问题驱动教学法在“仪器分析”课程教学中的应用

夏莉++雷存喜++聂伟安

【摘要】“仪器分析”是相关专业一门兼具理论性和实用性的核心专业课。通过采用问题驱动教学法，以一些生活问题和科研问题为起点，引出教学内容并指导教学设计，提高学生的学习兴趣和学习主动性，提升学生在教学过程中的参与程度，实际应用效果表明，问题驱动教学法的引入有助于提高“仪器分析”课程的教学质量，改善教学效果。

【关键词】问题驱动教学法  仪器分析  教学改革

【中图分类号】G642                              【文献标识码】A      【文章编号】2095-3089（2016）11-0131-02

一、引言

“仪器分析”是分析化学、化学工程与工艺、环境工程等化学类专业的核心专业课程之一，该课程的主要任务是依据物质的物理及化学性质，采用比较复杂和特殊的仪器设备获取分析数据，鉴定物质的化学组成、测定有关成分的含量。通过本课程的学习，学生能够掌握常用仪器分析方法和设备，并初步具有运用所学方法和工具解决相应生产实际和科学研究问题的能力[1]。“仪器分析”课程的教学内容包括光谱分析法中的原子吸收光谱法、紫外可见分光光度法、红外吸收光谱法、核磁共振光谱法和质谱法，色谱分析法中的高效液相色谱法和气相色谱法，电化学分析中的电位分析法等。该课程的理论性与实践性均较强，一方面学生需要掌握常用分析仪器的基本原理和构造，另一方面还需要熟悉常用仪器的操作和使用。为了达到更好的教学效果，很多教师在“仪器分析”课程的教学与改革中开展了一系列研究和探索工作[2-4]。

问题驱动教学法（Problem-Based Learning， PBL）由前苏联教育家马赫穆托夫等人提出，是一种以学生为主体，以实际生活及专业领域内的各种问题作为学习起点，以问题为中心规划学习内容，让学生围绕问题探求相应的解决方案的一种学习方法[5]。教师在整个过程中扮演问题的提出者、问题解决思路的设计者以及结果的评估者。

在“仪器分析”教学过程中，通过采用问题驱动教学法，以现实生活以及科学研究中面临的一些具体问题作为出发点，让学生围绕问题探寻解决方案，进而引出对应的教学内容，以问题为中心讲解相关知识点，充分调动了学生的学习积极性和主动性，提高学生在教学过程中的参与度。

二、问题驱动教学法的应用

在“仪器分析”课程的教学实践中，通过引入问题驱动教学法，采用提出问题、分析问题、解决问题、结果评价的教学流程，精心设计导入教学内容的问题。以问题作为出发点，引出教学内容，再详细讲解相关知识，最后回到问题本身，用所学知识解决问题，做到前后呼应，学以致用。在问题设计的过程中，遵循目标明确、难度适中、由浅入深、面向全体学生的基本原则，激发学生的求知欲，让学生主动参与教学过程，真正做到教学相长。在教学中，根据“仪器分析”课程的特点，将问题分为生活实际问题和科学研究问题两大类，不同类型的教学内容围绕不同的问题开展教学活动。

1.以生活问题引出教学内容

“仪器分析”课程的教学内容涉及到不少与人们生活息息相关的问题，包括夏日防晒、食品安全等，还有一些问题是一些生活常识问题，例如颜色的产生等。下面以两个实例来说明在“仪器分析”教学中如何通过生活实际问题开展教学活动。

（1）颜色的奥秘——物质的分子吸收光谱

问题一：大千世界五彩缤纷，为什么不同的物质会呈现不同的颜色？

学生首先针对该问题开展讨论，对学生讨论的结果进行分析，引出物质与光的相互作用，包括光的反射和光的吸收。不透明的物体的颜色是由它反射的色光所决定的，而透明物体的颜色是由它吸收的色光所决定的。以高锰酸钾溶液为例，探寻高锰酸钾溶液呈现紫红色的原因，引出物质分子对光的吸收。

问题二：为什么高锰酸钾溶液是紫红色？

高锰酸钾溶液呈紫红色，因为它吸收绿光，而硫酸铜溶液呈蓝色，因为它吸收黄色光，并得出一个结论，物质的颜色是它所吸收光的互补色。

问题三：透明物体呈现颜色的基本原理是什么？

以物质颜色这一问题为入口，进一步从分子层面对透明物体颜色产生的原因进行分析，由于分子的结构和电子排布方式的不同，导致分子发生跃迁时所需的能量不同，因此分子所吸收的光的波长不同，不同的物质即呈现不同的颜色。在问题分析过程中，从分子的能级、分子能级的跃迁等方面详细讲解物质分子对光的吸收，阐述分子吸收光谱的基本原理，再由可见光的吸收扩展到紫外吸收光谱，并介绍紫外及可见光分光光度计的原理和结构。

（2）防晒霜与物质的紫外吸收

问题一：炎炎夏日，烈日当头，大家如何防晒？

学生先针对防晒方法开展讨论，然后分析汇总结果。所得结论，防晒的原理主要有两类：一是利用伞或防晒霜中的紫外线屏蔽剂反射紫外线，属于物理防晒;二是利用防晒霜中某些物质（紫外吸收剂）对紫外线的吸收，而避免紫外线对皮肤的伤害，属于化学防晒。

问题二：紫外线吸收剂为什么会吸收紫外线？

在教学中，可以先复习物质吸收光的本质，大多数状态下，物质分子处于能量较低的稳定状态（基态），分子吸收能量时，可以从基态跃迁到能量较高的激发态。当某波长的光照过来，如果此光所带的能量恰好等于分子某两个能级之间的能量差时，物质分子就能吸收此波长的光，从某一低能态跃迁到高能态。通过计算，紫外光能引起物质分子发生价电子的跃迁。紫外线吸收剂是一种光稳定剂，能吸收阳光及荧光光源中的紫外线部分波长的光（波长为200-400nm），而本身又不发生变化。

问题三：是不是所有发生价电子的跃迁的分子都可以吸收紫外线呢？什么样物质才能充当紫外线吸收剂？

从有机分子价电子跃迁的形式开始分析，复习价电子的类型以及价电子的跃迁的两种类型，根据不同价电子跃迁所需能量可得到结论：只有π→π*和n→π*两种跃迁类型在紫外光区内，吸收紫外光的物质必须具有π电子。因此，并不是所有物质都有紫外吸收，只有分子中有不饱和键即π电子的物质具有紫外吸收。例如不饱和烃及芳香烃以及它们的衍生物。我国《化妆品卫生规范》规定防晒化妆品中可以使用24种紫外线吸收剂，例如水杨酸酯类、苯酮类、苯并三唑类、取代丙烯腈类、三嗪类等都具有不饱和键和杂原子。

2.以科研问题引出教学内容

很多分析方法和分析仪器都诞生于科研活动，因此，在“仪器分析”的教学过程中，合理通过一些科研问题驱动教学工作的开展有助于学生深入理解相应分析方法和分析仪器的原理和应用。下面同样以两个实例进行说明。

（1） 色素引发的革命——液相色谱分离原理

问题一：为什么同一片树叶在不同的季节会呈现不同的颜色？

通过该问题引出俄国植物学家茨维特（M.Tswett）在1906年做的经典实验，将植物叶子中提取出的色素混合物通过装填有吸附剂碳酸钙的柱子，然后在柱子上端源源不断的加石油醚冲洗，逐步看到色带展开，出现不同颜色，最后各色素以不同的速率流动后形成不同的色带而被分开。通过这一问题学生了解色谱分离法的诞生和得名，进一步解释色谱中的固定相和流动相的概念以及色谱的分离原理。

问题二：为什么不同的色素会被分开？

在教学中，学生先自主思考该问题，再解释色素的分离原理。在柱内填充CaCO3，其吸附作用使色素在柱中停滞下来，称之为吸附能力;同时，由于被石油醚流动并溶解，使色素向下移动，称之为溶解能力。由于不同的色素结构不同，它们的吸附能力和溶解能力也不相同，因此色素在柱中流动的速度不同，最后吸附能力弱的组分先流出，吸附能力强的组分后流出。通过该问题对色谱的分离原理进行深入的讲解，其基本流程为：由于结构性质差异，导致作用力大小不同，进而通过色谱柱所需时间不同，最终实现色谱分离。

（2）中药的“亲子鉴定”——中药指纹图谱技术

问题一：如何评价中药质量的好坏？

通过几则假冒伪劣中药的新闻提出问题，思考能不能利用所学的色谱知识设计一个鉴定中药材质量优劣的方案，进而引出中药指纹图谱技术，即中药化学成分色谱指纹图谱。该技术借助高效液相色谱技术，将复杂的化学成分进行分离而形成高低不同的峰，这些峰组成一张色谱图，可利用这些色谱峰的高度和峰面积对组分进行定性和定量分析。中药指纹图谱技术是高效液相色谱法的重要应用之一，该技术的引入使整体性控制中药质量的方法学和实际

问题二：样品的指纹图谱跟谁对比？

基于问题一的分析，马上引出另一个问题，跟谁比？以该问题为入口向学生介绍标准指纹图谱的建立流程，包括样品的收集、色谱方法的建立、对照指纹图谱的产生和指纹图谱的评价，通过这些步骤，可以得到中药材的标准指纹图谱，然后用某样品跟其进行相似度评价，可以借助计算机软件“中药指纹图谱计算机辅助相似度评价软件”进行相似度计算和比较，一般情况下相似度在0.9-1.0之间即认为符合要求。通过详细的分析和讲解，回答了对应的问题，学生在探寻问题答案的过程中也学到了相应的知识，掌握如何使用中药指纹图谱技术鉴定中医药的质量好坏。

三、结语

“仪器分析”是一门理论性和应用型都很强的专业核心课，通过引入问题驱动教学法，以一系列逐步深入的生活实际问题和科学研究问题驱动教学，可以极大提高学生的学习兴趣，让学生积极思考、主动学习，更好地理解和掌握所学知识。

教学实践结果表明，问题驱动教学法让学生主动参与教学过程，有助于学生理解和掌握“仪器分析”课程的核心内容，能够有效改进教学质量和教学效果。

参考文献

[1] 朱明华，胡坪. 仪器分析（第4版）[M]. 北京： 高等教育出版社，2009.

[2] 陈浩，李庆，李胜清，等. 仪器分析课程教学改革与实践[J]. 大学化学，2006，21（3）： 20-22.

[3] 刘英菊，陈实，熊亚红，等. 仪器分析教学改革初探[J]. 广东化工，2008，35（7）：168-170.

[4] 徐小娜，蒋军辉，杨慧仙，等. 仪器分析教学中任务驱动式教学法的应用[J]. 基础医学教育，2012，14（3）：189-191.

[5] 陈跃新，刘越. 质疑与创新-问题驱动教学模式研究[J]. 计算机工程与科学，2006，28（s1）：81-83.