Journal of Chemical Education上刊登了一篇文章，介绍了一门给化学专业学生开设的微控制器应用课程。建议大家看看。
今时今日化学和材料学实验研究手段已经几乎100%电子化了。很多年前，在实验室做实验，各种测量是通过肉眼读刻度的。测量仪器的设计就是如何通过机械和光学上的设计，把待测量转化成可以通过刻度来读的信号。例如温度计就是通过热胀冷缩原理，把温度转化为体积变化，通过刻度来读数；机械分析天平通过机械和光路来放大微小的位移，也是打在一个刻度上。哪怕不是通过刻度，也很大程度上通过人眼辨别，例如阿贝折光仪。今时今日，没有什么量是不能通过传感器转化为电信号的了，所有测量都变成了测电流和测电压。我们直接看到的是显示在荧光屏上的读数。很多年前，要完成一个准确和精确的测量，我们要做的工序非常繁杂，每一步都必须十分仔细严格。例如，粘度法测分子量、密度瓶法测密度。但是在今天，也是拜传感器和电子技术所赐，很多仪器都能非常好地恒定或控制几乎所有物理量，免去了使用者的麻烦。所以，今天的研究生，无论是测量操作还是读数，都已经十分傻瓜；仪器商也是尽量把仪器做成这样，目标就是让用户一按按钮就出结果。
这种时代潮流，是不可逆转的。实验课的应有的意义已经不存在了。在刻度时代，实验课上一个实验的步骤本身就能够起到培养作用；现在必须另外开一门课去培养。很多人甚至还意识不到，进入了电子仪器时代之后，学生缺了的到底是哪方面的培养。也许在本科实验课，由于教学经费有限，学生学习的还是刻度时代的实验操作，不断地被强调“平视”、“估读”等肉眼使用技巧。可是当学生本科毕业，进入真正的科研实验室工作的时候，面对的是一部部具有fancy的ABS外壳和炫酷控制面板的仪器。之前实验课所培养的注意事项似乎跟这一现实是完全不相关，学生实际上是要重新建立实验测量原则。而在这一阶段，研究生往往没有机会重新受这方面的教育，而是在仪器商设计的傻瓜面版和Quick Starting Guide指导下变成一个傻瓜机用户。
我想列举一下哪些基本知识是必要的，但也未必全面。
首先，一些基本原则是一贯的。本科的普通物理实验课头两节课都不是具体实验，而是在课堂上介绍误差、准确度、精确度等概念，包括有效数字的四则运算等。这些原则，在刻度时代，学生可以在具体实验操作中体会，因为那个时代一个测量工具的精确度已经体现在刻度上了，学生得不出更多位有效数字，而且学生必须亲自把每次测量结果记录下来，列表，手算统计出均值和方差，对于准确度和有效数字的运算的印象可以被加深。可是在电子仪器的时代，学生失去了这种在实践中体会精神的机会。仪器可以给出计算机能够支持的任何浮点数，学生如果没有有效数字的概念，就会照抄仪器读数，所以这些基本原则是需要再次强调的。
我本科时代的普通物理实验笔记
其次，电子仪器的出现，一些老的问题已经不成问题了。例如，由于读数是直接显示在屏幕上的，所以就消除了人用肉眼读刻度带来的误差，两个同学读同一个读数，就不会受不同人的“眼神儿”差异的影响。甚至，在电子仪器时代盲人也可以读数。但电子仪器也带来新的问题，这就是信号处理的问题。分辨率、取样率、信噪比、模数转换、Nyquist频率等概念和原理变成了最起码的常识，但化学专业的学生不要说没有学这门课的机会，甚至不知道这些知识的存在。
再次，从刻度时代到电子时代的传换，一些物理量的测量基本原理其实并没有变，但是条件控制内置在了仪器内部，学生不用自己去担心诸如恒温、恒湿、恒容等问题，也不清楚仪器在这些问题上是否达到了要求。学生甚至不知道原来需要这些控制条件；而有一些物理量的测量原理变了，例如测密度，以前是用密度瓶、密度计，电子化之后是U型管振荡法，这些新的原理也需要学生去学习。总之在电子仪器的时代，只有对仪器的测量原理十分清楚，才能做好测量实验。但是现在的仪器所附的说明书往往不介绍或者只是简要介绍仪器的测量原理。要求仪器说明书达到理想的要求又很难。因为仪器的测量原理，往往涉及到至少以下几方面的内容：1. 学生不熟悉的物理效应，这往往本身就是大量的研究论文的知识储备，例如，有一种新仪器通过NMR弛豫测量胶溶剂分子状态识别处于胶体粒子表面的溶剂分子，得出其数量，从而计算胶体的比表面积。这一仪器的局限在什么地方？是不是什么样品都能测？哪怕我拿一个不三不四的样品放进去，仪器反正也能出个电流电压，不会没有读数，那到底可不可信？不仔细翻阅相关的原始论文去研判仪器的测量原理，是无法回答这一问题的。回答不了这一问题，这一仪器也就无法使用。可是仪器商来推销这一仪器，当然是无法好像原始论文的作者那样跟你讨论交流（他们甚至对自己仪器的认识还不如你凭你物理知识所估计出来的那样深）。他们推销的重点往往就是仪器的快速和易用性。这种推销思路，只能针对那些只出数据交差的研究生，忽悠不了导师们。2. 电子电路知识，一个现代测量仪器的设计，除了核心的物理机制之外，肯定最终要把信号进行处理和以一定的形式（电流？电压？）输出。这也是化学专业的学生不具备的知识。甚至说，有些核心元件需要保护，在使用时注意什么问题，学生也是一无所知。这种知识，一要解释，免不了涉及这一元件的构成和工作原理。例如，同样是测密度，学生在本科实验室的时候，好容易搞懂为什么密度瓶要这样设计，平时要怎么保护密度瓶，测量的时候要避免什么情况。到了实验室测试原理变成了U形管，该注意的问题，完全不一样了。
最后，也是更高的要求，就是还需要知道一些微机原理、一些机械设计原理、一些光学原理，懂得用微控制器DIY简单的测量设备。在研究中，要证实原创性的想法，往往需要的测量是没有现成仪器的。要测什么东西，自己DIY，应该是一种常态。可是中国的研究生思考课题的时候，往往是站在已有商用仪器的能力基础上去想的。甚至很多研究生只懂一个仪器，他想的就是这个仪器能测什么，我就研究什么。如果你叫一个化学专业的学生自己想办法把一个什么东西测出来，他甚至不知道有微控制器这种东西能够帮到他。有些测量需要一些简单的机械，学生也不知如何实现。更不用说很多测量是利用光学原理来实现的了，学生搭不了光路。你如果不开课，叫学生自学，他们会以为这是一个不可能的任务，以为你是叫他们把自动化专业、机械专业和光学专业的本科重新再读一遍。事实上这些能力是只要学过普通物理学就能上手的。开一门课，也未必需要把所有涉及到的能力都培养一遍。既然已经是研究生了，课程内容完全可以挂一漏万，关键只要传达一个信息，让学生对这些不熟悉而又十分重要的知识和技能改观，建立一种自信，从心理上把这些纳入自己该懂、能懂的知识范围，然后发挥研究生应有的自学能力补全知识即可。