在本科理论与实践课程中引入观摩实验的探讨

成汉文+唐意红+罗谨

摘 要 文章简要介绍了本科生理论与实践课程中通过观摩DEMO（演示实验）引进原子、分子尺寸的概念对于本学生从理论上理解仪器分析中给定物质的大小和原子数的重要意义，结合国际合作课题组在DEMO方面已有的经验，指出了如何在“中级仪器分析”（双语授课）课程中帮助学生真正建立明晰的分子、原子概念，从而将理论更好地与实践相结合。

关键词 理论与实践 演示实验 教学改革

中图分类号：G642   文献标识码：A   DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.09.024

Discussion on Introducing Observation Experiment in

Undergraduate Theory and Practice Courses

CHENG Hanwen[1]， TANG Yihong[1]， LUO Jin[2]

（[1] School of Chemical and Environmental Engineering， Shanghai Institute of Technology， Shanghai 201418;

[2] State University of New York at Binghamton （Binghamton）， New York， America 13902）

Abstract This paper introduces the theory and practice of undergraduate courses introduce atomic， molecular size by observation DEMO （Demonstration Experiment） concept for the present students theoretical understanding of instrumental analysis is important given the size of the substance and the atoms， combined with international cooperation project group has experience in DEMO respect， pointing out how to help students in the "intermediate instrumental analysis" （Bilingual teaching） course really establish clear molecules， atoms concept， which will better combine theory and practice.

Key words theory and practice; demonstration experiment; teaching reform

对于本科生来说，理论与实践的教学课程有很多，而对于许多化学专业的学生而言，仪器分析类课程将理论和实践很好地结合在了一起。而在这些仪器类课程中所涉及的光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜（TEM）等显微技术如今在本科生的实验室中并不陌生。但是仍然有很多学生在学习中接触到的原子和分子尺度概念时候理解不清晰。

在上述的一系列技术中，尽管实践用仪器（如TEM）的分辨率高一些，这些技术却均不能提供原子级的分辨率。自从20世纪80年代早期G. Binnig和H. Rohrer（1986年获得诺贝尔物理学奖）发明了STM（扫描隧道显微镜），研究者们对STM仪器和应用的兴趣呈爆炸式增长，并因此在原子/分子水平上开辟了科学和工程的许多新领域。

为什么要让本科生在本科学习阶段就要观察和了解原子这样理论而又抽象的概念呢？首先，因为材料中原子或分子的存在是一个重要的化学概念。学生通常对一个已知物质中的原子大小和数目的认知感到困难。光学显微镜可以用来检查物体的细节，但是只有物体的大小大于光的波长才能被观察到，小到原子级别则无法达到可视化。其次，纳米尺度上的原子排列决定了材料的宏观性能。通常学生难以将相似元素组成的材料宏观性能与原子级的结构关联起来。

在分析化学专业的本科生课程设计中，像仪器分析课程这类理论与实践相结合的课程都是必修课程。随着各种检测技术不断更新，化学/材料类本科生也应该对仪器分析技术的发展趋势有所了解。自从纳米技术的问世，在纳米材料表面通过特定的设计实现原子/分子级别特殊排列成为研究者们追求特异纳米功能的重要途径。所以通过仪器分析的检测手段让本科生增强他们的原子、分子概念对于培养我们的本科生适应更快的科学发展尤为重要。

在“中级仪器分析”这门课程中有一章节将电化学方法中的理论知识点——库伦分析法和原子层中原子个数的计算联系了起来。如，一定的电流和时间将会在1cm2中沉积多少个铜原子？一定个数的铜原子需要多大的电流才能在一定的时间里沉积满一个单原子层/1cm2？在这一章节的学习中我们发现学生对原子水平的理解甚少，进而对这一量化计算过程感到陌生。考虑到学科发展的需要以及培养学生知识面的完整性，我们决定在“中级仪器分析”这门课程中引进表征原子尺寸的有关手段。然后，尽管在各大高校中STM和AFM等仪器已不罕见，但是此类仪器常常放置在研究中心或重点实验室供科研、创新项目使用，所以本科教学的实验中引入这类仪器的教学环节还是有一定的难度。早在2002年，美国纽约州立大学宾汉顿分校分析/材料系就有过报道，关于本科生动手做STM的检测实验进而对原子和分子概念有了较深刻、全面的理解，并且该校本科生的这一实验过程均已录制存档。考虑到我们的“中级仪器分析”课程是双语授课，（下转第137页）（上接第50页）所以我们利用该校的实验摄像和网络版动画作为教学中演示实验（DEMO）的工具。并且在DEMO观摩实验前后，我们对本科生进行了一些有关于原子、分子尺度问题的调查，来评估他们在这样的教学模式中获益的程度。在DEMO观摩实验过程中，我们给学生进行了详细的讲解，如下：

（1）DEMO（演示实验）程序。考虑到“中级仪器分析”课程是双语课，所以我们利用国际合作课题组以本科生的STM动手实验过程为素材制成的录像和网络版动画作为教学中演示实验（DEMO）的工具。在理论课程中，详细讲解DEMO的实验步骤和关键性问题。在DEMO演示过程中，使用了STM对具体的样品（如高度有序的热解石墨，HOPG）进行了成像。

（2）数据处理和讨论的额外方向及注意事项。在DEMO实验观摩过程中，学生们记录的图像实际原子分辨率各异。但是因为我们的目的是培养学生具备基本的成像概念去观摩实验，所以允许这样的差异存在。

在DEMO实验观摩过程中，学生们思考了许多有关于理论方面的原子级概念的引导性问题，让其在实验报告中阐述。例题包括：样品为什么观察到“六元环中的三个原子”这样的排列而不是“六元环中的六个原子”排列;怎么计算原子个数/平方厘米或摩尔数/平方厘米形式的表面堆积密度等等。

（3）对学生的评估。在介绍SPM讲座和观摩DEMO实验之前我们对学习过相关理论课程（仪器分析类）学生进行了内部调查，目的是为了评估DEMO实验观摩前后本科学生在学习原子尺度的概念时取得的任何进步。得到的结果是平均分低，验证了我们的最初估计：学生对原子尺度的概念了解甚少。在最后的测试中，我们设计的问题也涉及到了这些概念。我们发现通过这些练习使得学生们对原子尺度概念的感知有了显著的改善。以DEMO观摩实验的观察、测试、口头报告以及分析仪器方法特殊项目和分析化学导论课程的最终报告等作为基础，对这方面进行了进一步的研究。

总之，我们已经在理论与实践结合的中级仪器分析双语课程中引入一种新的DEMO观摩实验，使得本科生可以不进入实验室即可了解到STM。DEMO观摩实验强调晶体材料的原子尺度可视化。学生们从观摩实验中掌握了原子尺度的概念将会对他们进一步的探究性学习和实验活动有益。我们鼓励其他人也考虑将本观摩实验引进本科的理论与实践教学中来。

本文是上海应用技术学院引进人才基金项目（No：1012 0K156009-YJ2015-9）、2015年“上海高校青年教师培养资助计划”（No：1021ZK151009005-ZZyy15099）研究成果

参考文献

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