以培養科研意識為目標的本科波譜學混合式教學設計

馬忠華，馬濟美，成協設，曹秀芳

華中農業大學理學院，武漢 430070

波譜分析方法對樣品的需求量少、檢測快速無損，能提供豐富的結構信息，廣泛應用在化學及藥物、材料、食品、生命科學等相關學科和領域。掌握波譜分析方法，是化學化工專業學生的基本功，是化學工作者從分子水平了解物質及其變化規律的必備技能。在基礎有機化學教學內容中，波譜分析方法是重要的章節內容，在許多重點高校，波譜學是專業必修課程。以成果導向教育理念(OBE)為導向進行波譜學課程設計[1]，對于培養本科生的解譜能力，解決畢業論文環節出現的突出問題，有重要作用。我們對波譜學課程教學模式進行了改革實踐，通過線上教學與線下討論結合、文獻研讀與解譜練習結合的“雙結合”模式，在提升學生解譜能力的同時，培養學生的科學研究意識和素養，使課程教學實現“教”與“育”的統一。

1 波譜學傳統教學中的問題

華中農業大學應用化學專業波譜學課程的先修課程包括無機化學、有機化學及實驗等，它們與波譜學內容關聯非常緊密，對于培養學生的專業意識影響很大。在實施課程教學過程中，出現以下一些亟需改進的不足。

(1) 在先修課程中，學生接受新知識、新理論，初步具備化學思維和意識。弊端是難免固化形成用理論解釋理論的思維習慣，從而輕數據和證據。

(2) 學生對課堂知識的鞏固，以做題為主。這是中學備考拿分行之有效的方式，本科生在大學學習中也習慣采用。弊端是做題習慣于尋求標準答案，形成非對即錯的定勢思維。

(3) 在實驗課程中學習新技能的同時，形成按部就班、照方抓藥的操作習慣。流程式完成實驗操作、提交結果，撰寫報告沒有針對性，僅僅是對實驗的總結。

如何引導學生從譜學數據出發解釋化學變化規律，培養學生基于證據去認知實驗結果的意識，是波譜學教學應該思考的問題。波譜學是用物理學的基本原理，獲取化學的數據，解析分子結構、物質組成，為化學理論和實驗結果提供證據[2]。例如，有機化學中苯環上的親電取代、取代基的定位效應，一般用電荷效應和共振論進行闡釋，波譜學則可以從化學位移的變化給出譜學數據，對定位效應進行解釋[3]。

2 教學材料和教學平臺的準備

2.1 線上教學資源的構建

教學資源是學生開展學習、教師開展教學的基礎。我們在教學中形成MOOC/SPOC+微信公眾號+長江雨課堂的線上資源，契合三個平臺的不同特點，將教學內容進行功能劃分，在三個平臺之間資源互補，為學生學習提供最大便利和可操作性。三個平臺的功能劃分如圖1所示。

圖1 網絡平臺承載在線教學資源的功能劃分示意圖

MOOC/SPOC平臺教學視頻和課件、閱讀材料、測試題庫等是線上學習的主要資源。我們依托中國大學MOOC平臺，前期自主開設了波譜學校內獨立SPOC課程，設置發布教學視頻30個、多媒體課件26個、自編章節測試69道題、自編譜圖庫文檔、閱讀材料等，內容主要涵蓋核磁、紅外、紫外和質譜，形成可獨立運作的線上教學體系，也覆蓋了線下教學的主體內容。教學中并不僵化規定學生學習線上視頻的時間，線下對傳統教學內容進行調整，精心設計課外討論、翻轉課堂和提交報告等環節，促使學生充分利用線上資源學習，具體做法詳見下文描述。課程于2021年轉為MOOC課程。

利用微信公眾號輔助，構建多平臺聯動資源。微信是公共社交平臺，微信公眾號接收資源，并不需要另外安裝手機APP，與MOOC/SPOC平臺的特點形成很好的互補。我們同步開設了“有機波譜學”微信公眾號，教學視頻、閱讀材料等主體資源與MOOC/SPOC平臺同步發布，形成多平臺聯動體系。這部分內容與SPOC的線上資源大體相同，學生學習在兩者間選其一即可，微信的娛樂性和便捷性，有利于學生突破認知新事物、接收新知識的心理壁壘。

通過長江雨課堂，實時發布教學動態信息，這是配合實施線下課堂教學的主要途徑。包括教學計劃、在線學習要求、線下討論內容與安排、教師對討論報告/作業的反饋等等。課堂上學生可以利用平板軟件，在同步顯示的課件上做電子筆記，也可回看課堂教學過程。

三個平臺配合實施教學，MOOC/SPOC導學、微信公眾號輔助、長江雨課堂強化過程實施，完成教、學、練、評等四個方面的綜合教學管理，為實現教學設計的高階性、創新性和挑戰度，提供了先決條件。

2.2 線下資源的組織

教學內容是線下教學的重要資源。線下教學分為兩個環節，一是課堂教學，主要依托多媒體課件進行講解，多媒體課件是線下教學內容的核心載體，也是線上資源的重要組成，是提升課程教學質量的基礎。二是課外交流討論，以考評討論報告、實施翻轉課堂的形式，落實討論效果，反向促進學生自主學習線上資源，達到復習鞏固基礎知識點、提升解決問題能力的教學目的。

2.2.1 課件重構課程內容

在課件形式上，我們注重實現對抽象理論的具象化呈現。主要采用如下做法：(1) Chemoffice等化學軟件獲取專業素材，凸顯課件的專業屬性。包括化學符號、自帶的圖片、ChemBio3D構建分子模型等；(2) 采取多張幻燈片分步展示復雜理論，分散教學難點，便于設計和后期修改；(3) 采用Flash及其他圖片處理軟件進行設計，或者設置ChemBio3D模型規律性旋轉，可獲取gif動態圖片、美化圖片，可彌補PowerPoint的局限性。

如圖2(左)所示是對Larmor進動內容的動態具象化設計。自旋的小球gif由Flash輔助設計，圖片表示磁性核；小球回旋的軌跡表示Larmor進動軌跡，使用Powerpoint動畫功能實現。圖2(右)是解釋鄰位耦合常數3J的值與二面角關系的模型，形象說明軌道重疊帶來的(超)共軛效應(二面角180°)對譜學性質的影響[4]，模型素材很容易從Chemoffice軟件獲取。

圖2 多媒體課件對教學內容的重構

使學生認識譜學性質與模型之間的聯系，培養學生模型認知的能力，運用模型解釋譜學數據，也是波譜學教學的目標之一，有利于幫助學生建立解決復雜化學問題的思維框架。這也符合現代有機化學教學的變革趨勢[5]。

同時，我們也注重與教學內容相關的文獻數據的解讀。例如，我們在講述核磁共振的章節內容時，引入1952年物理諾貝爾獎得主Bloch的文章數據，引導學生了解核磁發展的歷史和趨勢[6]，同時讓學生熟悉科研論文的特點和思路。文獻原文表示作者使用數千高斯的外磁場，采用最高1特斯拉計算，質子共振頻率僅為42.6 Hz，現代核磁外磁場則發展到約23特斯拉，質子共振頻率提升了20倍以上。這些科學研究背景的介紹，對于發展學生的科學研究思維也是有幫助的。

2.2.2 立足實踐組織課外討論

課外討論不僅僅是課堂教學的延伸，更是提升學生能力、對學生進行專業素養和科研精神培養的重要陣地。隨著課程學習的深入，教學應該培養學生質疑與求證的意識，在實驗課程學習新技能的過程中，對于實驗結果，可以引導學生思考“如何知道合成的物質一定是對的？”，在完成操作的基礎上多一些質疑和思考。波譜學課程的教學目標之一，是讓學生能夠從譜學數據出發，對化合物結構、對化學反應機理進行解析、闡釋。

我們采取小組課外討論結合討論報告和翻轉課堂的模式，輔助課堂教學實施教學設計。

教師提出的討論內容，是小組討論能否取得良好效果的先決因素。我們構建兩個層次的討論題。第一層次是基礎部分，主要是對課堂教學的重難點內容簡單改編獲得，學生可以結合SPOC視頻復習鞏固課堂內容；第二層次是綜合部分，題目來自于科研文獻改編，或者教師的科研成果，要求學生在完成第一層次討論題的基礎上，進一步進行討論。教師可以對單一文獻的結果進行改編，也可以對不同文獻的數據和結果進行對比分析，提出問題，供學生討論。這樣，這部分內容自帶科學研究的屬性，學生嘗試尋求標準答案解題時，會遭遇很大的困惑而被迫做出改變，進而體會到科學研究解決問題的思路。這也是課外討論的關鍵內容。

以紅外章節為例，綜合討論題的內容，我們選取了氧化石墨烯這一研究熱點作為對象，對比研讀兩篇文獻的數據信息后[7,8]，將相關信息改編為問題，要求學生討論。題干及相應圖譜信息如下：

氧化石墨烯(graphene oxide，GO)為單原子層二維網絡結構，由sp2和sp3兩種雜化碳原子構成，表面含有大量的含氧官能團，可以看成類苯環結構，結構如圖3所示。科研工作者通過FT IR，UV等光譜法研究GO中官能團的結構、組成和含量(Nat. Mater.2010,9, 840-845；光譜學與光譜分析, 2020,40(6), 1722-1727)。

圖3 紅外章節綜合討論題提供的圖譜內容

我們結合不同文獻的觀點，設計的主要討論內容如下：

(1) 1646 cm?1的強峰，文獻有兩種觀點，一是認為是類苯環結構(C＝C)特征峰，另一種解釋為COOH中C＝O伸縮振動峰。我們要求學生結合課堂學習內容，判斷哪一種說法更合理。

這個問題沒有標準答案，是一個開放性的問題，兩種觀點都有文獻支持，學生在討論過程中，能進一步加深對官能團紅外吸收峰的記憶和理解。更重要的是，通過討論，讓學生意識到，譜學數據來自于實踐操作，數據信息繁雜，這可能會造成解讀困難，解讀數據時可能會帶有主觀意識。多解譜、多練習、多實踐才是提升識譜、解譜能力的關鍵，也是從譜學數據得出科學、合理結論的基礎。

(2) 1724 cm?1的肩峰，弱但是很清晰，文獻認為是結構中含有少量醛(酮)羰基結構。我們要求學生討論，這個觀點是否合理，并給出詳細的理由。

這個問題所涉及的內容，在授課內容的基礎上有所變化。課堂講解羰基吸收峰一般是紅外中的最強吸收，1724 cm?1在峰位置上與羰基相符但峰強度弱，學生在討論過程中，能認識到峰強度與官能團的含量有關系。更重要的是，通過討論，讓學生意識到，不同的表征對象(小分子與高分子材料)呈現的譜學規律可能會有所差異，譜學數據的解析也不是純粹依靠理論臆測，而是要結合對象的特點和制備過程，結合具體實驗條件，給出科學合理的解釋。

(3) 1273 cm?1和1244 cm?1兩個信號峰，文獻將其中一個歸屬為結構中存在的環氧基(C―O―C)。我們要求學生討論，這兩個信號和1051 cm?1峰，究竟哪一(幾)個歸屬為環氧基更合理。

這同樣是一個開放性的問題，不同文獻中歸屬并不完全一樣。學生在討論過程中，可以加深理解環結構對官能團峰位的影響的認識，1051 cm?1峰是C―O通常出現的吸收峰，但并不是三元環C―O―C的吸收峰，是唯一能被肯定排除的信號。更重要的是，通過討論，進一步加深學生理解如何科學解析表征數據，在考慮材料特征的同時仍然要遵循基本的理論。

(4) 給出紫外光譜，要求學生討論紫外與紅外光譜給出的信息的一致性，并對信號峰給出具體歸屬。紫外在230 nm出現強的吸收峰，在300 nm左右出現寬的肩峰。

這個討論題主要是讓學生熟悉多個表征手段解析的技巧，培養學生進行多譜圖解析的意識。學生在討論過程中，可以理解不同表征手段給出證據的側重點，同時意識到，多手段表征是科學研究中所經常采用的手段，表征數據的一致性是非常重要的。

綜上所述，綜合討論題在培養學生科學素養和意識方面，是很有意義的。一是尊重實驗數據、培養他們理論與實踐相結合的意識，以及從實踐出發，解釋“反常”數據的能力和意識。二是理論指導實踐的意識，培養學生依據理論預測、解釋數據和實驗事實的能力。三是通過文獻調研解惑的意識。學生在討論過程中會查閱原始文獻以尋求答案，進而培養學生開展文獻調研的能力。四是團隊協作精神。一般而言，受限于初學者的知識局限，學生個體無法給出綜合題的討論結果，小組的協作是必不可少的。

我們對紫外、核磁、質譜等章節內容均給出綜合討論題，尤其是核磁部分，充分給學生提供實踐解譜的機會。每次討論時長以2學時為基準，各小組自行安排時間，排除小組之間時間安排沖突的因素，教師的參與率約70%，這一方面有利于重點把控綜合題的正確討論方向，提升了學生參與度，取得良好效果。教師對關鍵討論點的引導，能起到畫龍點睛、提高討論效率的作用；另一方面，對于教師了解課堂教學效果、更好實施線下教學提供參考。而且，教師的授課思想，能在小組交流中進一步貫徹實施。

小組討論為翻轉課堂的順利實施提供保證，討論報告和翻轉課堂則夯實課外討論的成效。對討論撰寫的基本要求是，具體一例一解，遵循科研論文中數據解析的寫法，對信號峰進行歸屬、解析、討論，避免做成簡單總結；對綜合討論題，清晰闡述觀點，避免出現機械追求標準答案的情況。小組討論報告分工協作完成，集中整理后提交，禁止拷貝書本概念、定義、一般性結論、PPT內容等，以文字段落為主，適當配清晰的圖表。

教師對小組討論報告嚴格考評，計入總評成績，并及時對各組報告給出反饋意見，逐一評判報告優缺點。各小組可在討論報告的基礎上準備翻轉課堂講解/答辯內容，各小組講解/答辯的題目隨機抽簽決定，鼓勵“生問生答”及“師問生答”，鼓勵團隊作答。如圖4所示，是學生對上述圖3所示的綜合討論題的報告內容，教師對討論報告的反饋示例，以及學生小組討論、翻轉課堂“生問生答”的實景圖片。討論報告未及時提交，或報告考評不及格且未及時修正的小組，取消翻轉課堂講解/答辯資格，這一環節小組全體成員考評分記零。這能有效促進小組成員的參與式學習，促進學生的團隊協作精神。

圖4 學生課外討論報告(左)、教師反饋示例(中)及小組討論和翻轉課堂實施(右)

3 教學反思與效果評價

3.1 課程中段的教學反饋

我們在課程中段設置了課后問卷調查，以了解學生對教學模式的反饋。對于線下授課，65.5%的學生認為課程進度偏快，83.6%表示只能勉強記憶內容。這表明混合式授課模式對學生學習方式的沖擊是比較大的。83.6%的學生采取觀看線上視頻的方式進行鞏固學習，16.4%表示基本不看線上資源，顯然這部分學生的學習積極性需要進一步調動。

3.2 課程效果評價與反思

課外討論和翻轉課堂能有效促進學生參與式學習。課外討論的反饋情況見表1 (1)、(2)部分。由表1 (1)可以看出，67.3%的學生認為第一層次的基礎討論題能為鞏固課堂內容提供有效幫助，另有7.3%要求繼續加大討論題量。我們認為這是一個較為合理的結果，表明基礎一般或較好的同學，可以無障礙參與討論并有所收獲，這足以帶動其余約25.5%的同學參與。

第二層次的綜合討論題(表1 (2))明顯提升了難度，74.6%的學生反應信息量大，70.9%認為不太好給準確答案。這符合我們設計開放性問題、培養學生科學探討精神的初衷。47.3%認為討論題與文獻結合緊密，對了解科學研究有幫助。幾乎沒有人認為綜合討論題能簡單獲取答案。我們也注意到，30.9%的學生反饋太難，與表1 (1)中25.5%的被動參與討論的數據相近，表明總體約有1/4的同學在討論過程中是被動性參與。

表1 (3)表明80%的學生認可討論、報告、翻轉課堂環節能提高課程實用性、增強科學研究意識，并希望進一步加強。絕大多數學生(89.1%)認為應該合理安排翻轉課堂時間，使課堂更高效、實用。幾近90%認可討論報告的意義(表1 (4))，其中50.9%認為規范討論報告很有必要。36.4%的學生表達出降低討論報告要求的意愿，表明完成報告對學生形成了一定的壓力；38.2%要求進一步明確討論報告的要求，表明報告的作用在我們的教學模式中得到體現，規避了報告流于形式的情況發生。這對于強化過程考核，增強學生嚴謹、規范寫作的科學意識，還是很有作用的。

表1 關于課外討論實踐效果的部分問卷調查結果

采取線上線下教學與線下討論結合、文獻研讀與解譜練習結合的“雙結合”方式，基本能夠達到課程內容學習的既定目標。

華中農業大學在學期末段，由學生不記名對課程教學進行網絡評教，分為評分(5分制)和評語兩部分。從課程評分來看，95%的學生認為學習高效，93%的學生認為學習氛圍好，能激發學習興趣，93%的學生認為課程教學啟發了思考，提高了分析、解決問題的能力，評價給出5分，其他學生也給出4分較高分。學生的評語提到“翻轉課堂教學十分有效”，“教學深入淺出，注重課外文獻資料的查詢，對于學生拓展思維很有益處。”這表明線上線下教學與線下討論結合、文獻研讀與解譜練習結合的“雙結合”方式，在知識傳授和能力提升方面都得到學生認可，教學效果達到預期，教學模式的調整對學生學習方式的沖擊，最終能通過激發學生課外自主學習很好彌補，并對學習效果帶來質的變化和提升。

不足的是，在“教書與育人統一，引導樹立積極人生態度”評價方面，僅有76%的學生評價5分。這表明在課程思政方面應進一步完善，在注重提升學生科學素養和科學意識的同時，也應進一步強化對學生人生觀和價值觀的引領。不過，從學生反饋的感受和建議來看，學生通過課外討論和翻轉課堂受到啟發后，開始思考應該如何面對今后象牙塔之外的“不舒適”的人生道路，直言“即使同學們都不太想討論，但這部分仍然很重要，幫助大家走出舒適圈”，“以小見大，在象牙塔中便需學習的能力，在社會上也是不可或缺的，望自己在大學生涯中增添羽翼，未來更好前行”。圖5列出部分同學對課程的建議和感想。

圖5 學生對課程的部分反饋信息

4 結語

多樣化教學手段和教學模式是當前信息化教學發展的趨勢，對于培養學生學習能力，適應學科和社會發展的需求，很有價值和必要性。但同時，這些新的模式對學生的學習、思維方式也形成沖擊，對學習難度、學習態度，都提出新的挑戰。基于線上教學與線下討論結合、文獻研讀與解譜練習結合的“雙結合”方式，課程資源的構建，是實現教學模式改革的基礎條件，線上資源的構建必須與線下教學實踐相輔相成。線下討論中，通過學生熟悉的解題方式，將文獻數據信息改編融合，促進學生了解、思考文獻調研以及科學研究的一些問題，通過實踐感知波譜學課程的實用性。而線下討論，不僅是課堂教學的延伸，更是課堂教學內容的升華，是貫徹教師教學思想的重要陣地。這一模式把線上線下教學有機結合，有效增強學生學習興趣，提升學生學習的參與度，對學生的科學素養和專業思想的形成，都起到積極作用。

致謝：感謝華中農業大學理學院應用化學專業2019、2018級同學的積極參與，感謝2019級鄭世杰、李嘉琪、喻昊、王智穎、史蒙蒙、蔣夢涵、溫欣靈等同學提供相關資料圖片。