蔣童童，周 勝

(安徽大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥230601)

在當今科技時代，世界各國的競爭突出體現(xiàn)在人才的競爭。培養(yǎng)創(chuàng)新型、科研型人才成為高等學校教學的重要目的。傳統(tǒng)的教學方式已經滿足不了現(xiàn)代教育變革大環(huán)境的需求，教學改革迫在眉睫[1-3]。2019 年9 月29 日，針對本科教育改革問題，教育部提出了一系列提高人才培養(yǎng)質量的意見。明確提出教師要將科研中的新成果帶進教學中，加強對學生科研活動的指導，在科研環(huán)境中鍛煉學生，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提高學生的實踐能力。由此，足以見得創(chuàng)新、科研能力是社會對新時代人才培養(yǎng)的新要求。

材料物理實驗是材料物理專業(yè)的必修課，該課程主要以培養(yǎng)學生實驗技術以及鍛煉學生動手能力為目的。為了培養(yǎng)符合社會需要的實用型人才，對學生溝通合作能力、科研思維以及自主能力的培養(yǎng)應該作為實驗教學中的重要內容。因此，實驗教學設計過程需要將學習實驗手段和解決科研問題相結合。在實驗設計中，教師可以滲入學科前沿問題，設置多個問題情境，引導學生利用前人的研究成果，通過討論分析，靈活變通地自主解決問題。通過“實戰(zhàn)演習”的方式，幫助學生開發(fā)創(chuàng)新思維，拓寬視野，從而使學生能夠適應畢業(yè)后將面臨的角色轉變問題，從容面對競爭。本文主要探討分光光度法的實驗教學設計中，如何向學生提出探索性問題，引導學生學會自己分析問題，解決問題。

1 實驗內容和原理

1.1 實驗目的

1.學習分光光度法，了解朗伯-比爾定律及其適用條件，掌握紫外可見分光光度計的使用方法。

2.探索如何利用已知濃度的羅丹明6G水溶液，得出未知羅丹明6G 水溶液的濃度。引導學生靈活應用已學的知識和技能，獨立設計，得出結果。

1.2 實驗內容與實驗原理

1.2.1 分光光度法

分光光度法即是根據(jù)被測物體的吸收光譜，依據(jù)光的吸收定律，對被測材料進行定性以及定量分析的方法。當一束光（入射光的強度為I0）照射到某種物質（通常為溶液）上時，和該材料發(fā)生作用，能量從光子轉移給該材料，材料從基態(tài)轉變成激發(fā)態(tài)，整個過程表現(xiàn)為該物質對光的吸收（吸收光的強度為Ia）[4，5]。物質吸收了某種顏色的光，而呈現(xiàn)出吸收光的互補色，即為材料的選擇性吸收。設透射光的強度為It，透光率的負對數(shù)即為吸光度A，滿足

不同濃度的同一物質溶液表現(xiàn)出基本一致的吸收光譜形狀，但是吸收峰的強度不同，隨著濃度逐漸增大，峰高不斷增加。

1.2.2 朗伯-比爾定律

其中b 是光通過樣品的光程（cm），c 是物質的量濃度（mol·L-1），ε 是摩爾吸收系數(shù)（L·mol-1·cm-1）。朗伯-比爾定律適用的條件有3 個要點：均勻介質、低濃度和單色光。當溶液濃度過高時，被測物質粒子與粒子之間的相互作用較強，不可忽略，朗伯-比爾定律得出的線性關系將會被破壞。

1.2.3 紫外可見分光光度計的原理

紫外可見分光光度計的光源為鎢燈（340nm-1500nm），在可見光區(qū)具有連續(xù)光譜。光譜通過單色器轉變成一系列的單色光，經過出射狹縫選擇出特定波長的單色光。將待測溶液和參比溶液分別倒在兩個完全相同的吸收池中，單色光穿過吸收池，透射光被光電探測器收集，光信號轉換成電信號。最后，通過計算機將電信號顯示出來。

1.2.4 提出科學問題

發(fā)給學生紫外可見分光光度計使用指南，另外，提供一瓶已知濃度的羅丹明6G 水溶液（600 mg·L-1），要求學生測量一瓶未知羅丹明6G 水溶液的濃度。

1.3 教學過程分析

培養(yǎng)學生的自主學習能力：探索未知，是人類一生的課題，有助其在探索未知事物時進行自主思考分析。不同于傳統(tǒng)的實驗教學，我們在介紹完實驗原理之后，不演示儀器操作步驟，而是將操作步驟說明書發(fā)給學生，讓學生自行閱讀，進行操作，培養(yǎng)學生的自主學習能力。通過鼓勵學生自主閱讀，付諸行動，不僅能夠加強學生對儀器操作步驟的印象，而且能引導他們在實踐中形成勇于探索、敢于嘗試的精神。

在學生掌握儀器操作步驟以后，通過設置問題情境，逐步引導啟發(fā)，設計和開展測試未知羅丹明6G溶液濃度的實驗，如圖1，訓練學生的科學思維。

圖1 測未知溶液濃度的路線圖

1.分析問題。在實驗過程中大多數(shù)同學都會想到，分別測試已知濃度的羅丹明6G 水溶液和待測羅丹明6G 水溶液的吸光度，比較兩者的強度。教師可對學生提出疑問：“吸光度是不是一定和濃度成正比？”并給學生留適當?shù)乃伎紩r間，圍繞該問題開展討論交流，與他人交換意見，交流心得，才更有可能取得長足的發(fā)展。

2.理論知識回顧。教師觀察各小組的討論進展，給出提示：“在講授課程中我們已經給出了解決問題的關鍵知識點，朗伯-比爾定律的適用條件中包含了3 點有效信息：均勻介質；低濃度；單色光。首先羅丹明6G 易溶于水，其水溶液是均勻介質；其次根據(jù)紫外可見分光光度計的原理，可以近似認為照射樣品的光是單色光。還有一條是低濃度，已知濃度的羅丹明6G和未知濃度的羅丹明6G水溶液屬于低濃度嗎？”理論知識回顧的過程主要是考驗學生對理論知識的掌握。

3.理論指導實踐。針對思路不清晰的同學，進一步給出提示：“我們不需要知道具體低濃度的標準，需要找出的是朗伯-比爾定律線性關系?！?/p>

學生將已知濃度的羅丹明6G 水溶液按一定比例稀釋成幾種不同的濃度如1.25mg·L-1、2.5mg·L-1、5mg·L-1、10mg·L-1、20mg·L-1、40mg·L-1等，根據(jù)羅丹明6G 的吸收光譜選擇合適的光譜掃描范圍（400nm-650nm），測試溶液的吸光度。制作吸光度隨著溶液濃度變化曲線圖，找出濃度和吸光度呈線性關系的區(qū)域，如圖2所示。

4.靈活變通地解決問題，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維。我們給學生的未知溶液也是高濃度的，當學生發(fā)現(xiàn)未知溶液的濃度不在線性區(qū)域內后，我們再引導他們進行討論，通過觀察學生討論情況，進一步引導：“我們只能測試在線性區(qū)域內的樣品濃度，可不可以將未知濃度的羅丹明6G 水溶液按照一定比例稀釋。測試得出稀釋后的未知濃度羅丹明6G 水溶液的吸光度，然后在線性圖中找出吸光度對應的溶液濃度，最后根據(jù)稀釋比例反推得出未知羅丹明6G水溶液的濃度?！?/p>

圖2 a.不同濃度的羅丹明6G水溶液的吸收光譜；b.羅丹明6G水溶液的吸光度和濃度的關系圖

2 結 論

在本次實驗教學過程中，首先向學生傳遞理論知識，講授分光光度法，朗伯-比爾定律，介紹紫外可見分光光度計的原理。再給學生設定科研情境。利用已知濃度的羅丹明6G 水溶液探測未知羅丹明6G 水溶液的濃度。實驗中通過逐步給予學生提示的方式，引導學生分析問題、解決問題，使學生能在實踐中體會科研過程，了解設計解決問題的整個思路。創(chuàng)設多重問題情境，可以培養(yǎng)鍛煉學生的邏輯思維，加深學生對相關理論知識點和物理實驗技能的掌握。

在實驗教學過程中，實驗基本方法和技能掌握是基礎，培養(yǎng)學生的溝通合作、創(chuàng)新意識、科研態(tài)度是重點。在分光光度法測未知溶液濃度的實驗中，為學生提供自主學習的空間，賦予課堂新的活力。設置多重問題情境，搭建多層思維平臺，逐步引導學生自主思索，適時溝通交流，探究解決問題的方法，提升了學生的創(chuàng)新意識、科研思維。