基于項目式學習的“紅外光譜”教學設計
——以不同品種茶葉成分的初步測定為例

彭炳先，宋來強，隆路詩

(江西師范大學 化學化工學院，江西 南昌 330022)

項目式學習是基于新的課程理念下的一種任務驅動式學習方式，強調以學生為主體，突出學習的過程性、實踐性。這對于激發學生的學習興趣，增強求知欲，加強動手能力，在實踐中構建學科的核心概念和原理都具有極強的作用[1]。在我國化學教育中，有關項目式學習研究在中等教育階段較為成熟，而在高等教育階段相對較少，相應的教學案例研究少之又少。另外，高等化學學科教學一直在大家眼中是“重理論” “輕實驗”。通過“理論、實踐、思考”一體化項目式實踐教學，可以更好地調動學生學習的積極性，培養學生發散思維和創新能力[2]。本文以“紅外光譜”理論知識為基礎，以不同茶葉成分的初步測定為項目任務，進行項目式教學，以期為大學化學課堂提供切實可行的教學方式。

1 項目主題分析

“紅外光譜”是有機化合物的重要特征之一，其光譜比較復雜，但能與化合物的結構一一對應，具有高度的專屬性和特征性，常用于物質的鑒別[3]，是“分析化學” “儀器分析” “波譜解析”等大學化學必修課程中的主要內容，主要包括理論學習、實驗操作、數據處理三部分知識。對于此方面內容，學生需要掌握紅外光譜基本知識和紅外光譜儀測定原理，熟悉試樣成分測定操作流程，并掌握數據處理方法。目前大多高校采取理論、實踐分離的教學形式，雖然方便安排課程教學，但很容易導致學生陷入理論學習枯燥無味、實驗操作又過于程序化的局面。另外，有些高校化學實驗采用提前配置好試樣，很大程度上降低了學生的積極性，不利于學生學科素質的提升。本文筆者采用項目式教學的形式，以任務為驅動，調動學生學習的積極性，讓學生在真實情境下做研究，培養學生嚴謹求實的科學態度，熟練的儀器操作能力，養成良好的實驗習慣，造就創新優化的研究意識品質[4]。

我國是世界茶葉生產的源頭，是最早發現和利用茶的國家。輝煌的茶文化使“茶”儼然成為中國的代名詞之一。博大精深的中國茶文化，加之茶葉的保健養生作用以及綠色健康的特性，使得充滿活力的大學生群體對茶表現出了強烈的偏好。據研究表明，在本科學歷以上的人中，84%以上的人關注或消費茶[5]；有飲茶習慣的消費者中，有超過35%是形成于15～20歲的青年時期[6]。本文選取了以“成品茶葉成分初步測定”為研究主題，利用紅外光譜技術初步測定茶葉中的成分，探索不同種類茶葉對人體健康的影響。在此學習過程中，涵蓋了測定原理、儀器裝置、數據分析等關于紅外光譜的全部核心知識，培養了學生“崇尚科學真理，不迷信書本和權威”的科學態度，體現了“運用化學所學知識分析和探討某些事物有利于人類的健康發展”的社會價值，也為其他章節的教學提供了項目思路和可借鑒的模板。

2 項目教學目標

1)通過學習紅外光譜測定技術，理解并掌握紅外吸收光譜法基本原理及其解析方法，了解影響吸收峰位置的因素，正確判斷特征峰和相關峰；運用基頻峰位置、分布及典型光譜，區分烷、烯、芳香醇、酚、酮等常見有機化合物。

2)通過對茶葉成分的測定，熟練掌握固體樣品的制備方法，有效使用傅里葉變換紅外光譜儀測定物質光譜，熟練使用紅外光譜判斷物質類別，感受理論知識在現代科學技術中的應用。

3)通過分析不同品種茶葉成分的異同，歸納總結不同品種茶葉對人的身體健康可能產生的影響，體會科學技術對人類經濟社會發展帶來的巨大推動，增強對科學技術是第一生產力的認識。

3 項目任務及教學流程

“不同品種茶葉成分測定”項目學習過程包括“理論”“實踐”“思考”三個核心環節：基于紅外光譜法測定原理和傅里葉變換紅外光譜儀工作原理，設計實驗流程；基于實驗流程，分析茶葉主要成分；對項目研究過程及結果進行反思總結。教學過程注重在學生自主建構認知模型的基礎上，引導學生進行實驗探究，發展學生的化學學科素養，最終達成要求的學習目標。為使學生能夠順利完成本次學習活動，將部分環節進行細分。具體課時分配及流程如表1所示。

表1 “茶葉成分測定”項目學習流程

4 項目實施過程及學生學習成果

項目學習實施以第1、2課時任務3“實驗流程設計及光譜解析訓練”為例，呈現項目活動過程中的師生關鍵行為，從行為記錄中可看出學生學習的效果。

【教師提出驅動性問題】在通過紅外光譜技術測定物質成分前，需要制備試樣。制備分析試樣都有哪幾種方法，茶葉適合采用哪個方法？

【學生闡述】試樣分為固體試樣和液體試樣兩類。固體試樣的制備可以采用壓片法、糊膏法、薄膜法，液體試樣的制備可以采用液體池法、夾片法、涂片法。

【學生觀點】茶葉無法溶于水及有機溶劑，只能制作成固體試樣；薄膜法需要將物質熱熔成膜，而茶葉屬于不可融化物質，只能采用壓片法或糊膏法。

【教師追問】這兩種方法理論上都可以，如果從實際操作上考慮，這兩種方法是不是都可以呢？

【學生觀點】糊膏法是將固體試樣研細后分散在與其折射率相近的液體介質中研磨成均勻糊劑，后取適量糊劑夾于兩空白KBr片中，再進行測定的固體試樣制備方法，但是不同茶葉成分多樣，折射率也不盡相同。該方法不僅會增加工作量，也會造成更大的誤差，所以壓片法會更合適一些。

【教師追問】壓片法是將試樣和KBr粉末放在瑪瑙乳缽中研勻，再裝入壓片模具制備KBr樣片的方法。那么在此過程中需要注意什么？試樣需要前處理嗎？

【學生觀點】試樣要與KBr粉末均勻混合，必須要讓試樣的粒度足夠小，一般為200目，因此要對茶葉進行粉碎處理，再過200目過濾網。由于有些茶葉在制作過程中會留有水分，這會影響到實驗測定效果，因此還要對粉碎過篩后的茶葉進行烘干處理。

【教師引導】根據課前、課上所學內容設計茶葉成分測定流程圖(圖1)。

圖1 茶葉成分測定流程圖

【教師引導】紅外光譜技術除樣品測定外，關鍵是對樣品光譜的解析，我們一般對紅外光譜劃分為兩個區，兩個區有什么區別呢？

【學生闡述】紅外光譜可分為特征區和指紋區。紅外光譜特征區(4000～1300 cm-1)是化學鍵和基團的特征振動頻率區。特征區吸收峰較稀疏，易辨認，每一個吸收峰都和一定的基團相對應，一般可用于鑒定基團的存在。紅外光譜指紋區(1300～400 cm-1)吸收峰的特征性強，可用于區別不同化合物結構上的微小差異。猶如人的指紋，故稱為指紋區。通過指紋區查找相關吸收峰，以進一步佐證特征區確定的基團或化學鍵的存在，同時還可以確定化合物的細微結構。

【教師追問】那當我們拿到一份光譜時，又該如何分析呢？

【學生觀點】先在特征區鑒定出基團的特征峰，然后在指紋區找到相關峰對所鑒定的基團進行佐證。

【隨堂練習】已知某未知物A的紅外吸收光譜如圖2，試判斷其物質種類及其中含有的結構。

圖2 A的紅外吸收光譜

【學生觀點】特征區內第一強峰是 2970 cm-1，從峰位及峰強判斷可能是[ν(CH3)峰(2962±10 cm-1)]。查詢烷烴類甲基的一組相關峰數據得到：2970、2874、1476、1395 cm-1，因此可判斷物質結構中含有甲基。特征區的第二強峰 3360 cm-1，該峰位于(3500～3200 cm-1)區間，峰的強度大且為鈍峰，故判斷該峰可能是醇ν(OH)峰。查詢醇的一組相關峰數據得到：3360、1195、748 cm-1，因此可以判斷該物質為含有甲基的醇類物質。

【教師追問】1395 cm-1是佐證甲基存在的相關峰之一，而在它附近有個 1363 cm-1與之形成了雙峰。當化合物中存在有-CH(CH3)2、-C(CH3)3或-C(CH3)2時，由于振動偶合甲基峰會發生分裂，出現雙峰。那導致以上情況可能為哪一種情況呢？

【學生觀點】如果是異丙基，雙峰分別位于 1385 cm-1和1375 cm-1左右，其峰強基本相等：如果是叔丁基，雙峰分別位于 1365 cm-1和 1395 cm-1附近，且 1365 cm-1峰的強度要大于 1395 cm-1的強度。因此，很有可能是含有叔丁基，但是由于不清楚分子式，不能確定為哪一種叔丁基。

【教師小結】由于茶葉自身的性質，只能通過壓片法制備固體試樣；樣品測定完后，需要利用特征峰進行初步鑒定，再利用相關峰佐證鑒定，得出茶葉成分的所屬類別，完成對茶葉成分的初步測定。

5 項目反思

本次“茶葉成分的初步測定”的紅外光譜教學活動是針對大學化學的一次教學探索，有效改善了理論學習與實驗操作分開教學的傳統教學形成的時間跨度大，不利于學生對紅外光譜相關知識和技能整體學習的局面。此次教學探索使用了6個課時的課堂教學時間，學生根據各階段的項目任務，完成了從理論設計實驗到動手完成實驗、從分析處理數據到得出測定結果、再到最后的實驗總結反思的學習過程，全面提升了學生實驗探究的能力，實現了化學學科素養的有效提高。

當然，由于項目式學習開放性較大，突發事件發生頻率相對傳統教學較大，所以為了能夠在有限的時間內高效、順利開展項目，需要教師精心備課，提前預設可能出現的問題并設計好應對策略。另外，由于茶葉成分復雜多樣，學生又初步接觸紅外光譜技術，完成全部成分測定工作是不現實的，但學生通過完成“茶葉成分初步測定”的項目活動，不僅能達到紅外光譜教學有關目標，更能激發學生繼續探究物質成分的激情，為未來進行科學研究奠定基礎。同時，提醒教師在引進項目式教學時，不可盲目地將科學前沿直接引入課堂，需要在符合學生認知水平和滿足學生興趣的基礎上逐步地開展項目活動。