本科生红外光谱实验教学改进的探索

林 翔,承 强,余 徽,吴 潘,田 文

(四川大学 化学工程学院,四川 成都 610065)

红外光谱技术是有机化合物结构表征最常用且不可或缺的技术之一，在高校化学、药学、材料学等专业的教学和科研中广泛应用。红外光谱实验作为四川大学本科生实验课程，在理工科类学生中开设，是提高本科生仪器分析技能的重要手段。但是，目前实验教学中存在以下2个问题：1)教学目的较笼统、概括，缺乏针对性的、具体的内容和操作练习；2)教师主要以实验报告为依据判断学生实验课程完成情况，对学生现场操作技能的考核缺乏统一的标准。上述问题亦是实验教学中普遍存在的问题。因此，对现有实验教学模式的改革已成为高等教育工作者关注的热点。教学目标分类学的思想是教育工作者逐步认同并采纳的教学方法之一[1-2]，已有报道将其应用于我国法学、化学实验和护理等领域的教学研究[3-6]。

作为四川大学化学工程学院共用仪器平台傅立叶变换红外光谱仪的设备管理者和实验指导教师，作者积累了较为丰富的红外光谱实验教学经验。本文以教学目标为指导，以培养和提高学生综合实践能力和分析解决问题能力为目的，对本科生红外光谱实验教学方法进行了探索与改进。

1 教学改进的研究思路

针对当前实验教学存在的不足，改进教学方法，实验教学流程示意图如图1所示。

图1 改进的实验教学流程示意图

以学生通过本实验项目后取得的预期学习成果确定实验教学的教学目标，综合应用布鲁姆和加涅的分类评价方法[1-7]，以价值(塑造)、能力(培养)、知识(传授)为分类指导，对教学目标进行分类。根据不同类型教学目标的特点，采用相应的教学策略，实施教学，并以图1所列的考察形式为主，结合其他考察形式。教师根据现场教学情况、学生完成实验报告的情况及学生的反馈信息评价教学结果，对教学目标进行修订。

2 实验教学目标设计

2.1 红外光谱实验教学目的分析

红外光谱实验是学生学习了有机结构波谱分析课程之后，将红外光谱分析理论知识与实践结合的实验项目，是制药工程、生物工程等专业的必修实验课程。以往的教学目的包括：1)了解红外光谱仪的基本构造及工作原理；2)学会用红外光谱对化合物进行定性分析；3)掌握红外光谱测定各种物态样品的制备方法并了解其优缺点。上述知识点存在以下3个不足：1)教学目的较笼统、概括，缺乏针对性的、具体的内容和练习；2)忽视了对学生实验操作过程的考核和评价；3)重事实性、概念性与程序性知识，忽视对学生情感态度、价值塑造的引导[8]。

2.2 红外光谱实验教学目标设计

将红外光谱实验教学进程分为以下6个部分：1)实验预习；2)了解傅立叶变换红外光谱仪的基本构造及工作原理；3)掌握红外光谱分析常用的制样技术—KBr压片法；4)掌握Spectrum 分析软件的基本应用；5)整理实验区域；6)进行红外谱图分析，完成实验报告。按照上述实验教学进程，确定的教学目标包括：1)比较棱镜、光栅与傅里叶变换三种光谱采集形式；2)迈克尔逊干涉仪的工作原理和主要作用；3)样品测试附件的功能和适用范围；4)固体制样中，溴化钾的作用、用量和纯度要求；5)压片模具和液压机的正确使用；6)应用Spectrum 软件进行仪器参数设置、数据收集、峰位标注、文件保存；7)使用origin软件处理红外测试数据；8)以芦丁为例，学习在AIST数据网站在线查询红外谱图，比较芦丁样品测试谱图与标准谱图的差异；9)培养学生实验时的“5S”意识，即整理、整顿、清扫、清洁、素养；10)实验记录与实验报告书写清晰、规范[8-11]。

2.3 结合工程教育专业认证的教学目标分类探索

以教学目标分类理论为指导，结合文献[12]的12条毕业要求，建立了红外光谱实验教学目标分类及其与毕业要求的关联表,表中列出教学目标可完成工程教育专业认证标准的12条毕业要求中的指标。

如表1所示，将红外光谱实验的10项教学目标按照知识(传授)、能力(培养)、价值(塑造)的框架进行分类[1-2,6-7,13-14]，为了避免分类过于笼统而不便于在教学中针对不同类型的教学目标实施有效的教学策略，又将知识目标和能力目标进行了二级分类。“事实性知识”“概念性知识”和“程序性知识”属于知识目标范畴。能力目标即实验技能，可划分为“智慧技能”“动作技能”和“实际运用”三种类型。将上述三类进一步做二级分类，“智慧技能”包括“陈述化水平”和“程序化水平”；“动作技能”含“操作水平”；“实际运用”包括“方法运用水平”和“问题解决水平”。

表1 红外光谱实验教学目标分类及其与毕业要求的关联表

3 实验教学实践中的策略分析

以教学目标分类为指南，实践中的教学策略分析[15-16]如下：表1中第1)～第4)项属事实性和概念性知识。要求学生在实验预习阶段完成，采取现场随机抽选学生回答；要求教师预先准备能有效覆盖教学目标的问题。第5)和第6)项属于程序性知识。在实验预习阶段，采用循环播放视频的形式，有助于学生观察实验操作。预习后，学生分组进行仪器操作，教师按照操作技能点，逐项考查学生各操作技能的完成情况，并对出现的问题及时纠正。需强调：由于每一位学生对知识接受能力、动手能力等的差异，教师应差别化对待，分级指导，以达到使学生获得知识，提高能力的目的。第7)和第8)项是自主学习项，第7)项要求掌握origin软件的基本应用，并绘制红外谱图；第8)项采用在线查找的形式，学习在AIST网站查找芦丁的标准谱图(如图2a所示)，并与从槐米中提取的芦丁自制品的红外测试谱图(如图2b所示)进行对比，着重要求学生掌握以峰位、峰形和峰强为红外谱图解析三要素。第9)和第10)项属情感价值类目标。教师在实验准备阶段，讲解撰写实验报告的要求，实验中向学生指出做好仪器设备及实验台面清洁整理工作的要求。

4 实验教学改进的评价及思考

4.1 学生对教学方法的评价和建议

本文以红外光谱实验为实验教学方法改进研究案例，在四川大学本科生开设的制药工程和生物工程的专业实验中已实践了5 年，每年有150余名学生受益。

学生对教学的评价是，红外光谱分析实验的学习目标清晰明确，按照教学目标要求可逐条完成实验内容；能够系统掌握傅里叶变换红外光谱仪的原理、操作流程和压片机的使用，是压片、光谱采集、数据分析处理全过程的一个综合性实践训练。学生对后续改进的建议是，在学生实验准备时，教师应指出实验可能出现的经验性问题，如压片作为实验的关键操作之一，通过控制加样量、正确的压片操作，以获得符合红外分析使用的样片；教师应多次强调注意事项，如KBr用量的定量控制，压片模具、研钵使用的注意事项等；并提醒学生思考压片操作需注意的环节，提高压片的成功率；要求学生在预习报告中回答实验的注意事项。

4.2 教学方法改进前后的比较

与传统红外光谱实验教学相比较:1)改进后的教学目标较传统教学的教学目的更具体，学生对学习内容认识更清晰，教学目标是学生学习的指南；2)理论知识方面，增加了红外仪器工作原理介绍的相关知识；3)能力培养方面，增加了使用origin软件、利用互联网平台对红外光谱测试数据与标准光谱数据进行分析比较，提高学生数据处理和分析问题的能力，培养自主学习和终身学习的意识；4)价值塑造方面，强化了对学生实验习惯和实验规范的要求，注重培养学生严谨、求实的科研素养；5)教学方法方面，更注重过程考核，教师对学生的操作进行现场指导、评分，有利于教师了解学生实验技能的掌握情况。

4.3 教师对教学改进的评价和思考

基于教学目标分类法，论文研究以本科生红外光谱实验为教学改进案例，将该实验的教学目标分为价值(塑造)、能力(培养)、知识(传授)三类，实施教学。研究从教学内容和教学方法两方面改进了红外光谱实验教学，突出对学生综合实践能力、分析解决问题能力的培养。同时，结合红外光谱实验的教学实际，制定了切实可行的情意类教学目标。并且，针对现场教学中，学生压片操作出现的裂片、压片一次成功率低的问题，在原有教学安排观看教学视频的基础上，增加教师现场演示压片操作环节。针对学生反馈的建议，将实验注意事项列为预习报告内容，供学生思考、提前知晓实验中需注意的问题。论文通过本科生红外光谱实验教学改进的初步探讨，形成了更清晰、易于评测兼顾价值、能力、知识三维发展的实验教学体系，建立了可参考、借鉴的本科生实验教学方法。

(a)芦丁的标准红外光谱图

(b)芦丁自制品的红外测试光谱图