“仪器分析”课程的科普式教学及其课程思政的科学融入

邹志荣 罗虹 张姝 熊小莉

DOI：10.16246/j.issn.1673-5072.2024.04.015

收稿日期：2023-03-23  基金项目：四川师范大学教学改革项目（20210265XSZ）；四川师范大学实验室创新研究项目（KFSY2020005）

作者简介：邹志荣（1988—），男，副教授，硕士生导师，主要从事光谱分析相关研究和仪器分析教学。

通信作者：罗虹（1977—），女，副教授，主要从事光谱分析相关研究和仪器分析课程教学，E-mail： lhsicnu@163.com

引文格式：邹志荣，罗虹，张姝，等.“仪器分析”课程的科普式教学及其课程思政的科学融入［J］.西华师范大学学报（自然科学版），2024，45（4）：451-456.［ZOU Z R，LUO H，ZHANG S，et al.Science popularization teaching of instrumental analysis course and its scientific integration with curriculum ideology and politics［J］.Journal of China West Normal University （Natural Sciences），2024，45（4）：451-456.］

摘  要：本文通过科普式教学方法，将“仪器分析”课程中的重难点以及较为抽象的知识点以深入浅出、通俗易懂的模式（如动画视频、动图演示、历史溯源等方式）进行课堂教学，以期提高课堂授课效率和学生学习的热情与积极性。在进行科普式教学的过程中，适当引入仪器研发背后的故事、分析应用等方面的内容，并将爱国、吃苦耐劳、发奋图强、诚实守信等课程思政元素科学地融入其中，实现“科普式教学”与课程思政的有机结合，在教授知识的同时加强学生的思想政治教育，以期培养一批科学素养好、思想政治优秀的当代大学生。

关键词：科普式教学；仪器分析；课程思政；教学示例

中图分类号：G641；O657    文献标志码：A    文章编号：1673-5072（2024）04-0451-06

科普，即科学普及，是指通过利用各种传媒手段将自然科学和社会科学的相关知识以浅显易懂的方式进行推广普及，从而实现推广科学技术、传播科学思想、弘扬科学精神、树立科学道德的目的，以期提高全民族的科学素养和思想道德素质［1-2］。习近平总书记在全国科技创新大会上指出“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置”。国务院在《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》中提出推动设立科普专业，以加大高层次科普专门人才的培养力度。

“仪器分析”课程是“分析化学”系列课程的重要组成部分，是高等院校化学、化学工程、材料、环境科学、医药等相关专业的重要课程之一［3］。由于涉及仪器种类多、结构复杂、原理难懂等问题，在实际授课过程中往往存在“教师‘知识不好讲，学生‘内容理解难”的问题。因此，本文提出在“仪器分析”课程的授课过程中引入“科普式教学”模式，即将相对复杂难懂的知识点（如仪器结构或原理等）以深入浅出、通俗易懂的模式，通过动画视频、动图演示、历史溯源等方式呈现在课堂上，这有助于改善课堂氛围，提高学生的学习效率。同时，依托“科普式教学”模式，在教学过程中适当引入分析仪器的研发历史、分析应用等内容，根据课堂教学需要，将爱国、吃苦耐劳、发奋图强、诚实守信等课程思政内容科学地融入“仪器分析”课程中，使学生们在轻松愉快的氛围中学习并掌握相关知识，同时接受相关课程思政精神的熏陶。

1  “仪器分析”课程的科普式教学

1.1  采用科普式教学的意义

“有机化学”“无机化学”“物理化学”和“分析化学”是化学和环境科学相关专业的主要课程，统称 “四大化学”。“仪器分析”是“分析化学”系列课程的重要组成部分，主要内容涉及多种分析仪器的原理、结构和应用等。以四川师范大学化学与材料科学学院化学和环境工程两个专业的课程为例，“仪器分析”课程的授课内容可大致分为4个部分：原子光谱（原子发射光谱法、原子吸收光谱法和原子荧光光谱法）、分子光谱法（紫外-可见光谱法、红外光谱法、荧光和磷光）、色谱法（气相色谱法和高效液相色谱法）以及电化学分析方法（电位分析法、电解与库伦分析法、伏安法和极谱法等）。“仪器分析”课程的授课内容相对繁杂、枯燥、抽象、难懂，涉及的仪器种类多、范围广，在有限的时间内很难将这么多且枯燥的内容有效地传授给学生，尤其是授课方法或模式选用不当时，教学更加困难。教师授课过程中对原理或仪器结构的描述与学生脑海里的想象有一定的出入，从而导致传达和接收之间存在较大的差异。为了解决这个问题，许多优秀的教师发展出多种行而有效的教学手段，以提高学生学习“仪器分析”课程的兴趣和热情［4］。

科普式教学以科普宣传的形式辅助课堂教学，通过动画短视频、动图演示、仿真模拟［5］及其他信息化媒介将“仪器分析”课程中枯燥无味、晦涩难懂的知识点，以通俗易懂的方式传递给学生，辅以实时讲解，从而提高课堂效率和学生学习的热情与积极性。在实际授课过程中，可以对仪器研发的历史进行简要介绍（历史溯源）；可以在PPT上播放相应内容的动图或视频（动图演示或动画视频）以提高学生对授课内容的理解；可以将授课PPT、动图、视频等相关内容放在公众号、网站、教学平台、学习APP上，方便学生课后复习与自主学习。这些科普式教学手段相辅相成、相互补充。“仪器分析”课程科普式教学模式如图1所示。

1.2  科普式教学示例

在总结多年授课经验的基础上，结合科普式教学模式的初步成效，以“原子吸收光谱法”和“气相色谱法”两个单元的内容为例，分析科普式教学在“仪器分析”课程授课中的应用。

在“原子吸收光谱法”单元，通过历史溯源，辅以动图演示［6-7］，对原子吸收光谱法的发展历史进行简要介绍。用牛顿的“三棱镜分光实验”引入课堂，牛顿通过三棱镜将太阳光分成了漂亮的彩虹带，但是，当把这些彩虹带放大到一定程度的时候，就会发现这些彩虹带上存在一些暗线。那么这些暗线是怎么来的？由此引入原子吸收现象的发现与解释。这些暗线最早由Wollaston于1802年发现，随后在1817年，Fraunhofer再次发现了这些暗线并将这些暗线命名为“Fraunhofer lines”。1820年，Brewster开始尝试解释这些暗线的产生，他认为是太阳外层大气吸收了这些谱线，但是并没有给出具体的原因。直到1859年，Kirchhoff和Bunson在研究碱金属和碱土金属的火焰光谱时，发现钠蒸气发出的光通过温度较低的钠蒸气时，会引起钠光的吸收，并且根据钠发射线与某些暗线在光谱中位置相同这一事实，断定太阳连续光谱中的暗线是太阳外围大气圈中的钠原子对太阳中的钠辐射产生吸收的结果，科学地解释了原子吸收光谱的产生。从1802年（发现暗线）到1859年（科学解释），多位科学家前后历经57年的艰辛探索，终于解释清楚了暗线产生的原因。

在“气相色谱法”单元，对于气相色谱仪的分析原理和仪器结构等较为抽象、难理解的内容，课堂上可以通过“动图演示”和“动画视频”等方法，将其呈现在PPT上，辅以形象性描述和比喻，更有利于学生对知识点的掌握和理解。如所选取的动画短视频［8］中描述的一样，将气相色谱仪的分离过程比作长跑比赛（图2），将进样口比作起跑线，待测分子都是运动员，色谱柱就是跑道，检测器就是裁判员。当把待测样品注射到进样口后，液体样品瞬间汽化，并且在载气的作用下进入色谱柱，由于每个运动员的速度不一样，它们的间距会逐渐变大，达到终点（被检测器检出）的时间也就不一样。此外，还可以将色谱分离过程比作逛春熙路（成都知名的商业街），也可以达到同样的效果。老师带一组学生（待测组分）在春熙路南口（进样口）统一出发，老师对学生的要求很简单，可以在春熙路里面随便逛随便玩。当学生不想继续逛街的时候，到春熙路北口（色谱柱出口）找带队老师（检测器）报备一下即可。整个春熙路就相当于是色谱柱，春熙路的店铺就相当于是固定相，学生就是待测组分，由于每个学生喜欢的东西不一样，这就使得他们在春熙路每个店里的停留时间不一样，经过多次停留后，他们到春熙路北口的时间也就不一样，从而实现了色谱分离。此外，课堂上所涉及的相关视频和动图等内容还可以放在网站和科普公众号等平台，有助于学生课下的自主学习与复习。色谱方面的相关内容，比较推荐“色谱学堂”网站（http：//www.chromclass.com/）和公众号，该网站/公众号将色谱相关的知识点进行剖析，每个视频均以动画小视频形式呈现，且每次只介绍某一部分内容，生动形象，浅显易懂。

2  课程思政的科学融入

2.1  融入课程思政的意义

2016年，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出［9-11］，要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。2017年，国务院在《关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见》中提出要“充分发掘和运用各学科蕴含的思想政治教育资源，健全高校课堂教学管理方法”［12］。“仪器分析”课程由于涉及的仪器种类繁多、应用范围广，因此，在对“仪器分析”课程实施“科普式教学”的过程中，可以根据授课内容适当地加入部分课程思政内容，将这些课程思政内容与“科普式教学”有机地结合起来［13］。

2.2  科学融入课程思政示例

“仪器分析”课程每个单元的相关知识点大致分为3个部分：原理的发现及探索（仪器的分析原理）、仪器的研发与结构、仪器的分析应用，这3个部分均可适当地加入课程思政内容（图3）。

例如，在“原理的发现及探索”部分，可在前文提到的“原子吸收光谱法”单元引入“锲而不舍的探索精神”等课程思政内容。对于“仪器的研发与结构”部分，以“原子荧光光谱法”单元为例，也可以通过原子荧光光谱仪的发展历史进行思政元素的深入挖掘。原子荧光光谱仪是在原子吸收光谱仪的基础上发展而来，是我国具有自主知识产权的一款分析仪器。上世纪八九十年代，随着国家工业发展初期对地质勘探需求的不断提升，需要大批分析仪器进行元素分析，但是，国外的光谱分析仪器价格昂贵，鉴于当时国内的经济条件，不适合大规模采购国外的分析仪器。原子荧光光谱仪就是在这个时期得到了快速的发展，从而也奠定了我国在原子荧光光谱仪制造领域的地位［14-15］。在介绍原子荧光光谱仪发展历史的同时，可以引入科学前辈们研制仪器时“吃苦耐劳的钻研精神”等课程思政元素，提升学生的爱国情怀，结合此前国外对我国实行技术封锁、“卡脖子”等相关时事政治，可以进一步将“爱国”“自强不息”“发奋图强”等相关课程思政元素引入课堂。

再例如，在介绍“仪器的分析应用”时，可以利用案例教学法分别将工业酒精生产假酒（“气相色谱法”单元）和三聚氰胺事件（“高效液相色谱法”单元）等案例［16］引入课堂。同时，对工业酒精生产假酒和牛奶中掺入三聚氰胺的事件进行深入剖析。工业酒精与正常的粮食酿酒相比，存在成本低、时间短等优点，但是工业酒精中的甲醇含量往往超标，而喝假酒致人失明的根本原因就是摄入过量甲醇。气相色谱法是一种常用的测定白酒中甲醇含量的方法，通过气相色谱法可以较为准确地分析出白酒中各组分的含量，从而使工业酒精勾兑的白酒无所遁形。牛奶中掺入三聚氰胺的事件则是因为牛奶中蛋白质的含量一般是通过凯氏定氮法进行测量的（即通过测量牛奶中氮元素的含量，然后将含氮量通过相关系数折算为蛋白质含量），这种间接测量蛋白质的方法被不法分子钻了空子，他们在牛奶里掺水，掺水后的牛奶蛋白质含量降低，于是通过加入三聚氰胺（C3H6N6，含氮量高达66.67%，几乎无味）来提高含氮量，从而使掺水的牛奶达到“规定”的蛋白质含量标准。这种不合格的牛奶被人食用后会产生一系列的不良反应，食用这种奶粉的婴儿出现肾结石、大头娃娃等问题。通过高效液相色谱法分析可以实现对牛奶中三聚氰胺的准确检测，使这些不合格的奶粉无处藏身。当年如日中天的“三鹿”企业因为“三聚氰胺事件”一夕崩塌，此处引入“诚实守信”等课程思政内容，提高学生作为社会主义接班人的责任感和使命感，同时告诫学生们“诚实守信”的重要性：“人无信，则不立”；若失信，再强大的企业也会在瞬间土崩瓦解。

3  科普式教学与课程思政的有机结合

以科普式教学为主线，同时对仪器的发展历史、结构原理和分析应用等方面的知识进行拓展延伸，将相关课程思政内容科学地融入其中，实现科普式教学和课程思政的有机结合。为了更好地突出本文的主旨，便于理解科普式教学和课程思政的有机结合，本小节对前文所列举的几个章节内容进行了归纳总结（表1），包括示例章节所涉及的科普式教学方法、科普式教学知识点、课程思政融入点和融入的课程思政元素等几个方面内容。以“原子吸收光谱法”章节内容为例，通过动图演示［6-7］和历史溯源的科普式教学方法对原子吸收光谱法的发展历史（历史溯源）、仪器结构和工作原理等方面内容进行讲解，在介绍该章节的概述部分（仪器发展历史）时，同时融入坚持不懈、锲而不舍等课程思政元素，提高课堂教学效率和学生对知识点的理解。

4  总结与展望

“仪器分析”是化学和环境科学等相关专业的基础课程之一，需要学生们认真学习和牢固掌握。针对“仪器分析”课程授课过程中存在的困难，本文尝试通过转变教学理念，将授课课堂转变为科普讲座，将课堂上的相关重难点以科普的形式进行授课，同时适当融入爱国、吃苦耐劳、发奋图强、诚实守信等课程思政内容，实现科普式教学和课程思政的科学融合。以四川师范大学化学与材料科学学院环境工程专业为例，目前科普式教学模式已经在该专业试点实施了两届（2019级和2020级），根据学生评教结果显示，97.92%以上的学生认为整体符合学校的评价指标，部分学生反馈，科普式教学让“枯燥的课堂变得活泼有趣”，课堂上的“例子生动形象，难以忘记”。需要强调的是，科普式教学是通过借鉴科普模式，实现对“仪器分析”课程中抽象难懂的知识点进行浅显易懂的教学，以期将这些知识点以深入浅出、通俗易懂的方式呈现在课堂上，并非只是简单地对分析仪器进行科普。

不可否认的是，“仪器分析”课程的科普式教学方法、素材和课程思政案例等仍需进一步加强与完善。目前化学相关方面的科普素材仍旧比较欠缺，以“仪器分析”课程为例，每种分析仪器的原理、仪器结构、分析应用等方面均存在一定的差异，具有较强的特征性，因此，各类分析仪器均需要专有的科普素材（如动画视频、GIF动图等）。虽然“色谱学堂”网站和公众号会不定期推送一些色谱相关方面的科普素材，但是科普素材的种类毕竟有限，并不能做到面面俱到。对分子光谱（如磷光、荧光、紫外-可见光谱法等）和电化学分析（如电解与库伦分析法、伏安法和极谱法等）方面素材的发展和搜集仍旧存在较大的困难。因此，首先需要加强复合型人才的培养力度。近年来，随着科普教育的进一步推广与加强，科普受到了越来越多的重视，但是专业性的科普素材仍旧相对欠缺，需要更多的交叉复合型人才（既懂相关化学知识又会动画视频制作）加入到科普素材的开发和制作中来。其次，科普式教学方法和模式也需进一步加强和深入探讨。可将虚拟仿真等技术引入“仪器分析”课程的教学中来，通过虚拟仿真技术让学生对分析仪器的原理、仪器结构、分析应用等方面有更为深入的理解和认识。第三，加强学生主观能动性，让学生参与到科普式教学中来。可以以小组为单位，布置课后作业，请学生们以PPT动图、GIF动图、视频等方式，将已学的知识呈现出来，这样既可以考察和巩固已学知识，也可以提升学生课外制作PPT和视频的动手能力。这些视频和动图后期也可以用于各类科普比赛，一举多得。对于课程思政案例方面，需要任课教师在课前认真打磨教学课件，深入挖掘各类分析仪器的发展历史、仪器结构和分析应用等各个方面内容，综合各类时事政治（如卡脖子技术等）和已有的各类食品安全、环境保护等方面的案例，在进行科普式教学的同时，将课程思政内容科学地融入其中，使学生们在学习的过程中也能接受到思想政治的熏陶，实现科普式教学与课程思政的有机结合。

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Science Popularization Teaching of Instrumental Analysis Course andIts Scientific Integration with Curriculum Ideology and Politics

ZOU Zhi-rong，LUO Hong，ZHANG Shu，XIONG Xiao-li

（College of Chemistry and Material Science，Sichuan Normal University，Chengdu Sichuan 610068，China）

Abstract：In this paper，the important points，difficult points，and comparatively abstract knowledge points of Instrumental Analysis course are taught in a simple and easy to understand mode through a science popularization teaching method in order to improve the efficiency of classroom teaching and students enthusiasm for learning，including ways like animated video，GIF presentation，historical sourcing and so on.Meanwhile，the stories behind the instrumental research and development as well as its analytical applications could be introduced into the process of science popularization teaching，and the ideological and political elements of patriotism，hardworking，resolution to success，honesty and trustworthiness should also be covered so as to realize the scientific integration of science popularzation teaching and Course Ideology and Politics，strengthen the ideological and political education of students，and cultivate a group of contemporary students with good scientific literacy and excellent ideological and political quality.

Keywords：science popularzation teaching；Instrumental Analysis；Curriculum Ideology and Politics；teaching examples