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摘 要 大学化学类学生经常使用分光光度计进行各种化学分析实验。教师开展实验教学的同时，也须加强仪器的物理原理和电子信息技术的横向知识教学。通过连接电脑等一些外围举措，使仪器达到智能化和网络信息化的改造。同时激发学生的积极性、创造性，有效增强学生对关联知识的学习和思考。当今迅猛发展的分光光度计融合了先进的光电技术、微电子技术及微机软硬件技术，极大地拓宽了学生的横向知识视野。
关键词 分光光度计；横向知识教学；化学实验；仪器
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2018）22-0114-03
Abstract The college students of chemistry major often use spectro-photometer to do all kinds of chemical analysis experiments. Tea-chers may not only teach the knowledge of the experiment itself， but also strengthen the interdisciplinary knowledge of the physical， elec-tronic and informational principles of the equipment. By connecting to computer， the equipment could be modified to intelligent and net-work informational level. Meanwhile the process also inspires stu-dents’ enthusiasm and creativity and enhances students’ study and think of relative knowledge. Today rapid development of spectro-photometer combined with advanced optical， micro electronical and computer hardware-and-software technology will greatly broaden students’field of vision.
Key words spectrophotometer； teaching of interdisciplinary know-ledge； chemical experiment； instrument
1 前言
化學类学科（包括农业、环保、材料、食品等专业）的化学实验中，普遍使用分光光度计进行各种化学分析实验。长期以来，在仪器使用中，学生只是片面地完成规定的步骤，较多思考本专业的化学实验，非常机械地去操作仪器，重复必要的执行动作，单方面获取化学知识，往往忽略了工具使用的原理，忽视了仪器的物理方法及电子结构，忽视了相关仪器的智能化应用及网络信息化发展。总之，学生在实验的同时，错失了横向知识升华提高的机会。
分光光度计是很普通的专用光学仪器，但对它结构的深刻理解，是有助于加强学生化学测试技能的。仪器原理是依据单色光对溶液待测组分浓度产生不同的吸收现象，从而进行光强吸收变化的光电检测，依靠朗伯—比耳光吸收定律来定量计算化学溶液组分浓度。仪器显然是面向化学测试的实验工具。另外，从知识层面来分析，该仪器的横向跨度较大，涉及很多学科知识。它涉及物理学的光栅衍射的分光原理、光电池的光电转换的弱电流信号生成原理、电子学的弱电流的直流放大原理、模数转换的数字电路原理，甚至涉及数理统计中的数据回归运算，等等。
因此，面对大学化学专业学生，除了要开展必要的化学分析实验课外，还应该辅助性地进行横向知识的实验教学，如分光光度计的结构原理及它在人工智能网络信息化方面的发展，有必要进行知识融合交叉的讲述。通过多年的教学实践可以发现，很多学生对这种物理和化学知识的复合讲解很感兴趣，这种横向的教学很好地激发了他们的学习积极性。
2 引入实验设备的改造机制
我国高校的大部分实验室中，配备的教学分光光度计都是普通级别的仪器，非智能化的。在使用这种仪器时，可以让学生从仪器的各方面来进行改革，从而获得知识水平的提高；也可以通过整合实验内容，尽力发挥学生的科学思维及创新能力。但如何改进旧设备？如何创造一种新方法来训练学生的综合实验和科研能力？如进行启发性实验教学尝试，师生共同设计研究一种特殊微量比色皿，就可安装在原仪器中进行专门的微量吸收光度测量。学生通过这样的微小技术改动，可引发化学实验方法的大变化。改进后的实验中，化学试剂只需添加几滴，就可以完成微量显色化学反应，即可达到同样的实验效果，从而节省了昂贵的化学试剂。
学生在实验改革中开动脑筋，过去是按部就班地完成实验，大多敷衍了事，毫无创造思维；现在通过改造仪器，活跃了思想，提高了学习积极性。
另外，操作分光光度计测试的化学数据必须通过手工计算来完成统计运算，学校的仪器性能并没有安置智能计算操作。因此，为了启发学生的钻研思想，研究专用的模数转换串口输出数据的电子接口模块，让它将仪器和电脑串行通信口相连接，从而使仪器测试的数据自动输入电脑，再通过学生计算机的C#语言编程，顺利完成测试数据吸光值—浓度最小二乘法的回归统计运算，并且还能完成测定过程的数据库存储。
由于在化学实验中将普通分光光度计进行了低成本的智能改造，将仪器做到技术升级，因此，整个过程使化学类学生受益匪浅，他们获取了许多非化学的知识本领（电子接口、数据通信知识），极大地激发了上进的学习热情，巩固了课堂所学的书本内容。这种理论和实践相结合的研究类学习，使他们达到终生难忘的效果。 3 结合社会实践研制便携微型比色计
化学类学生在化学定量分析实验中，能够生动熟练运用分光光度计，并能全方位理解仪器的工作原理和结构功能；也可以在具体的化学分析实验范例指导下，结合社会实践，培养解决实际问题的能力。如自来水水质的余氯分析，学生都是在学校实验室中采用分光光度计测定的，然而实际情况不允许这样实施——面对城市管网自来水水质测定，必须在城市取样的龙头现场进行测定。
以测定水中余氯为例，水样中的余氯组分持留水中时间不长，若采用人工取样再返回实验室的方式，样品测定结果的真实性会受到质疑。因此，必须研制便携式微型比色计进行现场快速测量。微型比色计是基于分光光度计而进行的简化制造，采用低成本的单色发光二极管以及硅光电池，并且利用普通万用表，即能很快组建简单的比色计[1-2]。
学生只要动动手，动动脑，亲自实践一下，便能寻到自制仪器的无穷乐趣。这样鲜活的复合知识，课堂上往往是体验不到的。
教育部发布的《关于加强高等学校本科教学工作 提高教学质量的若干意见》（教高〔2001〕4号）中指出：“实践教学对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用。”所以，仪器的改造也是深入的实践教学，对学生的创造性的发挥是极为有利的。分光光度计的结构原理，可启发学生的创新联想空间。
4 仪器整合信息化和网络化技术
化学类学生对现代化教学信息及通信技术的认识比较欠缺，不知道如何将化学知识和人工智能结合起来。而分光光度计的化学测量，恰恰给学生提供了横向深度学习的机会。分光光度计可以和计算机相连，其化学定量分析的數据也可自动输入电脑进行处理。现在的实验制作成本是很低的，如添置价值100元的GPRS模块，可引入移动互联网GPRS的远程通信技术，便可实现测试数据的无线远距离传输[3]。
实验中，将化学分析和数据通信结合起来，化学类学生的学习兴趣会得到有效提升，让大家充分认识到当代物联网中化学传感、数据传输和网络应用的人工智能热点。这些交叉学科的知识也自然会给大家展现知识的想象空间，教学效果会得到明显正确。化学分析、光学应用、电子测量、统计计算、数据通信、远程传输等高新知识，都能在这样的普通仪器中体现出来，学生在实验中的横向复合知识技能也可以得到加强。
5 学习分光光度计近年来发展的先进技术
分光光度计是经典的物理光学仪器，其核心部件是平面光栅，基本原理是依据光栅对复合光的衍射原理，可将光解离成不同的单色光光波；利用可转动光栅的机械装置及机械狭缝结构，获取特定波长的单色光。这种传统分光仪的技术路线，分光控制精度较差，而且构成的光学仪器的体积也很庞大，在仪器操作和技术应用方面显示出许多局限性。比如研究化学溶液对紫外及可见光全波段的光吸收状况，仪器的实验操作将变得异常困难，不能快速地得到全光波吸收曲线。
近20年来，微电子芯片技术及微机软硬件技术的发展，推动了物理集成光学技术的前进。发达国家研究成功微型多像素光电二极管传感器芯片，在二维空间（10×10）集成了1024个陈列光电二极管耦合传感器，可同时有效采集许多条不同单色光的强度信息，瞬间提供给计算机进行快速数据处理。由于改变了光栅转动及狭缝控制的机械技术结构方式，化学溶液的全波段光吸收曲线可在几秒钟时间内绘制成功，化学分析的信息功能得到提升。
20世纪90年代，美国Ocean Optics公司首先发明世界上第一台全息微型光谱仪。随后，德国MuT公司及中国复享公司等紧跟技术步伐，有效将集成光学、微电子芯片、微机技术、通信技术等融合在一起，制造的新一代分光光度计的体积可达到火柴盒大小。这对化学在线自动分析及现场应急快速分析发展起到巨大推动作用。
苏州科技大学开展的“管网饮用水突发有机污染分级预警传感遥测研究”科研项目中，采用全息微型分光光谱仪及光纤技术，快速进行管道自来水及瓶装饮用水的水质纯净度研究。参与研究的学生纷纷感受到先进的分光光度计许多技术的启示，扩大了知识面，提高了实践能力。
6 组合多专业教师协同进行横向知识教学
将实验仪器作为手段，实施多学科复合知识的教学，是教改的创新之路。经过多年的实践体会到，学生在当今科技快速发展的世界中，非常渴望接触各种先进技术和现代知识。这也激励了教师持续不断进行教学创新，让学生有效地得到复合知识的教学和实践训练。
本文以分光光度计作为解析实例，实践各种知识横向交叉的可行性和重要性。然而多学科复合技术及横向知识的传授，教学难点较多，为了保证教学质量，应该有计划地组合多专业教师团队，需要考虑主专业和次专业的知识融合，需要考虑知识面深入掌握和一般了解的尺度问题，分清内容的主次和教学的深浅。总之，要以学生为本，以高质量培育人才为方向，改变以往机械式的单科专业教学，让学生多方位、多角度地体验到丰富多彩的知识世界。
7 结语
分光光度计是一台普通的实验仪器，但是仪器的结构和使用横跨多门学科的丰富知识。一方面，以此引导学生进入深度的横向学习，可开创一种新的教学模式与实验模式，激发学生的积极性、创造性，有效增强学生对课堂内容的理解和关联知识的思考；另一方面，适当引入当代世界先进的分光光度计技术的实验教学，从横向知识传授方面增强当前先进的集成光学、光电芯片及微机数据通信技术等知识教学，可提高学生的实验技能，开阔学生的视野。
参考文献
[1]王小赞，于宗仁.自制实验仪器在水文地质专业教学中的应用[J].实验技术与管理，2016（4）：73-76.
[2]田利，徐冬梅，王彬彬.自制微型实验仪器在化学实验教学中的应用[J].长春师范学院学报，2012（6）：141-144.
[3]樊吉瑞.信息技术在物理实验教学中运用的思考[J].中国教育技术装备，2012（19）：124-125.
关键词 分光光度计；横向知识教学；化学实验；仪器
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2018）22-0114-03
Abstract The college students of chemistry major often use spectro-photometer to do all kinds of chemical analysis experiments. Tea-chers may not only teach the knowledge of the experiment itself， but also strengthen the interdisciplinary knowledge of the physical， elec-tronic and informational principles of the equipment. By connecting to computer， the equipment could be modified to intelligent and net-work informational level. Meanwhile the process also inspires stu-dents’ enthusiasm and creativity and enhances students’ study and think of relative knowledge. Today rapid development of spectro-photometer combined with advanced optical， micro electronical and computer hardware-and-software technology will greatly broaden students’field of vision.
Key words spectrophotometer； teaching of interdisciplinary know-ledge； chemical experiment； instrument
1 前言
化學类学科（包括农业、环保、材料、食品等专业）的化学实验中，普遍使用分光光度计进行各种化学分析实验。长期以来，在仪器使用中，学生只是片面地完成规定的步骤，较多思考本专业的化学实验，非常机械地去操作仪器，重复必要的执行动作，单方面获取化学知识，往往忽略了工具使用的原理，忽视了仪器的物理方法及电子结构，忽视了相关仪器的智能化应用及网络信息化发展。总之，学生在实验的同时，错失了横向知识升华提高的机会。
分光光度计是很普通的专用光学仪器，但对它结构的深刻理解，是有助于加强学生化学测试技能的。仪器原理是依据单色光对溶液待测组分浓度产生不同的吸收现象，从而进行光强吸收变化的光电检测，依靠朗伯—比耳光吸收定律来定量计算化学溶液组分浓度。仪器显然是面向化学测试的实验工具。另外，从知识层面来分析，该仪器的横向跨度较大，涉及很多学科知识。它涉及物理学的光栅衍射的分光原理、光电池的光电转换的弱电流信号生成原理、电子学的弱电流的直流放大原理、模数转换的数字电路原理，甚至涉及数理统计中的数据回归运算，等等。
因此，面对大学化学专业学生，除了要开展必要的化学分析实验课外，还应该辅助性地进行横向知识的实验教学，如分光光度计的结构原理及它在人工智能网络信息化方面的发展，有必要进行知识融合交叉的讲述。通过多年的教学实践可以发现，很多学生对这种物理和化学知识的复合讲解很感兴趣，这种横向的教学很好地激发了他们的学习积极性。
2 引入实验设备的改造机制
我国高校的大部分实验室中，配备的教学分光光度计都是普通级别的仪器，非智能化的。在使用这种仪器时，可以让学生从仪器的各方面来进行改革，从而获得知识水平的提高；也可以通过整合实验内容，尽力发挥学生的科学思维及创新能力。但如何改进旧设备？如何创造一种新方法来训练学生的综合实验和科研能力？如进行启发性实验教学尝试，师生共同设计研究一种特殊微量比色皿，就可安装在原仪器中进行专门的微量吸收光度测量。学生通过这样的微小技术改动，可引发化学实验方法的大变化。改进后的实验中，化学试剂只需添加几滴，就可以完成微量显色化学反应，即可达到同样的实验效果，从而节省了昂贵的化学试剂。
学生在实验改革中开动脑筋，过去是按部就班地完成实验，大多敷衍了事，毫无创造思维；现在通过改造仪器，活跃了思想，提高了学习积极性。
另外，操作分光光度计测试的化学数据必须通过手工计算来完成统计运算，学校的仪器性能并没有安置智能计算操作。因此，为了启发学生的钻研思想，研究专用的模数转换串口输出数据的电子接口模块，让它将仪器和电脑串行通信口相连接，从而使仪器测试的数据自动输入电脑，再通过学生计算机的C#语言编程，顺利完成测试数据吸光值—浓度最小二乘法的回归统计运算，并且还能完成测定过程的数据库存储。
由于在化学实验中将普通分光光度计进行了低成本的智能改造，将仪器做到技术升级，因此，整个过程使化学类学生受益匪浅，他们获取了许多非化学的知识本领（电子接口、数据通信知识），极大地激发了上进的学习热情，巩固了课堂所学的书本内容。这种理论和实践相结合的研究类学习，使他们达到终生难忘的效果。 3 结合社会实践研制便携微型比色计
化学类学生在化学定量分析实验中，能够生动熟练运用分光光度计，并能全方位理解仪器的工作原理和结构功能；也可以在具体的化学分析实验范例指导下，结合社会实践，培养解决实际问题的能力。如自来水水质的余氯分析，学生都是在学校实验室中采用分光光度计测定的，然而实际情况不允许这样实施——面对城市管网自来水水质测定，必须在城市取样的龙头现场进行测定。
以测定水中余氯为例，水样中的余氯组分持留水中时间不长，若采用人工取样再返回实验室的方式，样品测定结果的真实性会受到质疑。因此，必须研制便携式微型比色计进行现场快速测量。微型比色计是基于分光光度计而进行的简化制造，采用低成本的单色发光二极管以及硅光电池，并且利用普通万用表，即能很快组建简单的比色计[1-2]。
学生只要动动手，动动脑，亲自实践一下，便能寻到自制仪器的无穷乐趣。这样鲜活的复合知识，课堂上往往是体验不到的。
教育部发布的《关于加强高等学校本科教学工作 提高教学质量的若干意见》（教高〔2001〕4号）中指出：“实践教学对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用。”所以，仪器的改造也是深入的实践教学，对学生的创造性的发挥是极为有利的。分光光度计的结构原理，可启发学生的创新联想空间。
4 仪器整合信息化和网络化技术
化学类学生对现代化教学信息及通信技术的认识比较欠缺，不知道如何将化学知识和人工智能结合起来。而分光光度计的化学测量，恰恰给学生提供了横向深度学习的机会。分光光度计可以和计算机相连，其化学定量分析的數据也可自动输入电脑进行处理。现在的实验制作成本是很低的，如添置价值100元的GPRS模块，可引入移动互联网GPRS的远程通信技术，便可实现测试数据的无线远距离传输[3]。
实验中，将化学分析和数据通信结合起来，化学类学生的学习兴趣会得到有效提升，让大家充分认识到当代物联网中化学传感、数据传输和网络应用的人工智能热点。这些交叉学科的知识也自然会给大家展现知识的想象空间，教学效果会得到明显正确。化学分析、光学应用、电子测量、统计计算、数据通信、远程传输等高新知识，都能在这样的普通仪器中体现出来，学生在实验中的横向复合知识技能也可以得到加强。
5 学习分光光度计近年来发展的先进技术
分光光度计是经典的物理光学仪器，其核心部件是平面光栅，基本原理是依据光栅对复合光的衍射原理，可将光解离成不同的单色光光波；利用可转动光栅的机械装置及机械狭缝结构，获取特定波长的单色光。这种传统分光仪的技术路线，分光控制精度较差，而且构成的光学仪器的体积也很庞大，在仪器操作和技术应用方面显示出许多局限性。比如研究化学溶液对紫外及可见光全波段的光吸收状况，仪器的实验操作将变得异常困难，不能快速地得到全光波吸收曲线。
近20年来，微电子芯片技术及微机软硬件技术的发展，推动了物理集成光学技术的前进。发达国家研究成功微型多像素光电二极管传感器芯片，在二维空间（10×10）集成了1024个陈列光电二极管耦合传感器，可同时有效采集许多条不同单色光的强度信息，瞬间提供给计算机进行快速数据处理。由于改变了光栅转动及狭缝控制的机械技术结构方式，化学溶液的全波段光吸收曲线可在几秒钟时间内绘制成功，化学分析的信息功能得到提升。
20世纪90年代，美国Ocean Optics公司首先发明世界上第一台全息微型光谱仪。随后，德国MuT公司及中国复享公司等紧跟技术步伐，有效将集成光学、微电子芯片、微机技术、通信技术等融合在一起，制造的新一代分光光度计的体积可达到火柴盒大小。这对化学在线自动分析及现场应急快速分析发展起到巨大推动作用。
苏州科技大学开展的“管网饮用水突发有机污染分级预警传感遥测研究”科研项目中，采用全息微型分光光谱仪及光纤技术，快速进行管道自来水及瓶装饮用水的水质纯净度研究。参与研究的学生纷纷感受到先进的分光光度计许多技术的启示，扩大了知识面，提高了实践能力。
6 组合多专业教师协同进行横向知识教学
将实验仪器作为手段，实施多学科复合知识的教学，是教改的创新之路。经过多年的实践体会到，学生在当今科技快速发展的世界中，非常渴望接触各种先进技术和现代知识。这也激励了教师持续不断进行教学创新，让学生有效地得到复合知识的教学和实践训练。
本文以分光光度计作为解析实例，实践各种知识横向交叉的可行性和重要性。然而多学科复合技术及横向知识的传授，教学难点较多，为了保证教学质量，应该有计划地组合多专业教师团队，需要考虑主专业和次专业的知识融合，需要考虑知识面深入掌握和一般了解的尺度问题，分清内容的主次和教学的深浅。总之，要以学生为本，以高质量培育人才为方向，改变以往机械式的单科专业教学，让学生多方位、多角度地体验到丰富多彩的知识世界。
7 结语
分光光度计是一台普通的实验仪器，但是仪器的结构和使用横跨多门学科的丰富知识。一方面，以此引导学生进入深度的横向学习，可开创一种新的教学模式与实验模式，激发学生的积极性、创造性，有效增强学生对课堂内容的理解和关联知识的思考；另一方面，适当引入当代世界先进的分光光度计技术的实验教学，从横向知识传授方面增强当前先进的集成光学、光电芯片及微机数据通信技术等知识教学，可提高学生的实验技能，开阔学生的视野。
参考文献
[1]王小赞，于宗仁.自制实验仪器在水文地质专业教学中的应用[J].实验技术与管理，2016（4）：73-76.
[2]田利，徐冬梅，王彬彬.自制微型实验仪器在化学实验教学中的应用[J].长春师范学院学报，2012（6）：141-144.
[3]樊吉瑞.信息技术在物理实验教学中运用的思考[J].中国教育技术装备，2012（19）：124-125.