宮迎增 儀名凱

摘要：環(huán)境儀器分析課程是環(huán)境學專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程涉及大量化學、物理和環(huán)境等方面的內(nèi)容，知識點龐雜，學生難以理解和掌握，并很難對相關(guān)儀器有完整的認識?！八季S導(dǎo)圖”可以將儀器原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用形象的聯(lián)系起來，有助于學生對知識點的理解、記憶和應(yīng)用，從而幫助學生全面掌握儀器的相關(guān)知識。因此將“思維導(dǎo)圖”引入到環(huán)境儀器分析課程可以有效地提升教學效果。

關(guān)鍵詞：環(huán)境儀器分析；思維導(dǎo)圖；儀器分析；教學改革

儀器分析是環(huán)境分析和檢測的重要手段，是準確獲取環(huán)境數(shù)據(jù)進行相關(guān)科學研究、政策制定以及工程實施的基礎(chǔ)。儀器分析課程是環(huán)境及相關(guān)方向本科生的重要基礎(chǔ)課程。儀器分析課程的主要內(nèi)容涵蓋了當前環(huán)境學分析所需要的主要儀器的基本原理，結(jié)構(gòu)組成，主要用途，并且需要結(jié)合實驗課讓學生通過相關(guān)儀器操作，掌握相關(guān)儀器的使用方法，了解使用過程中的常見問題及其處理方法。儀器基本原理和結(jié)構(gòu)組成的學習涉及到大量物理化學知識，這就使得這門課具有知識面廣，知識點多且龐雜，不易記憶的特點。這些特點往往導(dǎo)致學生上完這門課之后“只見樹木不見森林”，即只記住老師上課著重強調(diào)的幾個知識點，或者只記住了儀器的某個組成部分，而對于整個儀器缺乏認識，更不能準確指出不同儀器之間的差別，也就不能夠根據(jù)實際需要準確快速的選擇所需儀器。

思維導(dǎo)圖（或稱心智圖，英文為Mind-mapping）是將發(fā)散性思維以生動的圖形形式進行呈現(xiàn)的工具，它可以通過簡單的詞句、線條、顏色、基本的形狀以及生動的符號等元素將分散的知識點以及知識點之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系直觀的呈現(xiàn)出來。思維導(dǎo)圖通過有效直觀的呈現(xiàn)知識結(jié)構(gòu)全景圖，幫助學生構(gòu)建起完整的知識體系，使學生在理解知識的內(nèi)在邏輯的基礎(chǔ)上將相應(yīng)的知識點串聯(lián)起來，有助于學生對于知識的學習和應(yīng)用。

將思維導(dǎo)圖應(yīng)用到環(huán)境儀器分析教學中可以幫助學生構(gòu)建起包括基礎(chǔ)理論-儀器結(jié)構(gòu)-儀器使用等內(nèi)容的完整的知識體系，為學生以后從事環(huán)境相關(guān)的科研、工作打下堅實基礎(chǔ)。

1?利用思維導(dǎo)圖進行教學設(shè)計

環(huán)境儀器分析課程知識點龐雜、瑣碎以及枯燥的特點首先給教師備課帶來困難。準確把握知識體系的內(nèi)在邏輯，在此基礎(chǔ)上把儀器相關(guān)的知識點串聯(lián)起來，期間再穿插課程思政、相關(guān)科研最新進展作為課程重要補充，然后點綴一些社會熱點、生活趣事等可以活躍課堂氣氛的段落，就可以把課堂設(shè)計的兼具知識性和趣味性，達到理想的教學效果。

思維導(dǎo)圖可以將知識點和邏輯體系可視化的功能應(yīng)用到教師的備課過程中，可以使課程更加有邏輯性，便于教師快速、高質(zhì)量的完成課程設(shè)計，有助于教師邏輯清晰的把課堂內(nèi)容呈現(xiàn)給學生。

在課程實踐中，一般可以按照圖一的思維導(dǎo)圖進行課堂設(shè)計。（1）課程導(dǎo)入：根據(jù)具體的儀器特點設(shè)計合適的課程導(dǎo)入，例如在講高效液相色譜的時候已經(jīng)學過氣相色譜，因此導(dǎo)入的時候可以通過啟發(fā)式提問的方式讓學生思考對于難以氣化等難以用氣相色譜進行分析的樣品需要如何分離，還可以進一步引導(dǎo)學生思考并討論需要進行相應(yīng)改進的儀器結(jié)構(gòu)，然后開始進行儀器學習。

（2）概述：引入本堂課將要學習的儀器，介紹該儀器的發(fā)明和發(fā)展演化過程。這部分內(nèi)容可能和一些著名科學家相關(guān)，因此適當增加相關(guān)科學家的名人軼事等內(nèi)容可以增加課堂的趣味性，調(diào)節(jié)課堂氣氛。另外儀器的發(fā)明一般都是基于儀器重要測試原理的發(fā)現(xiàn)，而儀器的改進得益于某些關(guān)鍵技術(shù)的突破導(dǎo)致某些部件的升級，所以本部分和后續(xù)儀器的基本原理、儀器組成等知識密切相關(guān)，在講解這部分內(nèi)容的時候，可以為后續(xù)相關(guān)知識的學習埋下一些伏筆，引導(dǎo)學生進行思考和討論。另外這部分

（3）儀器：講解儀器的理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)組成，該部分是重點部分。儀器分析是利用樣品的物理或者化學性質(zhì)實現(xiàn)對樣品的定性或者定量測量。因此首先要講解物理或者化學信號和樣品性質(zhì)或者數(shù)量之間的關(guān)系的理論基礎(chǔ)。然后要逐步介紹樣品信號產(chǎn)生、信號處理以及信號檢測的理論基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上介紹儀器為了實現(xiàn)相應(yīng)功能所具備的結(jié)構(gòu)或者部件，儀器的理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)特點決定了儀器的適用場景和注意事項。因此儀器原理和儀器結(jié)構(gòu)相關(guān)知識點雖然比較多且零碎，但只要抓住理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)組成的統(tǒng)一性就可以將其內(nèi)在邏輯展示給學生。

（4）應(yīng)用和實例，在學生掌握的儀器理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)之后，結(jié)合最新的關(guān)于相關(guān)儀器的中英文文獻中的案例，介紹儀器所適用的場景，注意事項，不同特性樣品的分析方法以及所適用的范圍，干擾排除等內(nèi)容。在學習了儀器理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)組成之后，這部分的很多內(nèi)容可以通過教師的適當引導(dǎo)，讓學生自己歸納出來，因此這部分內(nèi)容在適當?shù)那闆r下可以以學生討論自學為主，教師適當點評引導(dǎo)為輔進行。另外應(yīng)用實例也可以在課堂引入的時候拋出，讓學生去思考如何去解決某個實際問題，或者如果進行某項環(huán)境指標的測量，然后通過前面3個步驟逐步引導(dǎo)學生邊學習邊思考。

（5）知識拓展，在書本內(nèi)容基礎(chǔ)上，對儀器相關(guān)最新科研進展等方面的知識進行拓展。這部分內(nèi)容與最新研究進展關(guān)系密切，需要引導(dǎo)學生閱讀最新的科研文獻。因為本課程面向低年級本科生，他們還不具備有目的查找文獻閱讀文獻的能力，因此最開始教師可以指定文獻讓學生閱讀，總結(jié)，討論。隨著學生閱讀文獻能力提高，可以讓學生仔細查閱，并做專題報告展示相關(guān)收獲。

（6）課后作業(yè)，包括兩部分，一方面要求學生利用思維導(dǎo)圖對本儀器的知識點進行總結(jié)，另一方面結(jié)合現(xiàn)實案例給學生布置形式多樣的作業(yè)。教師要及時對學生優(yōu)秀的思維導(dǎo)圖進行點評，鼓勵并啟發(fā)學生做出更加優(yōu)秀的思維導(dǎo)圖。另外一個作業(yè)可以是讓學生針對某一案例設(shè)計測試方案，也可以利用教師在實際科研中的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析。

一般來說儀器理論基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用是重點內(nèi)容，也是其他部分的基礎(chǔ)，需要讓學生認識到儀器在實際應(yīng)用中的特點主要是由儀器的理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)組成所決定的。

2?利用思維導(dǎo)圖構(gòu)建知識體系

儀器的理論基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)和測量等知識內(nèi)容涉及大量的物理、化學和環(huán)境方面的知識。學生在初步學習過程中，很容易陷入對一些細節(jié)的理解、記憶上，而忽略對儀器整體的認識?？梢酝ㄟ^讓學生構(gòu)建思維導(dǎo)圖，幫助他們建立起來對儀器的整體知識體系以及內(nèi)在邏輯的認識。

儀器的理論基礎(chǔ)是圍繞著利用樣品的化學或物理性質(zhì)對樣品進行定性或者定量測量所構(gòu)建的，而儀器的各個組成部分是由理論基礎(chǔ)決定的，是為了實現(xiàn)理論基礎(chǔ)中的某些具體功能所設(shè)計的，因此可以將儀器的理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)組成聯(lián)系起來進行理解和記憶，這也是讓學生構(gòu)建思維導(dǎo)圖的內(nèi)在邏輯基礎(chǔ)。

以原子發(fā)射光譜儀為例，其實現(xiàn)定量檢測的基礎(chǔ)是樣品原子的發(fā)射譜線強度和樣品中元素濃度呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此該儀器需要實現(xiàn)原子的激發(fā)和發(fā)射譜線的準確檢測。而原子激發(fā)的理論基礎(chǔ)是將樣品轉(zhuǎn)化為氣態(tài)原子并施加能量將原子轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)，完成激發(fā)。為了實現(xiàn)這一原理，發(fā)明了直流電弧、交流電弧、高壓火花和電感耦合等離子體（ICP），這些部件都是為了實現(xiàn)樣品的氣化、激發(fā)，只是具體途徑不同，并且根據(jù)部件名稱可以很好理解并記住它們實現(xiàn)相應(yīng)目的的原理。

而為了實現(xiàn)發(fā)射譜線的準確檢測首先需要將空間重疊的不同光譜按照波長順序排列，然后再將光信號的強度正確的讀取出來，前者需要的是單色器，而后者需要檢測器和數(shù)據(jù)處理與現(xiàn)實系統(tǒng)。將光譜在空間上展開，可以通過兩種不同的途徑，一種是用不同波長的光在棱鏡中的折射率不同實現(xiàn)，這便是棱鏡；另一種是利用光在光柵上產(chǎn)生的衍射和干涉實現(xiàn)，這便是光柵。對于對光信號的定量檢測，一般是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并進行放大之后對信號進行讀取和顯示。主要包括兩類：光電倍增管和陣列檢測器。陣列檢測器由于其組成陣列的原件不同有多種類型。

以上是原子發(fā)射光譜的理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)部件，所有的理論是為了實現(xiàn)利用對原子躍遷發(fā)射光譜進行測量得到樣品濃度的定量信息。而各種部件都是為了實現(xiàn)其中部分功能所設(shè)計的。讓學生在進行思維導(dǎo)圖的歸納過程中去體會理論和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一才能夠讓學生真正掌握原子發(fā)射光譜儀。在此知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，學生可以更好的理解并掌握儀器在使用中的各種知識。以此為基礎(chǔ)可以講樣品測量、干擾解析等知識構(gòu)建到該圖中。其他的儀器也可以用類似的方式進行知識體系的構(gòu)建。

在剛學完相關(guān)內(nèi)容利用思維導(dǎo)圖進行知識點總結(jié)的時候，要盡量做到面面俱到，將所有的知識點盡可能的都歸納進去，這樣便于更加全面的掌握所有新學到的知識點。而在對知識點有一定掌握，進行課程復(fù)習的時候，則應(yīng)該突出知識邏輯脈絡(luò)，突出重點，因為這時候已經(jīng)對儀器相關(guān)的知識有所認識，重點應(yīng)該放在對儀器形成整體認識上。

3?利用思維導(dǎo)圖展示不同儀器的異同

在儀器學習的時候，除了要掌握每一種儀器的理論基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用等知識之外，還需要清楚的知道不同儀器的結(jié)構(gòu)和功能特點，能夠根據(jù)實際測量需求準確判斷所需要的儀器。因此在復(fù)習的時候，可以利用思維導(dǎo)圖對比儀器的異同，幫助學生建立起整個課程的知識體系。

以原子吸收分光光度計和原子發(fā)射光譜儀為例，它們的單色器和檢測器差別不大，而它們的進樣和光源系統(tǒng)有顯著差別。這是由于，原子發(fā)射光譜儀是對發(fā)射光譜的檢測，需要對樣品進行原子化和激發(fā)，一般在利用電弧或者電感耦合等離子體的能量進行原子化的同時也實現(xiàn)了原子的激發(fā)。而對于原子吸收分光光度計，需要對吸收強度進行檢測。原子的吸收光譜比較窄，因此需要使用譜線非常窄的銳線光源，這就需要通過光源發(fā)射和光線吸收兩部分實現(xiàn)。將這兩者放在一起對比可以讓學生了解兩種儀器原理上的本質(zhì)區(qū)別，同時也可以和儀器結(jié)構(gòu)差別對應(yīng)起來，讓學生更加深刻的理解銳線光源的原理和意義。

在展示儀器理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上一些其他的特點也可以構(gòu)建起來，比如在原子吸收分光光度儀的學習中需要注意的光譜干擾的相關(guān)知識等。

結(jié)語

思維導(dǎo)圖可以很好的將環(huán)境分析儀器相關(guān)的知識點和內(nèi)在的邏輯清晰的呈現(xiàn)出來，幫助學生相關(guān)知識體系的建立，可以有效的提高環(huán)境儀器分析教學效果，讓學生通過相關(guān)學習，掌握儀器的原理和結(jié)構(gòu)，了解儀器特性，能夠根據(jù)實際需求判斷所需的儀器。因此在環(huán)境儀器分析課堂教學過程中充分發(fā)揮思維導(dǎo)圖的優(yōu)勢，對“教”與“學”的過程都有良好的促進作用。

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作者簡介：宮迎增（1987—??），男，漢族，山東人，博士，講師，研究方向：環(huán)境科學。