分析測(cè)試課程中拉曼及拉曼成像技術(shù)教學(xué)改革探討

魏文嫻 周 俊 王赪胤

（揚(yáng)州大學(xué)測(cè)試中心 江蘇·揚(yáng)州 225127）

當(dāng)今社會(huì)，先進(jìn)分析測(cè)試技術(shù)的課程教育是培養(yǎng)高素質(zhì)科研人才中不可或缺的一部分。[1]在我校，有一門針對(duì)研究生開設(shè)的名為“現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)與儀器”的公共課，其中有“拉曼及拉曼成像技術(shù)”課程的教學(xué)，吸引了不同專業(yè)學(xué)生的興趣和關(guān)注。拉曼光譜是一種可以用于分析分子化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)等信息的現(xiàn)代檢測(cè)分析技術(shù)，相對(duì)于其它光譜分析方法而言，拉曼光譜具有非破壞性、非侵入性、高度自動(dòng)化、光譜分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。[2-4]此外，以圖像形式觀測(cè)物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)等信息的拉曼光譜成像技術(shù)，將共聚焦顯微鏡技術(shù)與激光拉曼光譜技術(shù)完美結(jié)合，可以被廣泛應(yīng)用到電池、石墨烯、材料、薄膜、單晶、藥物等研究領(lǐng)域，因此同樣具有重要的應(yīng)用價(jià)值。為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更好的理解和掌握拉曼光譜相關(guān)技術(shù)的知識(shí)要點(diǎn)，從而能夠?qū)⒃擃惣夹g(shù)用于以后的科研和工作中，本文將結(jié)合拉曼光譜與成像技術(shù)的特點(diǎn)以及教學(xué)工作中的難點(diǎn)，討論、探索拉曼技術(shù)課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)建設(shè)方法。以下分別從教學(xué)中存在問題、改革目標(biāo)以及主要改革措施三方面進(jìn)行探討。

1 教學(xué)中存在的問題

在教學(xué)中，“拉曼及拉曼成像技術(shù)”課程主要包含了四部分的內(nèi)容：拉曼光譜的原理、拉曼光譜及成像儀器的結(jié)構(gòu)、光譜數(shù)據(jù)的分析方法以及拉曼技術(shù)的應(yīng)用。在授課過程中，主要還是采用了教師主講的方式，由于拉曼光譜原理深?yuàn)W，光譜解析較為復(fù)雜，“填鴨式”的教學(xué)方法難以完全調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性；另外，拉曼光譜技術(shù)雖然已經(jīng)在各研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但由于拉曼信號(hào)一般較弱，尤其容易受到熒光的干擾、從而導(dǎo)致拉曼信號(hào)極弱甚至不可見，學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)過程中，無法理解這種現(xiàn)象，更無法獨(dú)立去解決這種問題，因此覺得拉曼光譜技術(shù)太復(fù)雜，減弱了學(xué)習(xí)拉曼光譜技術(shù)的興趣。所以在老師授課過程中，學(xué)生更易于出現(xiàn)玩手機(jī)甚至逃課等現(xiàn)象。此外，在實(shí)驗(yàn)課上，由于大型精密儀器往往操作都比較復(fù)雜和繁瑣，一般還是選擇老師操作、學(xué)生觀看的授課方式，學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)就能掌握操作的步驟。因而，雖然學(xué)生學(xué)習(xí)了這門課程，然而在實(shí)際科研過程中，并不能真正地將該技術(shù)應(yīng)用于自己的研究課題中。

2 改革目標(biāo)

通過“拉曼及拉曼成像技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生真正理解拉曼光譜儀器的工作原理和基本操作過程；能夠了解不同樣品在進(jìn)行拉曼光譜測(cè)試之前的準(zhǔn)備工作、學(xué)會(huì)選取合適的光譜測(cè)試條件；讓學(xué)生們能夠掌握拉曼譜帶分析歸屬的方法以及推測(cè)化合物的分子結(jié)構(gòu)的能力，能夠從拉曼光譜圖以及成像圖中獲得需要的結(jié)構(gòu)信息，最終可以將該先進(jìn)技術(shù)用于實(shí)際研究中。

3 主要改革措施

3.1 課件內(nèi)容的及時(shí)更新

近些年，拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展很快，這一方面得益于激光技術(shù)的發(fā)展，另一方面得益于納米技術(shù)迅猛發(fā)展，使表面增強(qiáng)拉曼光譜和針尖增強(qiáng)拉曼光譜在超高靈敏度檢測(cè)方面獲得了很大的進(jìn)步，從而推動(dòng)拉曼光譜成為達(dá)到單分子檢測(cè)水平的技術(shù)；此外，拉曼成像光譜儀器的開發(fā)，也推動(dòng)拉曼技術(shù)得到進(jìn)一步的應(yīng)用。僅拉曼成像技術(shù)而言，成像方式就具有多樣化，包括點(diǎn)、線、面掃描式拉曼光譜成像以及基于光譜重建的拉曼光譜成像等等。[5]因而，教師需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器設(shè)備，及時(shí)更新課件的內(nèi)容，改革教學(xué)方法，在教授新知識(shí)的過程中增加對(duì)比性、探究性、趣味性等多層次實(shí)驗(yàn)，以拉曼光譜理論知識(shí)為基礎(chǔ)，探索建立一套較為完善的、靈活且新穎的拉曼及拉曼成像光譜教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。[6]

3.2 調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

3.2.1 結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例

對(duì)于學(xué)生而言，枯燥的原理往往會(huì)讓他們對(duì)學(xué)習(xí)新技術(shù)望而止步。因此，在授課前，教師可以首先調(diào)查學(xué)生在測(cè)試過程中遇到的問題和難點(diǎn)，然后針對(duì)這些問題，從實(shí)際應(yīng)用案例入手，讓學(xué)生了解拉曼技術(shù)在他們熟悉的研究領(lǐng)域的應(yīng)用，這樣可以使課程內(nèi)容豐滿、充實(shí)、易于理解，更有利于學(xué)生熟悉和掌握拉曼分析測(cè)試技術(shù)。事實(shí)上，拉曼光譜在聚合物、生物大分子、無機(jī)物及金屬配合物、文物考古、寶石鑒定、公安與法學(xué)樣品、礦床學(xué)等方面的分析檢測(cè)都有廣泛的應(yīng)用。如果學(xué)生能夠了解到拉曼光譜在其研究領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，就更容易對(duì)該技術(shù)產(chǎn)生興趣，這樣可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、開拓他們的研究思路。

3.2.2 增加對(duì)比性實(shí)驗(yàn)

紅外光譜與拉曼光譜同屬于研究分子振動(dòng)的譜學(xué)方法，兩種測(cè)試技術(shù)原理不同，但可以相互補(bǔ)充。相比于紅外光譜儀而言，拉曼光譜儀相對(duì)比較貴重，因此有關(guān)拉曼光譜法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)尚未普及。[6]其實(shí)，相對(duì)于紅外光譜，拉曼光譜具有很多優(yōu)勢(shì)，如制樣方便，樣品可回收，可研究水溶液體系、可用于檢測(cè)黑色樣品以及無機(jī)物材料等，因此，教師在教學(xué)過程中，可以從學(xué)生更為熟悉的紅外光譜等技術(shù)入手，結(jié)合、對(duì)比紅外光譜的特點(diǎn)，讓學(xué)生了解到拉曼光譜與他們常用的測(cè)試技術(shù)之間的聯(lián)系和區(qū)別，這樣有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)拉曼光譜這種新技術(shù)測(cè)試原理的理解。

3.2.3 教學(xué)手段與時(shí)俱進(jìn)

高校的專業(yè)課程很多都具有體系復(fù)雜、信息量大的特點(diǎn)，因此，許多高校會(huì)嘗試新興的教學(xué)手段來增強(qiáng)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的參與度和對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。[7]教師在教學(xué)過程中，可以采用合適的多媒體手段進(jìn)行教學(xué)，從而充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)。教師可以融合文字、動(dòng)畫、音頻、視頻、圖片等素材，生動(dòng)形象的呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，這樣可以將枯燥的基礎(chǔ)理論知識(shí)采用動(dòng)畫演示等有趣的方式進(jìn)行教授，讓知識(shí)更易被理解和記憶。隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，未來將會(huì)有更多的先進(jìn)技術(shù)用于課堂教學(xué)，作為教師，更應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，努力提高自身的教學(xué)水平，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性。

3.3 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)

在實(shí)驗(yàn)課上，安排采取小組實(shí)驗(yàn)的方式，這樣可以使每個(gè)學(xué)生都能夠有充足的時(shí)間動(dòng)手練習(xí)，其間，教師僅作適當(dāng)?shù)奶崾竞椭笇?dǎo)。[8]鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合自己的研究課題，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的資源自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提供多元化的樣本進(jìn)行檢測(cè)，讓學(xué)生帶著思考去實(shí)驗(yàn)。結(jié)合課堂原理講解，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中了解拉曼光譜儀器的測(cè)試原理及影響因素。對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生從技術(shù)原理出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有儀器的條件，調(diào)整測(cè)試方案，比如激發(fā)波長(zhǎng)的選擇，光柵的改變以及激光器能量的確定等等，從而有效獲得不同樣本的拉曼光譜。結(jié)合實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)獲得的光譜圖進(jìn)行解析。比如對(duì)于人體骨肉瘤細(xì)胞而言，DNA拉曼出峰位置在784 cm-1，蛋白質(zhì)出峰在1640-1644 cm-1，2900-2950 cm-1范圍內(nèi)的拉曼峰可歸屬于脂類，1001 cm-1是氨基酸的特征峰；而對(duì)于石墨烯類碳材料而言，通過測(cè)量材料的拉曼光譜，可以判斷石墨烯的層數(shù)、邊緣結(jié)構(gòu)、張力變化以及摻雜狀態(tài)等結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特征。在獲悉這些信息后，可以進(jìn)一步對(duì)樣品進(jìn)行成像檢測(cè)，從而獲得不同組分的空間分布情況；也可以對(duì)光譜進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析，如求導(dǎo)、歸一化、傅里葉變化、濾波等，從而獲得組分的定性和半定量信息。這樣既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又提高了他們獨(dú)立工作的水平，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，分析了我校“現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)與儀器”課程中“拉曼及拉曼成像技術(shù)”講授過程中遇到的問題，圍繞如何改善教學(xué)質(zhì)量、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情提出具體教學(xué)改革措施。課程知識(shí)的傳授和教學(xué)方法的改革任重道遠(yuǎn)，需要教師與時(shí)俱進(jìn)、不斷完善教學(xué)課程，使學(xué)生具有自主學(xué)習(xí)分析的能力，從而有助于學(xué)生獨(dú)立開展研究工作。