木材科學(xué)與工程專業(yè)波譜分析課程的案例式教學(xué)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(zhì)譜、核磁共振譜）解析物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，對于本科生科研能力的培養(yǎng)具有重要的鋪墊作用。傳統(tǒng)教學(xué)過程中偏重于四大譜圖基礎(chǔ)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(yè)學(xué)生的特殊性和實際需求。因此，專門針對木材科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的波譜分析課程案例式教學(xué)改革，有利于學(xué)生更好地將已學(xué)習(xí)的四大波譜基礎(chǔ)理論用于專業(yè)性更強的生物質(zhì)組分物理化學(xué)性質(zhì)的解析中，為畢業(yè)后繼續(xù)從事與專業(yè)科研相關(guān)的試驗分析、學(xué)術(shù)深造等提供強有力的支撐。

關(guān)鍵詞：波譜分析;木材科學(xué)與工程專業(yè);案例式教學(xué)改革

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

波譜分析是以物質(zhì)的物理或物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)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(xué)與工程專業(yè)屬于農(nóng)林高校中的重要一級學(xué)科林業(yè)工程下的重點建設(shè)專業(yè)，本專業(yè)所研究的生物質(zhì)材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)問題和實際應(yīng)用也一直是各大綜合性院校中材料類、化學(xué)類、可再生能源類專業(yè)所研究的重點。課程對于木材科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生在校期間的科研活動、創(chuàng)新能力培養(yǎng)、導(dǎo)師制課程的有效推進、創(chuàng)新學(xué)分的獲得、畢業(yè)論文的順利開展、后續(xù)步入相關(guān)專業(yè)科研領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)構(gòu)建具有非常重要的紐帶作用。傳統(tǒng)教學(xué)過程中，更多地重視紫外光譜、紅外光譜、有機質(zhì)譜、核磁共振的基礎(chǔ)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(yè)學(xué)生的實際需求[2]。通過波譜分析結(jié)合木材科學(xué)與工程專業(yè)的案例式課程教學(xué)改革，能夠更好地培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生利用所學(xué)波譜分析基礎(chǔ)理論知識解決與專業(yè)息息相關(guān)的有機分子結(jié)構(gòu)定性、定量分析的實際問題，提高其解析專業(yè)相關(guān)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(chǔ)。

因此，木材科學(xué)與工程專業(yè)波譜分析課程圍繞案例式教學(xué)改革方向，從教學(xué)內(nèi)容安排和教學(xué)方式改革兩方面充分體現(xiàn)木材科學(xué)與工程的專業(yè)特性，打造特色鮮明的專屬課程。

一、教學(xué)內(nèi)容改革

（一）線上教學(xué)內(nèi)容

線上教學(xué)內(nèi)容主要包括了波譜分析常規(guī)內(nèi)容的講解以及線上測試兩部分。常規(guī)內(nèi)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(zhì)譜、核磁共振（13C、1H譜）的基礎(chǔ)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(huán)節(jié)。線上教學(xué)內(nèi)容作為木材科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)理論知識奠定基礎(chǔ)的關(guān)鍵教學(xué)活動，占據(jù)著非常重要的地位，對于線下教學(xué)效果的提升具有非常關(guān)鍵的作用。

（二）線下教學(xué)內(nèi)容

線下教學(xué)內(nèi)容主要包括以下幾個部分。對于簡單線上教學(xué)內(nèi)容知識點的補充和深化，前沿研究進展的總結(jié)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(xì)到本專業(yè)學(xué)生未來將要面臨的幾大主要生物質(zhì)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(zhì)譜、核磁共振譜在生物質(zhì)組分（纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、抽提物）研究中的具體分析應(yīng)用;育教于學(xué)，思政融于教學(xué)，思政推動教學(xué);多樣化考核的具體實施優(yōu)化教學(xué)結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)活動育人質(zhì)量。

二、教學(xué)方式改革

（一）線上-線下結(jié)合助力教學(xué)

對于常規(guī)波譜分析相關(guān)的基礎(chǔ)理論和簡單譜圖分析內(nèi)容，由學(xué)生課前通過中國大學(xué)生慕課平臺以及相關(guān)推薦教材的研讀等環(huán)節(jié)進行自主學(xué)習(xí)，并完成課前預(yù)習(xí)、線上簽到、答題考核、討論、期中測試等重要環(huán)節(jié)。結(jié)合線下與自身專業(yè)息息相關(guān)的案例式教學(xué)，用好線上所學(xué)與線下實操“雙節(jié)棍”，實現(xiàn)理論與實踐的完美結(jié)合，舉一反三，提高學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于實際分析的專業(yè)能力。線下教學(xué)的重點為涉及本專業(yè)的專業(yè)性內(nèi)容，聚焦該專業(yè)的前沿研究領(lǐng)域，充分利用案例式教學(xué)方式，提供更豐富和更深入的譜圖解析，拓寬學(xué)生的整體學(xué)習(xí)效果傳統(tǒng)視角，培養(yǎng)學(xué)生前沿的思維方式和能力。

（二）實操輔助教學(xué)

鑒于波譜分析課程實驗教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要性，不同專業(yè)譜圖解析的巨大差異性，即便學(xué)生學(xué)習(xí)完該課程包括儀器、基礎(chǔ)理論、譜圖解析等在內(nèi)的所有內(nèi)容，仍然很大概率上不知道如何操作儀器、獲得譜圖數(shù)據(jù)，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(xué)與工程專業(yè)學(xué)生在未來將要面臨的最常見物質(zhì)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(xué)打破原有局限，真正解決學(xué)生在實際應(yīng)用中的困惑。

案例1：紫外-可見吸收光譜在木質(zhì)素方面的研究，主要集中在不同來源、不同基本單元、木質(zhì)素改性、木質(zhì)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(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)的輔助分析、對于改性纖維素取代度的計算等。

案例3：質(zhì)譜分析、核磁共振譜圖分析在半纖維素、木質(zhì)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(xué)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(zhì)譜分析測定時溶劑的選擇、質(zhì)譜具體測定儀器的選擇等。

（三）思政融于教學(xué)

波譜分析技術(shù)發(fā)展的歷程中離不開眾多科學(xué)家們的努力，使得對化合物的解析從化學(xué)分析不斷地走向精準(zhǔn)的儀器分析，推動了自然科學(xué)的長足進步。這樣一門涉及大量物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域權(quán)威科學(xué)的課程，充分體現(xiàn)了科學(xué)家們不懈努力奮斗促進科學(xué)不斷發(fā)展的光輝歷程。從科學(xué)發(fā)展歷程的艱辛、科學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)鉆研等方面恰如其分地將思政內(nèi)容融入課堂教學(xué)，通過思政內(nèi)容的傳授助力教學(xué)往高質(zhì)量培養(yǎng)學(xué)生方面發(fā)展[4]。

案例1：紫外-可見吸收光譜對于推動科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展的重要作用。

案例2：傅里葉變換紅外吸收光譜章節(jié)所涉及的與生活實際息息相關(guān)的檢測手段的應(yīng)用，由社會、生活實例與科學(xué)研究的有機結(jié)合引出科技推動社會生產(chǎn)力等方面的客觀事實，現(xiàn)象與本質(zhì)之間的關(guān)系。

案例3：質(zhì)譜分析、核磁共振譜圖分析等章節(jié)中所涉及的諾貝爾獎的經(jīng)典案例，由諾貝爾獎引申科學(xué)研究的基本原則。

（四）多樣化考核推動教學(xué)

大學(xué)課程的傳統(tǒng)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(xué)生平時松懈，期末突擊式復(fù)習(xí)、課程結(jié)束后知識掌握不牢固的問題。波譜分析作為木材科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生在導(dǎo)師制課程、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目、本科畢業(yè)實驗和論文及后期繼續(xù)深造都起到非常關(guān)鍵作用的一門課程，學(xué)習(xí)效果顯得尤為重要，考核的科學(xué)性正是保證學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量好壞的關(guān)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(xiàn)、線下課堂隨堂測試、課后作業(yè)、案例式討論、實驗過程、實操結(jié)果的分析和呈現(xiàn)、期中測試、期末非標(biāo)準(zhǔn)化考核等方式。

（五）案例-討論充實教學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往是教師在講臺上講，學(xué)生在講臺下聽，如此被動式的教育模式不利于充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的參與度。高校亟須針對目前學(xué)生存在的強自我意識，參與度較低等特點，以及傳統(tǒng)教學(xué)方式單一的缺點，提出更有利于提高學(xué)生參與度的案例討論式教學(xué)模式[5]。具體而言，即在不同章節(jié)（紫外-可見分光光譜、傅里葉變換紅外吸收光譜、質(zhì)譜、核磁共振、綜合譜圖解析）課程結(jié)束時，首先就不同章節(jié)與木材科學(xué)與工程專業(yè)緊密相關(guān)的知識點與實際應(yīng)用之間的邏輯對應(yīng)關(guān)系，重要內(nèi)容進行總結(jié)梳理。在學(xué)生充分掌握基礎(chǔ)理論和常規(guī)譜圖分析的基礎(chǔ)上，將木材科學(xué)與工程專業(yè)所涉及的具有代表性的案例分析納入重點內(nèi)容，提高學(xué)生利用所學(xué)譜圖解析專業(yè)問題的綜合能力。生物質(zhì)組分中纖維素、半纖維素、木質(zhì)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(xué)講解四大波譜在生物質(zhì)組分化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，是非常有意義的，讓學(xué)生能真正做到學(xué)有所用，學(xué)有所長，舉一反三，達(dá)到事半功倍的效果。

案例1：紫外-可見吸收光譜在生物質(zhì)組分研究中的應(yīng)用，主要集中于講解紫外-可見吸收光譜在木質(zhì)素、半纖維素、抽提物化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，其中側(cè)重于木質(zhì)素的紫外-可見吸收光譜解析。由于木質(zhì)素作為芳香族化合物，具有共軛結(jié)構(gòu)，在紫外區(qū)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(zhì)原料、紙漿和造紙廢液中的木質(zhì)素含量、種類方面的具體應(yīng)用。

案例2：傅里葉變換紅外吸收光譜在生物質(zhì)組分研究中的應(yīng)用，主要集中于講解紅外吸收光譜在纖維素、木質(zhì)素、半纖維素、抽提物化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用。側(cè)重對傅里葉變換紅外吸收光譜在生物質(zhì)組分官能團結(jié)構(gòu)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(lán)移與分子結(jié)構(gòu)變化之間的對應(yīng)關(guān)系以及其在定量方面的部分應(yīng)用領(lǐng)域。講解前沿的傅里葉變換紅外吸收光譜與其他分析技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于生物質(zhì)組分分析鑒定的實例。

案例3：質(zhì)譜分析在生物質(zhì)組分研究中的應(yīng)用，主要集中于講解質(zhì)譜分析在木質(zhì)素、半纖維素、抽提物化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用。著重就木質(zhì)素、半纖維素、抽提物的組成成分以及與質(zhì)譜的對應(yīng)關(guān)系，不同組分測定時質(zhì)譜儀器（離子源、質(zhì)量分析器）的選擇，不同組分熱解產(chǎn)物的質(zhì)譜圖峰歸屬問題等進行詳細(xì)的介紹和學(xué)習(xí)討論。尤其是利用質(zhì)譜分析解析不同生物質(zhì)原料抽提物的組分差異性方面的實例。

在案例式教學(xué)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進行討論式教學(xué)，將學(xué)生分為4組，分別對應(yīng)四個主題（纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、抽提物），建立學(xué)生課下準(zhǔn)備、課堂討論提問、課后總結(jié)等環(huán)節(jié)，請學(xué)生在課下收集好相關(guān)資料，并進行分析總結(jié);每組同學(xué)在課上進行陳述，其他小組成員和老師對該小組所有同學(xué)進行提問。通過案例討論環(huán)節(jié)給學(xué)生以自主權(quán)、緊迫感，從而真正調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的課堂參與度。

三、結(jié)語

波譜分析課程是一門為了提升木材科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)科學(xué)研究能力而開設(shè)的專業(yè)選修課，致力于培養(yǎng)學(xué)生利用波譜分析的手段解決專業(yè)所涉及的實際研究問題的能力。通過教學(xué)內(nèi)容改革（線上、線下）和教學(xué)方式改革（線上-線下結(jié)合助力教學(xué)、實操輔助教學(xué)、思政融于教學(xué)、多樣化考核推動教學(xué)、案例-討論充實教學(xué)）兩方面，充分發(fā)揮案例式教學(xué)改革的優(yōu)勢，實現(xiàn)專業(yè)知識與分析手段的緊密結(jié)合，達(dá)到“所學(xué)為所用”的教學(xué)目的。

參考文獻(xiàn)：

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

[3] 朱鵬飛，劉梅. 有機波譜分析課程教學(xué)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(xué)的認(rèn)識與探討[J]. 重慶第二師范學(xué)院學(xué)報，2021，34（02）：107-110.

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

（薦稿人：李寧，廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院副教授）

（責(zé)任編輯：淳潔）