劉玉春

（海上理工大學(xué)光電信息與計(jì)算工程學(xué)院 上海 200093）

光譜學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)重要分支學(xué)科，主要是利用物質(zhì)與不同頻率電磁波之間的相互作用研究其性質(zhì)，[1]從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同樣品的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等指標(biāo)測(cè)量與表征。光譜技術(shù)作為自然科學(xué)分析的重要手段，具有靈敏、快速、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)生活中具有非常的廣泛的應(yīng)用前景，可用于化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、藥物臨床、儀器衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。[1]光譜技術(shù)早在20世紀(jì)四五十年代就得到了迅速發(fā)展，目前的光譜技術(shù)主要可分為吸收光譜、發(fā)射光譜與散射光譜。不同種類的光譜技術(shù)，可以從不同方面提供物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)信息以及不同的化學(xué)分析方法。隨著科技的進(jìn)步的發(fā)展，光譜技術(shù)在生活應(yīng)用及教學(xué)科研中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因此針對(duì)本科生的光譜相關(guān)教學(xué)具有十分重要的意義。

由于光譜技術(shù)在高水平檢測(cè)和應(yīng)用研究中具有重要地位，因此相關(guān)課程應(yīng)緊密結(jié)合專業(yè)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用需求，使學(xué)生明確理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的教學(xué)意義所在。目前已有多所高效展開(kāi)光譜技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，[2][3]主要包括紫外-可見(jiàn)吸收光譜、近紅外吸收光譜、紅外吸收光譜、拉曼光譜等。然而，由于光譜儀種類較多且價(jià)格較為昂貴，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在設(shè)備數(shù)量少、學(xué)生人數(shù)多、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、實(shí)驗(yàn)效果不理想等問(wèn)題。本文將以紫外－可見(jiàn)吸收光譜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，淺析如何解決光譜技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在問(wèn)題，探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)中各個(gè)環(huán)節(jié)的過(guò)程管理和改進(jìn)方法，利用多樣化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和探索性思考培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的操作技能和創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)前加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦斫馀c對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的討論思考

以吸收光譜為例，紫外－可見(jiàn)吸收光譜儀器設(shè)備比較簡(jiǎn)單，具有操作簡(jiǎn)便、精密度較高、選擇性好等特點(diǎn)，[4]可利用吸收峰的特性對(duì)物質(zhì)的組成、含量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量分析。吸收光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)包括：學(xué)生熟悉光譜儀的基本結(jié)構(gòu)，深入了解吸收光譜色散系統(tǒng)的色散原理、探測(cè)器的類型和基本參數(shù)、掌握吸收光譜的測(cè)試原理及方法。一般而言，吸收光譜的儀器組成部分分為：光源系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、樣品池、探測(cè)器、顯示記錄系統(tǒng)，如圖1所示。吸收光譜測(cè)試主要是基于朗伯-比爾吸收定律（Lambert-Beer law）：

圖1 紫外－可見(jiàn)光譜儀的基本結(jié)構(gòu)和吸收示意圖

其中，A為吸光度，T為透射率，I0為入射光強(qiáng)，I為出射光強(qiáng)，a為摩爾吸光系數(shù)，b為光程，c為物質(zhì)濃度。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測(cè)得的I0、I得到物質(zhì)的吸收特性。

對(duì)于吸收光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，需要將理論聯(lián)系實(shí)驗(yàn)，才能更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目。通過(guò)光譜分析儀器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、組成的基礎(chǔ)的講解引出吸收光譜涉及三個(gè)基本過(guò)程：能源提供能量、能量與被測(cè)物之間的相互作用、產(chǎn)生信號(hào)，進(jìn)一步導(dǎo)出吸收光譜產(chǎn)生的原理、光譜信號(hào)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系。[5]針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問(wèn)題，可建議院校單位購(gòu)置多個(gè)價(jià)格較低的微型光譜儀和便攜式光譜儀。一方面，教師可以先通過(guò)理論學(xué)習(xí)和視頻動(dòng)畫(huà)講解加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，使學(xué)生對(duì)光譜儀構(gòu)成、基本光學(xué)元件、光路結(jié)構(gòu)及光學(xué)參數(shù)的直觀認(rèn)識(shí)；另一方面，通過(guò)對(duì)不同光譜儀實(shí)物進(jìn)行分析對(duì)比，討論學(xué)習(xí)其光源系統(tǒng)、色散系統(tǒng)及探測(cè)器的差異。通過(guò)對(duì)以往實(shí)驗(yàn)案例的講解，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)用光譜儀基本測(cè)試參數(shù)設(shè)置及測(cè)試光譜圖有基礎(chǔ)了解，對(duì)光譜測(cè)試結(jié)果分析及光譜技術(shù)應(yīng)用有基本認(rèn)知。教師講解過(guò)程中間可合理穿插多種形式的問(wèn)答，創(chuàng)造良好的互動(dòng)氛圍，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興致。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡某浞至私庵?，可以讓學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試細(xì)節(jié)提出一些意見(jiàn)和建議，并通過(guò)展開(kāi)討論提高學(xué)生對(duì)于光譜實(shí)驗(yàn)的興趣和積極性。具體來(lái)說(shuō)，本科生吸收光譜實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以分為兩類：基礎(chǔ)性內(nèi)容和探索性內(nèi)容，如表1所示?；A(chǔ)性測(cè)試內(nèi)容可以包括固體粉末、溶液或薄膜三類，例如二氧化鈦粉末、硫酸銅溶液、高錳酸鉀溶液、石英玻璃、聚合物薄膜等等；探索性測(cè)試內(nèi)容可結(jié)合吸收光譜應(yīng)用實(shí)例，比如單組分、多組分、不同官能團(tuán)的測(cè)定等等?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容用于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)方法的理解和掌握，而探索性實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容旨在讓學(xué)生數(shù)量掌握和應(yīng)用朗伯-比爾吸收定律，探討紫外—可見(jiàn)吸收光譜的應(yīng)用實(shí)例及相關(guān)實(shí)驗(yàn)重難點(diǎn)問(wèn)題的解決方案。通過(guò)對(duì)多樣化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的討論和選擇，可以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極性以及創(chuàng)新思考的能力，進(jìn)一步加強(qiáng)其對(duì)吸收光譜定性和定量分析實(shí)驗(yàn)的基本原理及實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡睦斫狻?/p>

表1 光譜技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)與探索性實(shí)驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)中加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)過(guò)程的管理

在吸收光譜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，首先采用純水作為演示實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，分別測(cè)試其透射率和吸光度。對(duì)于不同光譜儀器，吸收光譜的測(cè)量方式可分為單光路型和雙光路型兩種。將純水替換成某種待測(cè)溶液，測(cè)試其紫外-可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透射率和吸光度。在教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程中，不斷與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)提問(wèn)，加強(qiáng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及操作的理解記憶。演示實(shí)驗(yàn)完成后，采取小組實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練方式，小組人數(shù)為3~4人；然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容討論、實(shí)驗(yàn)分工協(xié)作、實(shí)驗(yàn)操作反饋等過(guò)程使每個(gè)學(xué)生都參與實(shí)驗(yàn)操作，同組成員在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中不斷反饋、討論，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。例如在吸收光譜實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置一系列不同濃度的溶液樣品（如高錳酸鉀、硫酸銅、甲基藍(lán)等）進(jìn)行測(cè)試，要求學(xué)生小組成員全程參與；從溶液樣品的配制、取樣、放置到光譜儀參數(shù)設(shè)置、光譜采集、數(shù)據(jù)保存，每個(gè)小組成員完成1~2組實(shí)驗(yàn)測(cè)試，涉及每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟。

在光譜實(shí)驗(yàn)內(nèi)容操作過(guò)程中，教師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容將操作分為兩部分，即基礎(chǔ)操作和探索性操作。在探索性操作中，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生適當(dāng)改變實(shí)驗(yàn)條件，并且在實(shí)驗(yàn)操作完成后分析不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。與之對(duì)應(yīng)地，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的考核也分解為基礎(chǔ)操作部分和探索性操作部分?；A(chǔ)操作包括基礎(chǔ)測(cè)試樣品的制備、放置、光譜儀參數(shù)設(shè)置、光譜采集、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)計(jì)算等；探索性操作包括特定樣品的測(cè)試分析、實(shí)驗(yàn)條件變換、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系等?；A(chǔ)操作注重規(guī)范性，探索性操作部分注重實(shí)驗(yàn)反思，不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)操作可與最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析相互印證。

通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理，選擇合適的實(shí)驗(yàn)操作方式，有利于學(xué)生在鍛煉專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)積極性與問(wèn)題分析能力。比如在對(duì)一種濃度未知的溶劑進(jìn)行含量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以首先將不同的已知濃度的樣品作為吸收光譜基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將另外的已知和未知濃度的樣品作為探索性內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中相互驗(yàn)證，測(cè)試之后通過(guò)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的對(duì)比對(duì)比，加深對(duì)吸收光譜實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程的理解。此外，結(jié)合吸收光譜技術(shù)和應(yīng)用的特性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以啟發(fā)和開(kāi)展多種探索性測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行多方面總結(jié)思考與反饋交流

在吸收光譜分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、演示實(shí)驗(yàn)的理解及實(shí)驗(yàn)測(cè)試的操作，學(xué)生能夠增強(qiáng)對(duì)光譜儀基本結(jié)構(gòu)、光譜測(cè)試基本原理和應(yīng)用的相關(guān)了解，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行一系列思考和討論，加強(qiáng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)操作技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)和儀器應(yīng)用的興趣。在吸收光譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，多方面的總結(jié)思考和分析交流可以進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。具體地，實(shí)驗(yàn)后總結(jié)交流可分為以下三個(gè)階段：

實(shí)驗(yàn)室光譜測(cè)試結(jié)束后為第一階段。該階段教師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)操作情況提出一系列的問(wèn)題，與學(xué)生互動(dòng)討論，鼓勵(lì)學(xué)生積極主動(dòng)思考，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和思考。例如，在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中，不同形態(tài)樣品的測(cè)試方法、測(cè)試誤差、測(cè)試結(jié)果校驗(yàn)等方面都有哪些不同？在不同的未知濃度樣品測(cè)定中，吸收光譜參設(shè)定有哪些技巧？在探索性實(shí)驗(yàn)中，將樣品A換成樣品B，吸收光譜將會(huì)產(chǎn)生怎么的不同效果？

光譜測(cè)試結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)為第二階段。該階段由各小組開(kāi)展相關(guān)專題討論交流，完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理、數(shù)據(jù)分析及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告包括小組對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡睦斫?、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)處理與吸收特性分析、探索性實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析與思考、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與探索性思考等內(nèi)容。鼓勵(lì)學(xué)生小組在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn)分析和資料查閱，提出新的實(shí)驗(yàn)方案或者潛在應(yīng)用實(shí)例，啟發(fā)對(duì)光譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行思考和討論。

班級(jí)實(shí)驗(yàn)課程交流與討論為第三階段。通過(guò)線上網(wǎng)絡(luò)或者線下課題，設(shè)置小組實(shí)驗(yàn)交流討論，基于對(duì)不同小組的實(shí)驗(yàn)報(bào)告的學(xué)習(xí)，開(kāi)展光譜技術(shù)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用的自由討論，鼓勵(lì)不同小組之間相互提問(wèn)，并對(duì)教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出意見(jiàn)和建議。最后總結(jié)相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、操作技巧、學(xué)習(xí)心得及探索性思考內(nèi)容，形成文檔，作為內(nèi)部公共資源供全體學(xué)生使用。通過(guò)總結(jié)思考和反饋交流啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行更多資料學(xué)習(xí)和仿真實(shí)驗(yàn)嘗試。

同時(shí)，通過(guò)學(xué)生的反饋和交流，教師進(jìn)一步反思如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程管理和效果提升。例如，教師注重專業(yè)實(shí)驗(yàn)素材積累，搜集各類動(dòng)畫(huà)和視頻資料結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的最新進(jìn)展或熱點(diǎn)內(nèi)容講解光譜實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；并通過(guò)新的實(shí)驗(yàn)方式和方法的討論，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程；綜合實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及交流互動(dòng)情況，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)達(dá)成和實(shí)驗(yàn)技能掌握情況進(jìn)行清晰判斷。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)前結(jié)合視頻動(dòng)畫(huà)等學(xué)習(xí)資料對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行講解，鼓勵(lì)學(xué)生參與對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的討論，制定基礎(chǔ)性和探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)中充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和儀器設(shè)備，通過(guò)基礎(chǔ)性和探索性光譜實(shí)驗(yàn)操作加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的管理和改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)后增加多階段的總結(jié)思考及經(jīng)驗(yàn)交流環(huán)節(jié)，加強(qiáng)和深化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及光譜應(yīng)用的理解和探索。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的改進(jìn)和探索，可明顯提升光學(xué)專業(yè)本科生光譜技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，加強(qiáng)學(xué)生專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。