林 翔,承 強(qiáng),余 徽,吳 潘,田 文

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,四川 成都 610065)

紅外光譜技術(shù)是有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)表征最常用且不可或缺的技術(shù)之一，在高?；瘜W(xué)、藥學(xué)、材料學(xué)等專業(yè)的教學(xué)和科研中廣泛應(yīng)用。紅外光譜實(shí)驗(yàn)作為四川大學(xué)本科生實(shí)驗(yàn)課程，在理工科類學(xué)生中開設(shè)，是提高本科生儀器分析技能的重要手段。但是，目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在以下2個問題：1)教學(xué)目的較籠統(tǒng)、概括，缺乏針對性的、具體的內(nèi)容和操作練習(xí)；2)教師主要以實(shí)驗(yàn)報告為依據(jù)判斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程完成情況，對學(xué)生現(xiàn)場操作技能的考核缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。上述問題亦是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在的問題。因此，對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革已成為高等教育工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。教學(xué)目標(biāo)分類學(xué)的思想是教育工作者逐步認(rèn)同并采納的教學(xué)方法之一[1-2]，已有報道將其應(yīng)用于我國法學(xué)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)和護(hù)理等領(lǐng)域的教學(xué)研究[3-6]。

作為四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院共用儀器平臺傅立葉變換紅外光譜儀的設(shè)備管理者和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師，作者積累了較為豐富的紅外光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。本文以教學(xué)目標(biāo)為指導(dǎo)，以培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力和分析解決問題能力為目的，對本科生紅外光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了探索與改進(jìn)。

1 教學(xué)改進(jìn)的研究思路

針對當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，改進(jìn)教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程示意圖如圖1所示。

圖1 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程示意圖

以學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后取得的預(yù)期學(xué)習(xí)成果確定實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)，綜合應(yīng)用布魯姆和加涅的分類評價方法[1-7]，以價值(塑造)、能力(培養(yǎng))、知識(傳授)為分類指導(dǎo)，對教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行分類。根據(jù)不同類型教學(xué)目標(biāo)的特點(diǎn)，采用相應(yīng)的教學(xué)策略，實(shí)施教學(xué)，并以圖1所列的考察形式為主，結(jié)合其他考察形式。教師根據(jù)現(xiàn)場教學(xué)情況、學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報告的情況及學(xué)生的反饋信息評價教學(xué)結(jié)果，對教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行修訂。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

2.1 紅外光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的分析

紅外光譜實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)了有機(jī)結(jié)構(gòu)波譜分析課程之后，將紅外光譜分析理論知識與實(shí)踐結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是制藥工程、生物工程等專業(yè)的必修實(shí)驗(yàn)課程。以往的教學(xué)目的包括：1)了解紅外光譜儀的基本構(gòu)造及工作原理；2)學(xué)會用紅外光譜對化合物進(jìn)行定性分析；3)掌握紅外光譜測定各種物態(tài)樣品的制備方法并了解其優(yōu)缺點(diǎn)。上述知識點(diǎn)存在以下3個不足：1)教學(xué)目的較籠統(tǒng)、概括，缺乏針對性的、具體的內(nèi)容和練習(xí)；2)忽視了對學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程的考核和評價；3)重事實(shí)性、概念性與程序性知識，忽視對學(xué)生情感態(tài)度、價值塑造的引導(dǎo)[8]。

2.2 紅外光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

將紅外光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程分為以下6個部分：1)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)；2)了解傅立葉變換紅外光譜儀的基本構(gòu)造及工作原理；3)掌握紅外光譜分析常用的制樣技術(shù)—KBr壓片法；4)掌握Spectrum 分析軟件的基本應(yīng)用；5)整理實(shí)驗(yàn)區(qū)域；6)進(jìn)行紅外譜圖分析，完成實(shí)驗(yàn)報告。按照上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程，確定的教學(xué)目標(biāo)包括：1)比較棱鏡、光柵與傅里葉變換三種光譜采集形式；2)邁克爾遜干涉儀的工作原理和主要作用；3)樣品測試附件的功能和適用范圍；4)固體制樣中，溴化鉀的作用、用量和純度要求；5)壓片模具和液壓機(jī)的正確使用；6)應(yīng)用Spectrum 軟件進(jìn)行儀器參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)收集、峰位標(biāo)注、文件保存；7)使用origin軟件處理紅外測試數(shù)據(jù)；8)以蘆丁為例，學(xué)習(xí)在AIST數(shù)據(jù)網(wǎng)站在線查詢紅外譜圖，比較蘆丁樣品測試譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖的差異；9)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時的“5S”意識，即整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)；10)實(shí)驗(yàn)記錄與實(shí)驗(yàn)報告書寫清晰、規(guī)范[8-11]。

2.3 結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的教學(xué)目標(biāo)分類探索

以教學(xué)目標(biāo)分類理論為指導(dǎo)，結(jié)合文獻(xiàn)[12]的12條畢業(yè)要求，建立了紅外光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)分類及其與畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)表,表中列出教學(xué)目標(biāo)可完成工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的12條畢業(yè)要求中的指標(biāo)。

如表1所示，將紅外光譜實(shí)驗(yàn)的10項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)按照知識(傳授)、能力(培養(yǎng))、價值(塑造)的框架進(jìn)行分類[1-2,6-7,13-14]，為了避免分類過于籠統(tǒng)而不便于在教學(xué)中針對不同類型的教學(xué)目標(biāo)實(shí)施有效的教學(xué)策略，又將知識目標(biāo)和能力目標(biāo)進(jìn)行了二級分類?！笆聦?shí)性知識”“概念性知識”和“程序性知識”屬于知識目標(biāo)范疇。能力目標(biāo)即實(shí)驗(yàn)技能，可劃分為“智慧技能”“動作技能”和“實(shí)際運(yùn)用”三種類型。將上述三類進(jìn)一步做二級分類，“智慧技能”包括“陳述化水平”和“程序化水平”；“動作技能”含“操作水平”；“實(shí)際運(yùn)用”包括“方法運(yùn)用水平”和“問題解決水平”。

表1 紅外光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)分類及其與畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)表

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中的策略分析

以教學(xué)目標(biāo)分類為指南，實(shí)踐中的教學(xué)策略分析[15-16]如下：表1中第1)～第4)項(xiàng)屬事實(shí)性和概念性知識。要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段完成，采取現(xiàn)場隨機(jī)抽選學(xué)生回答；要求教師預(yù)先準(zhǔn)備能有效覆蓋教學(xué)目標(biāo)的問題。第5)和第6)項(xiàng)屬于程序性知識。在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段，采用循環(huán)播放視頻的形式，有助于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)操作。預(yù)習(xí)后，學(xué)生分組進(jìn)行儀器操作，教師按照操作技能點(diǎn)，逐項(xiàng)考查學(xué)生各操作技能的完成情況，并對出現(xiàn)的問題及時糾正。需強(qiáng)調(diào)：由于每一位學(xué)生對知識接受能力、動手能力等的差異，教師應(yīng)差別化對待，分級指導(dǎo)，以達(dá)到使學(xué)生獲得知識，提高能力的目的。第7)和第8)項(xiàng)是自主學(xué)習(xí)項(xiàng)，第7)項(xiàng)要求掌握origin軟件的基本應(yīng)用，并繪制紅外譜圖；第8)項(xiàng)采用在線查找的形式，學(xué)習(xí)在AIST網(wǎng)站查找蘆丁的標(biāo)準(zhǔn)譜圖(如圖2a所示)，并與從槐米中提取的蘆丁自制品的紅外測試譜圖(如圖2b所示)進(jìn)行對比，著重要求學(xué)生掌握以峰位、峰形和峰強(qiáng)為紅外譜圖解析三要素。第9)和第10)項(xiàng)屬情感價值類目標(biāo)。教師在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，講解撰寫實(shí)驗(yàn)報告的要求，實(shí)驗(yàn)中向?qū)W生指出做好儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)臺面清潔整理工作的要求。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)的評價及思考

4.1 學(xué)生對教學(xué)方法的評價和建議

本文以紅外光譜實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改進(jìn)研究案例，在四川大學(xué)本科生開設(shè)的制藥工程和生物工程的專業(yè)實(shí)驗(yàn)中已實(shí)踐了5 年，每年有150余名學(xué)生受益。

學(xué)生對教學(xué)的評價是，紅外光譜分析實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)清晰明確，按照教學(xué)目標(biāo)要求可逐條完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；能夠系統(tǒng)掌握傅里葉變換紅外光譜儀的原理、操作流程和壓片機(jī)的使用，是壓片、光譜采集、數(shù)據(jù)分析處理全過程的一個綜合性實(shí)踐訓(xùn)練。學(xué)生對后續(xù)改進(jìn)的建議是，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時，教師應(yīng)指出實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)性問題，如壓片作為實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵操作之一，通過控制加樣量、正確的壓片操作，以獲得符合紅外分析使用的樣片；教師應(yīng)多次強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)，如KBr用量的定量控制，壓片模具、研缽使用的注意事項(xiàng)等；并提醒學(xué)生思考壓片操作需注意的環(huán)節(jié)，提高壓片的成功率；要求學(xué)生在預(yù)習(xí)報告中回答實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)。

4.2 教學(xué)方法改進(jìn)前后的比較

與傳統(tǒng)紅外光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比較:1)改進(jìn)后的教學(xué)目標(biāo)較傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)目的更具體，學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容認(rèn)識更清晰，教學(xué)目標(biāo)是學(xué)生學(xué)習(xí)的指南；2)理論知識方面，增加了紅外儀器工作原理介紹的相關(guān)知識；3)能力培養(yǎng)方面，增加了使用origin軟件、利用互聯(lián)網(wǎng)平臺對紅外光譜測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理和分析問題的能力，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識；4)價值塑造方面，強(qiáng)化了對學(xué)生實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和實(shí)驗(yàn)規(guī)范的要求，注重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的科研素養(yǎng)；5)教學(xué)方法方面，更注重過程考核，教師對學(xué)生的操作進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)、評分，有利于教師了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的掌握情況。

4.3 教師對教學(xué)改進(jìn)的評價和思考

基于教學(xué)目標(biāo)分類法，論文研究以本科生紅外光譜實(shí)驗(yàn)為教學(xué)改進(jìn)案例，將該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)分為價值(塑造)、能力(培養(yǎng))、知識(傳授)三類，實(shí)施教學(xué)。研究從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面改進(jìn)了紅外光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)，突出對學(xué)生綜合實(shí)踐能力、分析解決問題能力的培養(yǎng)。同時，結(jié)合紅外光譜實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)際，制定了切實(shí)可行的情意類教學(xué)目標(biāo)。并且，針對現(xiàn)場教學(xué)中，學(xué)生壓片操作出現(xiàn)的裂片、壓片一次成功率低的問題，在原有教學(xué)安排觀看教學(xué)視頻的基礎(chǔ)上，增加教師現(xiàn)場演示壓片操作環(huán)節(jié)。針對學(xué)生反饋的建議，將實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)列為預(yù)習(xí)報告內(nèi)容，供學(xué)生思考、提前知曉實(shí)驗(yàn)中需注意的問題。論文通過本科生紅外光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)的初步探討，形成了更清晰、易于評測兼顧價值、能力、知識三維發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，建立了可參考、借鑒的本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

(a)蘆丁的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖

(b)蘆丁自制品的紅外測試光譜圖