中一種，該芯片通過精心設(shè)計的結(jié)構(gòu)，可以讓同學(xué)們在教學(xué)中一次性獲得不同濃度不同厚度的溶液，從而讓同學(xué)們理解郎伯-比爾定律的基礎(chǔ)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(zhì)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(zhì)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(guān)系。

4 郎伯-比爾定律教學(xué)微芯片

我們將微型化化學(xué)實驗的概念和微流控芯片的技術(shù)結(jié)合在一起，設(shè)計了一種能夠演示朗伯-比爾定律的教學(xué)用芯片，采用能夠構(gòu)建濃度梯度和厚度梯度的微芯片，達到更好的教學(xué)效果。其可以通過熱溶膠、培養(yǎng)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(shù)結(jié)合磁鐵法制備。其結(jié)構(gòu)[7]簡單描述為采用常規(guī)的圣誕樹狀濃度梯度生成裝置，同時在底端設(shè)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(jié)合不同厚度讓同學(xué)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(xué)情分析及教學(xué)過程設(shè)計

經(jīng)過前期的教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了無機化學(xué)、有機化學(xué)、生物化學(xué)等學(xué)科的知識對于本課而言則已學(xué)習(xí)了滴定分析知識和操作技能（3-7章）、電分析化學(xué)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(xué)知識。相關(guān)知識從表面上看和學(xué)生已經(jīng)掌握的知識點沒有太多關(guān)系，是全新的領(lǐng)域。這是儀器分析的特點，不同的模塊如光學(xué)分析法、電化學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)。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(xué)分析模塊是對無法直接觀察的變化通過儀器協(xié)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(xué)生都已學(xué)習(xí)了無機、有機、生化等相關(guān)課程，但對知識的掌握程度差別較大；光學(xué)知識在初中也都有所接觸，但顯然文科同學(xué)對相關(guān)知識的掌握不及在高中物理中再次學(xué)習(xí)過的理科同學(xué)，而我校是文理兼收的，因此總的來看學(xué)生的起點還是存在著較大的差距，尤其表現(xiàn)在對知識的探究、聯(lián)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(xué)難以掌握、不敢學(xué)習(xí)；也不宜太淺，否則層次較高的同學(xué)會覺得太過簡單、不想學(xué)習(xí)。因此在教學(xué)中采用一些新穎的手段將大大緩解學(xué)生學(xué)習(xí)的畏難情緒、自滿情緒，這是本課采用教學(xué)微芯片的學(xué)情基礎(chǔ)。

教學(xué)過程設(shè)計：

［導(dǎo)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(nèi)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(guān)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(xué)微芯片實驗］高錳酸鉀溶液在朗伯比爾教學(xué)微芯片上的實驗現(xiàn)象（圖1）。

［學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象］學(xué)生觀察獲得結(jié)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(xué)微芯片實際效果圖

［分析實驗結(jié)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(jié)論、引出］吸光度大小與濃度、厚度有關(guān)。

這就是本節(jié)課所要講述的內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(guān)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(jù)。

6 教學(xué)效果

本方法已被用于我校2018級藥學(xué)專業(yè)的分析課程教學(xué)，學(xué)生通過微芯片實驗?zāi)軌蜃灾鞯墨@得上述實驗的效果，進行分析后獲得結(jié)論，由于采用此類新型的教學(xué)方法使得學(xué)生對課程的興趣大增。

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

在教學(xué)中我們沒有采用直播技術(shù)進行實驗的直播，導(dǎo)致學(xué)生在操作時有的過早有的注射針管放置位置不對，導(dǎo)致實驗失敗的現(xiàn)象，這說明在進行教學(xué)微芯片教學(xué)時最好采用直播等方式進行。

7 總結(jié)和建議

上述就是我校分析化學(xué)精品視頻公開課建設(shè)過程中，采用教學(xué)微芯片技術(shù)進行教學(xué)的過程。通過這樣的方式使得學(xué)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(xué)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(xué)的各位同仁參考和借鑒。