木材科學與工程專業波譜分析課程的案例式教學改革

胡冬英

摘? 要：波譜分析課程能夠利用四大譜圖（紫外-可見分光光譜、傅里葉變換紅外吸收光譜、質譜、核磁共振譜）解析物質的物理化學性質，對于本科生科研能力的培養具有重要的鋪墊作用。傳統教學過程中偏重于四大譜圖基礎理論知識和具有通性的譜圖解析步驟，往往忽視了課程所面對的不同專業學生的特殊性和實際需求。因此，專門針對木材科學與工程專業學生的波譜分析課程案例式教學改革，有利于學生更好地將已學習的四大波譜基礎理論用于專業性更強的生物質組分物理化學性質的解析中，為畢業后繼續從事與專業科研相關的試驗分析、學術深造等提供強有力的支撐。

關鍵詞：波譜分析;木材科學與工程專業;案例式教學改革

中圖分類號：G420? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）35-0052-03

波譜分析是以物質的物理或物理化學性質為基礎的一類以儀器作為分析測量主要手段的分析方法，主要用于有機分子的定性和定量分析[1]。木材科學與工程專業屬于農林高校中的重要一級學科林業工程下的重點建設專業，本專業所研究的生物質材料領域的基礎科學問題和實際應用也一直是各大綜合性院校中材料類、化學類、可再生能源類專業所研究的重點。課程對于木材科學與工程專業學生在校期間的科研活動、創新能力培養、導師制課程的有效推進、創新學分的獲得、畢業論文的順利開展、后續步入相關專業科研領域研究的基礎構建具有非常重要的紐帶作用。傳統教學過程中，更多地重視紫外光譜、紅外光譜、有機質譜、核磁共振的基礎理論知識和具有通性的譜圖解析步驟，往往忽視了課程所面對的不同專業學生的實際需求[2]。通過波譜分析結合木材科學與工程專業的案例式課程教學改革，能夠更好地培養本專業學生利用所學波譜分析基礎理論知識解決與專業息息相關的有機分子結構定性、定量分析的實際問題，提高其解析專業相關有機化合物譜圖的能力，為之后的科研活動打下扎實的基礎。

因此，木材科學與工程專業波譜分析課程圍繞案例式教學改革方向，從教學內容安排和教學方式改革兩方面充分體現木材科學與工程的專業特性，打造特色鮮明的專屬課程。

一、教學內容改革

（一）線上教學內容

線上教學內容主要包括了波譜分析常規內容的講解以及線上測試兩部分。常規內容主要包括紫外-可見吸收光譜、傅里葉變換紅外吸收光譜、質譜、核磁共振（13C、1H譜）的基礎理論知識和常見的有機化合物的譜圖講解和解析，以及線上隨堂測試、討論、答疑、期中測試等環節。線上教學內容作為木材科學與工程專業學生基礎理論知識奠定基礎的關鍵教學活動，占據著非常重要的地位，對于線下教學效果的提升具有非常關鍵的作用。

（二）線下教學內容

線下教學內容主要包括以下幾個部分。對于簡單線上教學內容知識點的補充和深化，前沿研究進展的總結和剖析;具體的實驗操作，包括儀器的使用和維護、分析軟件的安裝和具體使用、譜圖的解析等;案例討論：詳細到本專業學生未來將要面臨的幾大主要生物質組分的譜圖剖析，如紫外-可見吸收光譜、傅里葉變換紅外吸收光譜、質譜、核磁共振譜在生物質組分（纖維素、半纖維素、木質素、抽提物）研究中的具體分析應用;育教于學，思政融于教學，思政推動教學;多樣化考核的具體實施優化教學結構，提高教學活動育人質量。

二、教學方式改革

（一）線上-線下結合助力教學

對于常規波譜分析相關的基礎理論和簡單譜圖分析內容，由學生課前通過中國大學生慕課平臺以及相關推薦教材的研讀等環節進行自主學習，并完成課前預習、線上簽到、答題考核、討論、期中測試等重要環節。結合線下與自身專業息息相關的案例式教學，用好線上所學與線下實操“雙節棍”，實現理論與實踐的完美結合，舉一反三，提高學生將所學知識應用于實際分析的專業能力。線下教學的重點為涉及本專業的專業性內容，聚焦該專業的前沿研究領域，充分利用案例式教學方式，提供更豐富和更深入的譜圖解析，拓寬學生的整體學習效果傳統視角，培養學生前沿的思維方式和能力。

（二）實操輔助教學

鑒于波譜分析課程實驗教學對于培養學生綜合能力的重要性，不同專業譜圖解析的巨大差異性，即便學生學習完該課程包括儀器、基礎理論、譜圖解析等在內的所有內容，仍然很大概率上不知道如何操作儀器、獲得譜圖數據，依然面臨無從下手解析的問題[3]。因此，課程改革提出以木材科學與工程專業學生在未來將要面臨的最常見物質為實驗對象，通過儀器的操作、譜圖分析軟件的使用、譜圖的實操分析，從而通過實驗教學打破原有局限，真正解決學生在實際應用中的困惑。

案例1：紫外-可見吸收光譜在木質素方面的研究，主要集中在不同來源、不同基本單元、木質素改性、木質素中酚羥基含量、溶劑的選擇等方面的實操與分析。如不同廠家的紫外-可見吸收光譜儀器的操作、紫外-可見吸收光譜儀器的全光譜掃描和特定波長下的吸光度和透過率的測定、紫外-可見吸收光譜的譜圖解析中吸收波長大小的分析、吸收波長與官能團結構的關聯性分析、譜圖在定性分析和定量分析中的作用等。

案例2：傅里葉變換紅外吸收光譜在生物質三大組分鑒定中的研究，主要集中于三大組分（纖維素、半纖維素、木質素）的紅外譜圖的測定和不同官能團的特征峰位置的鑒別。如通過不同位置的特征峰的存在與否判定生物質中三大組分的存在與否、羥基特征峰的峰型和強度分析組分間的相互作用、纖維素晶型結構的輔助分析、對于改性纖維素取代度的計算等。

案例3：質譜分析、核磁共振譜圖分析在半纖維素、木質素、抽提物的譜圖測定的實操、具體的分析步驟和方法，主要集中于不同來源原料的化學組成的鑒定分析。如不同組分在進行核磁共振譜圖測定是13C、35P、1H譜的選擇、不同組分在進行核磁共振譜圖測定時溶劑的選擇、不同組分在質譜分析測定時溶劑的選擇、質譜具體測定儀器的選擇等。

（三）思政融于教學

波譜分析技術發展的歷程中離不開眾多科學家們的努力，使得對化合物的解析從化學分析不斷地走向精準的儀器分析，推動了自然科學的長足進步。這樣一門涉及大量物理、化學、生物等領域權威科學的課程，充分體現了科學家們不懈努力奮斗促進科學不斷發展的光輝歷程。從科學發展歷程的艱辛、科學家的嚴謹鉆研等方面恰如其分地將思政內容融入課堂教學，通過思政內容的傳授助力教學往高質量培養學生方面發展[4]。

案例1：紫外-可見吸收光譜對于推動科學技術水平發展的重要作用。

案例2：傅里葉變換紅外吸收光譜章節所涉及的與生活實際息息相關的檢測手段的應用，由社會、生活實例與科學研究的有機結合引出科技推動社會生產力等方面的客觀事實，現象與本質之間的關系。

案例3：質譜分析、核磁共振譜圖分析等章節中所涉及的諾貝爾獎的經典案例，由諾貝爾獎引申科學研究的基本原則。

（四）多樣化考核推動教學

大學課程的傳統考核方式通常包含平時成績和期末成績兩部分，存在考核方式單一、學生平時松懈，期末突擊式復習、課程結束后知識掌握不牢固的問題。波譜分析作為木材科學與工程專業學生在導師制課程、大學生創新訓練項目、本科畢業實驗和論文及后期繼續深造都起到非常關鍵作用的一門課程，學習效果顯得尤為重要，考核的科學性正是保證學生學習質量好壞的關鍵。因此，在本課程中，采用多樣化考核，即貫穿整個課程階段的多樣化考核，包括簽到、線上答題、課堂表現、線下課堂隨堂測試、課后作業、案例式討論、實驗過程、實操結果的分析和呈現、期中測試、期末非標準化考核等方式。

（五）案例-討論充實教學

傳統的教學方式往往是教師在講臺上講，學生在講臺下聽，如此被動式的教育模式不利于充分調動學生的積極性，提高學生的參與度。高校亟須針對目前學生存在的強自我意識，參與度較低等特點，以及傳統教學方式單一的缺點，提出更有利于提高學生參與度的案例討論式教學模式[5]。具體而言，即在不同章節（紫外-可見分光光譜、傅里葉變換紅外吸收光譜、質譜、核磁共振、綜合譜圖解析）課程結束時，首先就不同章節與木材科學與工程專業緊密相關的知識點與實際應用之間的邏輯對應關系，重要內容進行總結梳理。在學生充分掌握基礎理論和常規譜圖分析的基礎上，將木材科學與工程專業所涉及的具有代表性的案例分析納入重點內容，提高學生利用所學譜圖解析專業問題的綜合能力。生物質組分中纖維素、半纖維素、木質素、抽提物均可采用四大波譜進行測試表征和分析研究。因此，通過案例式教學講解四大波譜在生物質組分化學結構分析中的應用，是非常有意義的，讓學生能真正做到學有所用，學有所長，舉一反三，達到事半功倍的效果。

案例1：紫外-可見吸收光譜在生物質組分研究中的應用，主要集中于講解紫外-可見吸收光譜在木質素、半纖維素、抽提物化學結構分析中的應用，其中側重于木質素的紫外-可見吸收光譜解析。由于木質素作為芳香族化合物，具有共軛結構，在紫外區域具有強烈的吸收，因此重點講解紫外-可見吸收光譜在定性（最大吸收波長）和定量（吸光度大小）測定生物質原料、紙漿和造紙廢液中的木質素含量、種類方面的具體應用。

案例2：傅里葉變換紅外吸收光譜在生物質組分研究中的應用，主要集中于講解紅外吸收光譜在纖維素、木質素、半纖維素、抽提物化學結構分析中的應用。側重對傅里葉變換紅外吸收光譜在生物質組分官能團結構歸屬、吸收峰強度變化與分子間相互作用、吸收峰的紅移和藍移與分子結構變化之間的對應關系以及其在定量方面的部分應用領域。講解前沿的傅里葉變換紅外吸收光譜與其他分析技術聯合應用于生物質組分分析鑒定的實例。

案例3：質譜分析在生物質組分研究中的應用，主要集中于講解質譜分析在木質素、半纖維素、抽提物化學結構分析中的應用。著重就木質素、半纖維素、抽提物的組成成分以及與質譜的對應關系，不同組分測定時質譜儀器（離子源、質量分析器）的選擇，不同組分熱解產物的質譜圖峰歸屬問題等進行詳細的介紹和學習討論。尤其是利用質譜分析解析不同生物質原料抽提物的組分差異性方面的實例。

在案例式教學的基礎上，繼續進行討論式教學，將學生分為4組，分別對應四個主題（纖維素、半纖維素、木質素、抽提物），建立學生課下準備、課堂討論提問、課后總結等環節，請學生在課下收集好相關資料，并進行分析總結;每組同學在課上進行陳述，其他小組成員和老師對該小組所有同學進行提問。通過案例討論環節給學生以自主權、緊迫感，從而真正調動學生的積極性，提高學生的課堂參與度。

三、結語

波譜分析課程是一門為了提升木材科學與工程專業學生基礎科學研究能力而開設的專業選修課，致力于培養學生利用波譜分析的手段解決專業所涉及的實際研究問題的能力。通過教學內容改革（線上、線下）和教學方式改革（線上-線下結合助力教學、實操輔助教學、思政融于教學、多樣化考核推動教學、案例-討論充實教學）兩方面，充分發揮案例式教學改革的優勢，實現專業知識與分析手段的緊密結合，達到“所學為所用”的教學目的。

參考文獻：

[1] 李繼貞. 有機波譜分析課程緒論部分的教學設計[J]. 化學教育，2016，37（12）：8-10.

[2] 熊慧，劉新橋，楊光忠，等. “探究式教學模式”在波譜分析課程中的應用與探索[J]. 時珍國醫國藥，2018，29（05）：1217-1218.

[3] 朱鵬飛，劉梅. 有機波譜分析課程教學改革探索與實踐[J]. 化工高等教育，2016，33（06）：23-25.

[4] 李園園，蒲紅爭，曾寒露，等. 課程思政融入波譜分析教學的認識與探討[J]. 重慶第二師范學院學報，2021，34（02）：107-110.

[5] 辜玲慧，馬文博，李喆宇. 波譜分析教學改革與探索[J]. 廣東化工，2020，47（03）：216+228.

（薦稿人：李寧，廣西大學資源環境與材料學院副教授）

（責任編輯：淳潔）