分光光度法測鐵實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的探索與實(shí)踐

周磊 杜登學(xué)

摘 要：文章作者對鄰二氮雜菲分光光度法測鐵實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題進(jìn)行了分析，結(jié)合學(xué)校實(shí)際教學(xué)條件和要求，在教學(xué)方法上采取了針對性改進(jìn)措施。通過采用分段式教學(xué)、建立工作曲線模板、利用線性回歸曲線獲得待測組分含量等方法的聯(lián)合應(yīng)用，提高了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：分光光度法;實(shí)驗(yàn)教學(xué);方法改進(jìn)

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，有一類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是利用分光光度法測定組分含量，鐵是常見的被測組分，鄰二氮雜菲是測鐵的常用顯色劑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和要求的不同，鄰二氮雜菲分光光度法測鐵實(shí)驗(yàn)基本上分為兩種類型：基本型（學(xué)時(shí)較少）和綜合設(shè)計(jì)提高型（學(xué)時(shí)較多）。針對該實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究報(bào)道，大多集中在實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化選擇及綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究等方面，而對基本型實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)方法的改進(jìn)挖掘方面報(bào)道較少。本文以齊魯工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“我校”）針對大一學(xué)生開設(shè)的基本型實(shí)驗(yàn)“鄰二氮雜菲分光光度法測鐵”為例，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的一些具體問題，對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和深入思考，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案并付諸實(shí)踐。

一、實(shí)驗(yàn)原理簡介和常規(guī)教學(xué)方法

本實(shí)驗(yàn)基本原理：分光光度法定量測定組分含量的依據(jù)是朗伯-比爾定律（Lambert-Beer law）。實(shí)驗(yàn)過程簡介：先配制一系列已知準(zhǔn)確濃度（C）的鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液（標(biāo)準(zhǔn)系列），在給定條件下，用分光光度計(jì)測定標(biāo)準(zhǔn)系列所對應(yīng)的吸光度值（A）;然后以A為縱坐標(biāo)，以C為橫坐標(biāo)，即可繪制出A～C工作曲線（標(biāo)準(zhǔn)曲線），理論上A～C曲線應(yīng)為一條直線（線性相關(guān)系數(shù)R=1）;在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，測定待測溶液的吸光度Ax， 用工作曲線法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可獲得待測溶液中的鐵含量Cx。

任課教師指導(dǎo)鄰二氮雜菲分光光度法測鐵實(shí)驗(yàn)時(shí)，采取的常規(guī)教學(xué)方法往往是：教師先行講解（介紹實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)以及分光光度計(jì)的使用等），然后學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分組開展實(shí)驗(yàn)。因光度計(jì)數(shù)量有限，一般2～3人一組，每班約20組輪流使用分光光度計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，學(xué)生獲得吸光度原始數(shù)據(jù)后離開實(shí)驗(yàn)室，課后各自獨(dú)立處理原始數(shù)據(jù)，繪制工作曲線并給出待測組分含量，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并交給指導(dǎo)老師批閱。

二、常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法中存在的問題

教師在指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和批閱報(bào)告時(shí)，發(fā)現(xiàn)上述教學(xué)方法存在一些弊端和不足，主要表現(xiàn)為以下三點(diǎn)：

（1）部分學(xué)生聽課效率不高，對所用主要儀器分光光度計(jì)的使用方法的部分要點(diǎn)經(jīng)常遺忘。這是因?yàn)椋緦?shí)驗(yàn)涉及的內(nèi)容較多，教師講解的時(shí)間較長，學(xué)生注意力易分散。另外，學(xué)生是第一次使用分光光度計(jì)，有些學(xué)生聽完教師的講解，再配制好標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，等到開始使用光度計(jì)時(shí)，已經(jīng)忘記了前面指導(dǎo)教師講過的儀器的正確使用方法。出現(xiàn)這種“部分忘卻”的情況也實(shí)屬正常，因?yàn)檫@符合著名的如圖1所示的“艾賓浩斯遺忘曲線（Ebbinghaus Forgetting Curve）”。但造成的后果就是教師不得不再次強(qiáng)調(diào)和重復(fù)講解，明顯影響了實(shí)驗(yàn)效率，增加了教師的工作量。

（2）學(xué)生在課堂實(shí)驗(yàn)中，對所得工作曲線的線性好壞不易做到心中有數(shù)。因?yàn)檎n堂時(shí)間比較寶貴，一般來說，實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，學(xué)生才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制工作曲線。若工作曲線線性欠佳，會(huì)導(dǎo)致未知液測定結(jié)果也會(huì)不準(zhǔn)確，但由于學(xué)生已經(jīng)離開了實(shí)驗(yàn)室而無法補(bǔ)救，這樣就不能達(dá)成實(shí)驗(yàn)的既定目標(biāo)。為了避免工作曲線線性欠佳，個(gè)別學(xué)生甚至?xí)拔⒄{(diào)”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對這種嚴(yán)重違反實(shí)事求是原則的情況，教師一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，都需要對學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)肅教育并督促其改正。

（3）同一組原始數(shù)據(jù)，不同學(xué)生繪制出的工作曲線不盡相同，得到的測定結(jié)果也有較大差別，不具有唯一性。由于分組實(shí)驗(yàn)的緣故，同組的2～3位學(xué)生共用同一組原始數(shù)據(jù)，但在利用這些數(shù)據(jù)繪制工作曲線時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)誤差是客觀存在的，所以這些數(shù)據(jù)所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)不可能全都恰好落在工作曲線這條直線上。實(shí)際情況是，有些實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位于工作曲線的上方，有些則位于工作曲線的下方，而有一些可能剛好落在工作曲線上。不同的學(xué)生在利用坐標(biāo)紙繪圖時(shí)，因?yàn)檫x擇實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的分布情況以及作圖技巧等因素的影響，導(dǎo)致即使是同一組數(shù)據(jù)，同組學(xué)生繪制出來的工作曲線也各不相同。這樣一來，利用所繪曲線得到的未知液測定結(jié)果就有差異，而這種差異實(shí)際上是由于繪圖不當(dāng)造成的。

三、改進(jìn)教學(xué)方法

（一）采用分段式講解，提高學(xué)習(xí)效率

在學(xué)生預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)教師先介紹實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟，并對注意事項(xiàng)重點(diǎn)講解，在講授過程中適時(shí)提問以集中學(xué)生注意力，時(shí)間控制在不超過25分鐘。因?yàn)檠芯堪l(fā)現(xiàn)大腦集中精力的時(shí)間最多只有25分鐘，對成年人而言，學(xué)習(xí)20～30分鐘后休息10分鐘，效果較佳。教師講解完上述內(nèi)容后，學(xué)生立即開始實(shí)驗(yàn)。當(dāng)某個(gè)小組的學(xué)生率先完成鐵標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的配制時(shí)，其他各組學(xué)生也已接近完成溶液的配制。此時(shí)教師再把學(xué)生召集起來專門介紹分光光度計(jì)的使用，講完后對重點(diǎn)步驟再強(qiáng)調(diào)一遍以加深印象。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，這段時(shí)間一般不會(huì)超過20分鐘，大腦仍處于精力集中的時(shí)間范圍內(nèi)。由于2～3人一組，學(xué)生之間還可以互相補(bǔ)漏提醒，所以以組為單位的整體記憶效果更佳。實(shí)踐結(jié)果也表明各組學(xué)生能夠順利掌握儀器的使用，不但提高了實(shí)驗(yàn)效率，也避免了指導(dǎo)教師反復(fù)講解，減輕了教師的工作量。

（二）利用工作曲線模板當(dāng)場驗(yàn)證其線性好壞

針對上述第二個(gè)問題的解決辦法是：實(shí)驗(yàn)室配備計(jì)算機(jī)，教師用 Excel軟件繪制出工作曲線模板，供學(xué)生現(xiàn)場核對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性好壞。以我校開設(shè)的實(shí)驗(yàn)為例，工作曲線模板如圖2所示。圖2中的方程是工作曲線的線性回歸方程，y是吸光度，x是鐵的濃度。R是線性相關(guān)系數(shù)，其值越接近于1，說明工作曲線的線性愈優(yōu)。教師可以設(shè)置一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為合格的標(biāo)準(zhǔn)，比如要求R2>0.995，否則要求其分析原因并補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)，直至達(dá)標(biāo)方可離開實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生測完溶液后，即可用所得的吸光度原始數(shù)據(jù)替換工作曲線模板里的相應(yīng)數(shù)據(jù)，模板即自動(dòng)生成新的對應(yīng)工作曲線。這樣一來，學(xué)生就能夠清楚、直觀地看到所得工作曲線的線性好壞，個(gè)別線性欠佳的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)也能一目了然地得以發(fā)現(xiàn)。對于欠佳的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，要求學(xué)生重新測量對應(yīng)溶液的吸光度或重新配制該份溶液，甚至重配各個(gè)點(diǎn)所對應(yīng)的系列溶液，直至達(dá)標(biāo)。這種建立模板當(dāng)場驗(yàn)證的教學(xué)方法，既避免了個(gè)別學(xué)生蒙混過關(guān)，也能讓“線性極佳”的學(xué)生有滿滿的成就感，起到了激勵(lì)的效果，還讓實(shí)驗(yàn)更有趣味，一定程度上提高了學(xué)生參加課堂實(shí)驗(yàn)的積極性。

（三）利用線性回歸曲線法計(jì)算待測組分含量，可有效提高準(zhǔn)確度

利用最小二乘法，同一組原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所對應(yīng)的線性回歸曲線必定是唯一的，同時(shí)也是誤差最小的，由線性回歸曲線法得到的待測組分含量也必然是唯一確定值，因而提高了測定結(jié)果的準(zhǔn)確度。同時(shí)也讓學(xué)生認(rèn)識到實(shí)驗(yàn)不但要準(zhǔn)確地測量，正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理同樣至關(guān)重要。本實(shí)驗(yàn)中為了避免前面提到的同一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出不同的工作曲線和測定結(jié)果，采取的改進(jìn)方法是要求學(xué)生把工作曲線繪制成線性回歸曲線，給出線性回歸方程和R2值。據(jù)了解，本校大一學(xué)生每人都有智能手機(jī)，但只有部分學(xué)生擁有計(jì)算機(jī)。寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告繪制工作曲線時(shí)，考慮到學(xué)生經(jīng)濟(jì)條件不同可以適當(dāng)靈活處理，計(jì)算機(jī)繪圖和坐標(biāo)紙繪圖可以二選一，這也體現(xiàn)了以學(xué)生為本和彈性要求的原則。其中采用坐標(biāo)紙描點(diǎn)繪圖的學(xué)生，允許其參考在實(shí)驗(yàn)室里用手機(jī)拍下的線性回歸方程，并提示學(xué)生按照線性回歸曲線的特點(diǎn)，工作曲線必過坐標(biāo)點(diǎn)（），其中，分別表示x的平均值和y的平均值。

四、結(jié)語

針對“分光光度法測鐵”實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的三個(gè)問題，分別進(jìn)行了有針對性的改進(jìn)：

（1）部分學(xué)生聽課效率較低，對所用主要儀器分光光度計(jì)的使用記憶不夠牢固。教師采取分段式講解的辦法，能夠克服上述困難，有效減輕師生的負(fù)擔(dān)。

（2）學(xué)生在課堂實(shí)驗(yàn)中，對所得工作曲線的線性好壞難以做到心中有數(shù)。解決辦法是，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配備1～2臺計(jì)算機(jī)，教師提前用Excel軟件繪制出工作曲線模板，學(xué)生即可現(xiàn)場隨時(shí)核對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性好壞。

（3）同一組原始數(shù)據(jù)，不同學(xué)生繪制出的工作曲線不盡相同，得到的測定結(jié)果有較大差別。解決方法是，利用最小二乘法的原理，采取線性回歸曲線法作圖，則測量結(jié)果具有唯一性，誤差最小，測定準(zhǔn)確度得以提高。

我校鄰二氮雜菲分光光度法測鐵實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法經(jīng)過上述改進(jìn)后，教學(xué)效果明顯提高。本教學(xué)改進(jìn)方案對其他與光度法測鐵原理類似的教學(xué)實(shí)驗(yàn)也有一定的啟發(fā)和借鑒意義。

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