“儀器分析”課程的科普式教學及其課程思政的科學融入

鄒志榮 羅虹 張姝 熊小莉

DOI：10.16246/j.issn.1673-5072.2024.04.015

收稿日期：2023-03-23? 基金項目：四川師范大學教學改革項目（20210265XSZ）；四川師范大學實驗室創新研究項目（KFSY2020005）

作者簡介：鄒志榮（1988—），男，副教授，碩士生導師，主要從事光譜分析相關研究和儀器分析教學。

通信作者：羅虹（1977—），女，副教授，主要從事光譜分析相關研究和儀器分析課程教學，E-mail： lhsicnu@163.com

引文格式：鄒志榮，羅虹，張姝，等.“儀器分析”課程的科普式教學及其課程思政的科學融入［J］.西華師范大學學報（自然科學版），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：本文通過科普式教學方法，將“儀器分析”課程中的重難點以及較為抽象的知識點以深入淺出、通俗易懂的模式（如動畫視頻、動圖演示、歷史溯源等方式）進行課堂教學，以期提高課堂授課效率和學生學習的熱情與積極性。在進行科普式教學的過程中，適當引入儀器研發背后的故事、分析應用等方面的內容，并將愛國、吃苦耐勞、發奮圖強、誠實守信等課程思政元素科學地融入其中，實現“科普式教學”與課程思政的有機結合，在教授知識的同時加強學生的思想政治教育，以期培養一批科學素養好、思想政治優秀的當代大學生。

關鍵詞：科普式教學；儀器分析；課程思政；教學示例

中圖分類號：G641；O657??? 文獻標志碼：A??? 文章編號：1673-5072（2024）04-0451-06

科普，即科學普及，是指通過利用各種傳媒手段將自然科學和社會科學的相關知識以淺顯易懂的方式進行推廣普及，從而實現推廣科學技術、傳播科學思想、弘揚科學精神、樹立科學道德的目的，以期提高全民族的科學素養和思想道德素質［1-2］。習近平總書記在全國科技創新大會上指出“科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，要把科學普及放在與科技創新同等重要的位置”。國務院在《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》中提出推動設立科普專業，以加大高層次科普專門人才的培養力度。

“儀器分析”課程是“分析化學”系列課程的重要組成部分，是高等院校化學、化學工程、材料、環境科學、醫藥等相關專業的重要課程之一［3］。由于涉及儀器種類多、結構復雜、原理難懂等問題，在實際授課過程中往往存在“教師‘知識不好講，學生‘內容理解難”的問題。因此，本文提出在“儀器分析”課程的授課過程中引入“科普式教學”模式，即將相對復雜難懂的知識點（如儀器結構或原理等）以深入淺出、通俗易懂的模式，通過動畫視頻、動圖演示、歷史溯源等方式呈現在課堂上，這有助于改善課堂氛圍，提高學生的學習效率。同時，依托“科普式教學”模式，在教學過程中適當引入分析儀器的研發歷史、分析應用等內容，根據課堂教學需要，將愛國、吃苦耐勞、發奮圖強、誠實守信等課程思政內容科學地融入“儀器分析”課程中，使學生們在輕松愉快的氛圍中學習并掌握相關知識，同時接受相關課程思政精神的熏陶。

1? “儀器分析”課程的科普式教學

1.1? 采用科普式教學的意義

“有機化學”“無機化學”“物理化學”和“分析化學”是化學和環境科學相關專業的主要課程，統稱 “四大化學”。“儀器分析”是“分析化學”系列課程的重要組成部分，主要內容涉及多種分析儀器的原理、結構和應用等。以四川師范大學化學與材料科學學院化學和環境工程兩個專業的課程為例，“儀器分析”課程的授課內容可大致分為4個部分：原子光譜（原子發射光譜法、原子吸收光譜法和原子熒光光譜法）、分子光譜法（紫外-可見光譜法、紅外光譜法、熒光和磷光）、色譜法（氣相色譜法和高效液相色譜法）以及電化學分析方法（電位分析法、電解與庫倫分析法、伏安法和極譜法等）。“儀器分析”課程的授課內容相對繁雜、枯燥、抽象、難懂，涉及的儀器種類多、范圍廣，在有限的時間內很難將這么多且枯燥的內容有效地傳授給學生，尤其是授課方法或模式選用不當時，教學更加困難。教師授課過程中對原理或儀器結構的描述與學生腦海里的想象有一定的出入，從而導致傳達和接收之間存在較大的差異。為了解決這個問題，許多優秀的教師發展出多種行而有效的教學手段，以提高學生學習“儀器分析”課程的興趣和熱情［4］。

科普式教學以科普宣傳的形式輔助課堂教學，通過動畫短視頻、動圖演示、仿真模擬［5］及其他信息化媒介將“儀器分析”課程中枯燥無味、晦澀難懂的知識點，以通俗易懂的方式傳遞給學生，輔以實時講解，從而提高課堂效率和學生學習的熱情與積極性。在實際授課過程中，可以對儀器研發的歷史進行簡要介紹（歷史溯源）；可以在PPT上播放相應內容的動圖或視頻（動圖演示或動畫視頻）以提高學生對授課內容的理解；可以將授課PPT、動圖、視頻等相關內容放在公眾號、網站、教學平臺、學習APP上，方便學生課后復習與自主學習。這些科普式教學手段相輔相成、相互補充。“儀器分析”課程科普式教學模式如圖1所示。

1.2? 科普式教學示例

在總結多年授課經驗的基礎上，結合科普式教學模式的初步成效，以“原子吸收光譜法”和“氣相色譜法”兩個單元的內容為例，分析科普式教學在“儀器分析”課程授課中的應用。

在“原子吸收光譜法”單元，通過歷史溯源，輔以動圖演示［6-7］，對原子吸收光譜法的發展歷史進行簡要介紹。用牛頓的“三棱鏡分光實驗”引入課堂，牛頓通過三棱鏡將太陽光分成了漂亮的彩虹帶，但是，當把這些彩虹帶放大到一定程度的時候，就會發現這些彩虹帶上存在一些暗線。那么這些暗線是怎么來的？由此引入原子吸收現象的發現與解釋。這些暗線最早由Wollaston于1802年發現，隨后在1817年，Fraunhofer再次發現了這些暗線并將這些暗線命名為“Fraunhofer lines”。1820年，Brewster開始嘗試解釋這些暗線的產生，他認為是太陽外層大氣吸收了這些譜線，但是并沒有給出具體的原因。直到1859年，Kirchhoff和Bunson在研究堿金屬和堿土金屬的火焰光譜時，發現鈉蒸氣發出的光通過溫度較低的鈉蒸氣時，會引起鈉光的吸收，并且根據鈉發射線與某些暗線在光譜中位置相同這一事實，斷定太陽連續光譜中的暗線是太陽外圍大氣圈中的鈉原子對太陽中的鈉輻射產生吸收的結果，科學地解釋了原子吸收光譜的產生。從1802年（發現暗線）到1859年（科學解釋），多位科學家前后歷經57年的艱辛探索，終于解釋清楚了暗線產生的原因。

在“氣相色譜法”單元，對于氣相色譜儀的分析原理和儀器結構等較為抽象、難理解的內容，課堂上可以通過“動圖演示”和“動畫視頻”等方法，將其呈現在PPT上，輔以形象性描述和比喻，更有利于學生對知識點的掌握和理解。如所選取的動畫短視頻［8］中描述的一樣，將氣相色譜儀的分離過程比作長跑比賽（圖2），將進樣口比作起跑線，待測分子都是運動員，色譜柱就是跑道，檢測器就是裁判員。當把待測樣品注射到進樣口后，液體樣品瞬間汽化，并且在載氣的作用下進入色譜柱，由于每個運動員的速度不一樣，它們的間距會逐漸變大，達到終點（被檢測器檢出）的時間也就不一樣。此外，還可以將色譜分離過程比作逛春熙路（成都知名的商業街），也可以達到同樣的效果。老師帶一組學生（待測組分）在春熙路南口（進樣口）統一出發，老師對學生的要求很簡單，可以在春熙路里面隨便逛隨便玩。當學生不想繼續逛街的時候，到春熙路北口（色譜柱出口）找帶隊老師（檢測器）報備一下即可。整個春熙路就相當于是色譜柱，春熙路的店鋪就相當于是固定相，學生就是待測組分，由于每個學生喜歡的東西不一樣，這就使得他們在春熙路每個店里的停留時間不一樣，經過多次停留后，他們到春熙路北口的時間也就不一樣，從而實現了色譜分離。此外，課堂上所涉及的相關視頻和動圖等內容還可以放在網站和科普公眾號等平臺，有助于學生課下的自主學習與復習。色譜方面的相關內容，比較推薦“色譜學堂”網站（http：//www.chromclass.com/）和公眾號，該網站/公眾號將色譜相關的知識點進行剖析，每個視頻均以動畫小視頻形式呈現，且每次只介紹某一部分內容，生動形象，淺顯易懂。

2? 課程思政的科學融入

2.1? 融入課程思政的意義

2016年，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出［9-11］，要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學生成長發展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。2017年，國務院在《關于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》中提出要“充分發掘和運用各學科蘊含的思想政治教育資源，健全高校課堂教學管理方法”［12］。“儀器分析”課程由于涉及的儀器種類繁多、應用范圍廣，因此，在對“儀器分析”課程實施“科普式教學”的過程中，可以根據授課內容適當地加入部分課程思政內容，將這些課程思政內容與“科普式教學”有機地結合起來［13］。

2.2? 科學融入課程思政示例

“儀器分析”課程每個單元的相關知識點大致分為3個部分：原理的發現及探索（儀器的分析原理）、儀器的研發與結構、儀器的分析應用，這3個部分均可適當地加入課程思政內容（圖3）。

例如，在“原理的發現及探索”部分，可在前文提到的“原子吸收光譜法”單元引入“鍥而不舍的探索精神”等課程思政內容。對于“儀器的研發與結構”部分，以“原子熒光光譜法”單元為例，也可以通過原子熒光光譜儀的發展歷史進行思政元素的深入挖掘。原子熒光光譜儀是在原子吸收光譜儀的基礎上發展而來，是我國具有自主知識產權的一款分析儀器。上世紀八九十年代，隨著國家工業發展初期對地質勘探需求的不斷提升，需要大批分析儀器進行元素分析，但是，國外的光譜分析儀器價格昂貴，鑒于當時國內的經濟條件，不適合大規模采購國外的分析儀器。原子熒光光譜儀就是在這個時期得到了快速的發展，從而也奠定了我國在原子熒光光譜儀制造領域的地位［14-15］。在介紹原子熒光光譜儀發展歷史的同時，可以引入科學前輩們研制儀器時“吃苦耐勞的鉆研精神”等課程思政元素，提升學生的愛國情懷，結合此前國外對我國實行技術封鎖、“卡脖子”等相關時事政治，可以進一步將“愛國”“自強不息”“發奮圖強”等相關課程思政元素引入課堂。

再例如，在介紹“儀器的分析應用”時，可以利用案例教學法分別將工業酒精生產假酒（“氣相色譜法”單元）和三聚氰胺事件（“高效液相色譜法”單元）等案例［16］引入課堂。同時，對工業酒精生產假酒和牛奶中摻入三聚氰胺的事件進行深入剖析。工業酒精與正常的糧食釀酒相比，存在成本低、時間短等優點，但是工業酒精中的甲醇含量往往超標，而喝假酒致人失明的根本原因就是攝入過量甲醇。氣相色譜法是一種常用的測定白酒中甲醇含量的方法，通過氣相色譜法可以較為準確地分析出白酒中各組分的含量，從而使工業酒精勾兌的白酒無所遁形。牛奶中摻入三聚氰胺的事件則是因為牛奶中蛋白質的含量一般是通過凱氏定氮法進行測量的（即通過測量牛奶中氮元素的含量，然后將含氮量通過相關系數折算為蛋白質含量），這種間接測量蛋白質的方法被不法分子鉆了空子，他們在牛奶里摻水，摻水后的牛奶蛋白質含量降低，于是通過加入三聚氰胺（C3H6N6，含氮量高達66.67%，幾乎無味）來提高含氮量，從而使摻水的牛奶達到“規定”的蛋白質含量標準。這種不合格的牛奶被人食用后會產生一系列的不良反應，食用這種奶粉的嬰兒出現腎結石、大頭娃娃等問題。通過高效液相色譜法分析可以實現對牛奶中三聚氰胺的準確檢測，使這些不合格的奶粉無處藏身。當年如日中天的“三鹿”企業因為“三聚氰胺事件”一夕崩塌，此處引入“誠實守信”等課程思政內容，提高學生作為社會主義接班人的責任感和使命感，同時告誡學生們“誠實守信”的重要性：“人無信，則不立”；若失信，再強大的企業也會在瞬間土崩瓦解。

3? 科普式教學與課程思政的有機結合

以科普式教學為主線，同時對儀器的發展歷史、結構原理和分析應用等方面的知識進行拓展延伸，將相關課程思政內容科學地融入其中，實現科普式教學和課程思政的有機結合。為了更好地突出本文的主旨，便于理解科普式教學和課程思政的有機結合，本小節對前文所列舉的幾個章節內容進行了歸納總結（表1），包括示例章節所涉及的科普式教學方法、科普式教學知識點、課程思政融入點和融入的課程思政元素等幾個方面內容。以“原子吸收光譜法”章節內容為例，通過動圖演示［6-7］和歷史溯源的科普式教學方法對原子吸收光譜法的發展歷史（歷史溯源）、儀器結構和工作原理等方面內容進行講解，在介紹該章節的概述部分（儀器發展歷史）時，同時融入堅持不懈、鍥而不舍等課程思政元素，提高課堂教學效率和學生對知識點的理解。

4? 總結與展望

“儀器分析”是化學和環境科學等相關專業的基礎課程之一，需要學生們認真學習和牢固掌握。針對“儀器分析”課程授課過程中存在的困難，本文嘗試通過轉變教學理念，將授課課堂轉變為科普講座，將課堂上的相關重難點以科普的形式進行授課，同時適當融入愛國、吃苦耐勞、發奮圖強、誠實守信等課程思政內容，實現科普式教學和課程思政的科學融合。以四川師范大學化學與材料科學學院環境工程專業為例，目前科普式教學模式已經在該專業試點實施了兩屆（2019級和2020級），根據學生評教結果顯示，97.92%以上的學生認為整體符合學校的評價指標，部分學生反饋，科普式教學讓“枯燥的課堂變得活潑有趣”，課堂上的“例子生動形象，難以忘記”。需要強調的是，科普式教學是通過借鑒科普模式，實現對“儀器分析”課程中抽象難懂的知識點進行淺顯易懂的教學，以期將這些知識點以深入淺出、通俗易懂的方式呈現在課堂上，并非只是簡單地對分析儀器進行科普。

不可否認的是，“儀器分析”課程的科普式教學方法、素材和課程思政案例等仍需進一步加強與完善。目前化學相關方面的科普素材仍舊比較欠缺，以“儀器分析”課程為例，每種分析儀器的原理、儀器結構、分析應用等方面均存在一定的差異，具有較強的特征性，因此，各類分析儀器均需要專有的科普素材（如動畫視頻、GIF動圖等）。雖然“色譜學堂”網站和公眾號會不定期推送一些色譜相關方面的科普素材，但是科普素材的種類畢竟有限，并不能做到面面俱到。對分子光譜（如磷光、熒光、紫外-可見光譜法等）和電化學分析（如電解與庫倫分析法、伏安法和極譜法等）方面素材的發展和搜集仍舊存在較大的困難。因此，首先需要加強復合型人才的培養力度。近年來，隨著科普教育的進一步推廣與加強，科普受到了越來越多的重視，但是專業性的科普素材仍舊相對欠缺，需要更多的交叉復合型人才（既懂相關化學知識又會動畫視頻制作）加入到科普素材的開發和制作中來。其次，科普式教學方法和模式也需進一步加強和深入探討。可將虛擬仿真等技術引入“儀器分析”課程的教學中來，通過虛擬仿真技術讓學生對分析儀器的原理、儀器結構、分析應用等方面有更為深入的理解和認識。第三，加強學生主觀能動性，讓學生參與到科普式教學中來。可以以小組為單位，布置課后作業，請學生們以PPT動圖、GIF動圖、視頻等方式，將已學的知識呈現出來，這樣既可以考察和鞏固已學知識，也可以提升學生課外制作PPT和視頻的動手能力。這些視頻和動圖后期也可以用于各類科普比賽，一舉多得。對于課程思政案例方面，需要任課教師在課前認真打磨教學課件，深入挖掘各類分析儀器的發展歷史、儀器結構和分析應用等各個方面內容，綜合各類時事政治（如卡脖子技術等）和已有的各類食品安全、環境保護等方面的案例，在進行科普式教學的同時，將課程思政內容科學地融入其中，使學生們在學習的過程中也能接受到思想政治的熏陶，實現科普式教學與課程思政的有機結合。

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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