基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的“紅外光譜”教學(xué)設(shè)計(jì)
——以不同品種茶葉成分的初步測(cè)定為例

彭炳先，宋來強(qiáng)，隆路詩

(江西師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江西 南昌 330022)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是基于新的課程理念下的一種任務(wù)驅(qū)動(dòng)式學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，突出學(xué)習(xí)的過程性、實(shí)踐性。這對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)求知欲，加強(qiáng)動(dòng)手能力，在實(shí)踐中構(gòu)建學(xué)科的核心概念和原理都具有極強(qiáng)的作用[1]。在我國(guó)化學(xué)教育中，有關(guān)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)研究在中等教育階段較為成熟，而在高等教育階段相對(duì)較少，相應(yīng)的教學(xué)案例研究少之又少。另外，高等化學(xué)學(xué)科教學(xué)一直在大家眼中是“重理論” “輕實(shí)驗(yàn)”。通過“理論、實(shí)踐、思考”一體化項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)，可以更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維和創(chuàng)新能力[2]。本文以“紅外光譜”理論知識(shí)為基礎(chǔ)，以不同茶葉成分的初步測(cè)定為項(xiàng)目任務(wù)，進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)，以期為大學(xué)化學(xué)課堂提供切實(shí)可行的教學(xué)方式。

1 項(xiàng)目主題分析

“紅外光譜”是有機(jī)化合物的重要特征之一，其光譜比較復(fù)雜，但能與化合物的結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)，具有高度的專屬性和特征性，常用于物質(zhì)的鑒別[3]，是“分析化學(xué)” “儀器分析” “波譜解析”等大學(xué)化學(xué)必修課程中的主要內(nèi)容，主要包括理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理三部分知識(shí)。對(duì)于此方面內(nèi)容，學(xué)生需要掌握紅外光譜基本知識(shí)和紅外光譜儀測(cè)定原理，熟悉試樣成分測(cè)定操作流程，并掌握數(shù)據(jù)處理方法。目前大多高校采取理論、實(shí)踐分離的教學(xué)形式，雖然方便安排課程教學(xué)，但很容易導(dǎo)致學(xué)生陷入理論學(xué)習(xí)枯燥無味、實(shí)驗(yàn)操作又過于程序化的局面。另外，有些高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用提前配置好試樣，很大程度上降低了學(xué)生的積極性，不利于學(xué)生學(xué)科素質(zhì)的提升。本文筆者采用項(xiàng)目式教學(xué)的形式，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生在真實(shí)情境下做研究，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，熟練的儀器操作能力，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，造就創(chuàng)新優(yōu)化的研究意識(shí)品質(zhì)[4]。

我國(guó)是世界茶葉生產(chǎn)的源頭，是最早發(fā)現(xiàn)和利用茶的國(guó)家。輝煌的茶文化使“茶”儼然成為中國(guó)的代名詞之一。博大精深的中國(guó)茶文化，加之茶葉的保健養(yǎng)生作用以及綠色健康的特性，使得充滿活力的大學(xué)生群體對(duì)茶表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的偏好。據(jù)研究表明，在本科學(xué)歷以上的人中，84%以上的人關(guān)注或消費(fèi)茶[5]；有飲茶習(xí)慣的消費(fèi)者中，有超過35%是形成于15～20歲的青年時(shí)期[6]。本文選取了以“成品茶葉成分初步測(cè)定”為研究主題，利用紅外光譜技術(shù)初步測(cè)定茶葉中的成分，探索不同種類茶葉對(duì)人體健康的影響。在此學(xué)習(xí)過程中，涵蓋了測(cè)定原理、儀器裝置、數(shù)據(jù)分析等關(guān)于紅外光譜的全部核心知識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生“崇尚科學(xué)真理，不迷信書本和權(quán)威”的科學(xué)態(tài)度，體現(xiàn)了“運(yùn)用化學(xué)所學(xué)知識(shí)分析和探討某些事物有利于人類的健康發(fā)展”的社會(huì)價(jià)值，也為其他章節(jié)的教學(xué)提供了項(xiàng)目思路和可借鑒的模板。

2 項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

1)通過學(xué)習(xí)紅外光譜測(cè)定技術(shù)，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(guān)峰；運(yùn)用基頻峰位置、分布及典型光譜，區(qū)分烷、烯、芳香醇、酚、酮等常見有機(jī)化合物。

2)通過對(duì)茶葉成分的測(cè)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(cè)定物質(zhì)光譜，熟練使用紅外光譜判斷物質(zhì)類別，感受理論知識(shí)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。

3)通過分析不同品種茶葉成分的異同，歸納總結(jié)不同品種茶葉對(duì)人的身體健康可能產(chǎn)生的影響，體會(huì)科學(xué)技術(shù)對(duì)人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來的巨大推動(dòng)，增強(qiáng)對(duì)科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的認(rèn)識(shí)。

3 項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

“不同品種茶葉成分測(cè)定”項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程包括“理論”“實(shí)踐”“思考”三個(gè)核心環(huán)節(jié)：基于紅外光譜法測(cè)定原理和傅里葉變換紅外光譜儀工作原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程；基于實(shí)驗(yàn)流程，分析茶葉主要成分；對(duì)項(xiàng)目研究過程及結(jié)果進(jìn)行反思總結(jié)。教學(xué)過程注重在學(xué)生自主建構(gòu)認(rèn)知模型的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，最終達(dá)成要求的學(xué)習(xí)目標(biāo)。為使學(xué)生能夠順利完成本次學(xué)習(xí)活動(dòng)，將部分環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)分。具體課時(shí)分配及流程如表1所示。

表1 “茶葉成分測(cè)定”項(xiàng)目學(xué)習(xí)流程

4 項(xiàng)目實(shí)施過程及學(xué)生學(xué)習(xí)成果

項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)施以第1、2課時(shí)任務(wù)3“實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)及光譜解析訓(xùn)練”為例，呈現(xiàn)項(xiàng)目活動(dòng)過程中的師生關(guān)鍵行為，從行為記錄中可看出學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。

【教師提出驅(qū)動(dòng)性問題】在通過紅外光譜技術(shù)測(cè)定物質(zhì)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(gè)方法？

【學(xué)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(xué)生觀點(diǎn)】茶葉無法溶于水及有機(jī)溶劑，只能制作成固體試樣；薄膜法需要將物質(zhì)熱熔成膜，而茶葉屬于不可融化物質(zhì)，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(shí)際操作上考慮，這兩種方法是不是都可以呢？

【學(xué)生觀點(diǎn)】糊膏法是將固體試樣研細(xì)后分散在與其折射率相近的液體介質(zhì)中研磨成均勻糊劑，后取適量糊劑夾于兩空白KBr片中，再進(jìn)行測(cè)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(huì)增加工作量，也會(huì)造成更大的誤差，所以壓片法會(huì)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(xué)生觀點(diǎn)】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(duì)茶葉進(jìn)行粉碎處理，再過200目過濾網(wǎng)。由于有些茶葉在制作過程中會(huì)留有水分，這會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)測(cè)定效果，因此還要對(duì)粉碎過篩后的茶葉進(jìn)行烘干處理。

【教師引導(dǎo)】根據(jù)課前、課上所學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)茶葉成分測(cè)定流程圖(圖1)。

圖1 茶葉成分測(cè)定流程圖

【教師引導(dǎo)】紅外光譜技術(shù)除樣品測(cè)定外，關(guān)鍵是對(duì)樣品光譜的解析，我們一般對(duì)紅外光譜劃分為兩個(gè)區(qū)，兩個(gè)區(qū)有什么區(qū)別呢？

【學(xué)生闡述】紅外光譜可分為特征區(qū)和指紋區(qū)。紅外光譜特征區(qū)(4000～1300 cm-1)是化學(xué)鍵和基團(tuán)的特征振動(dòng)頻率區(qū)。特征區(qū)吸收峰較稀疏，易辨認(rèn)，每一個(gè)吸收峰都和一定的基團(tuán)相對(duì)應(yīng)，一般可用于鑒定基團(tuán)的存在。紅外光譜指紋區(qū)(1300～400 cm-1)吸收峰的特征性強(qiáng)，可用于區(qū)別不同化合物結(jié)構(gòu)上的微小差異。猶如人的指紋，故稱為指紋區(qū)。通過指紋區(qū)查找相關(guān)吸收峰，以進(jìn)一步佐證特征區(qū)確定的基團(tuán)或化學(xué)鍵的存在，同時(shí)還可以確定化合物的細(xì)微結(jié)構(gòu)。

【教師追問】那當(dāng)我們拿到一份光譜時(shí)，又該如何分析呢？

【學(xué)生觀點(diǎn)】先在特征區(qū)鑒定出基團(tuán)的特征峰，然后在指紋區(qū)找到相關(guān)峰對(duì)所鑒定的基團(tuán)進(jìn)行佐證。

【隨堂練習(xí)】已知某未知物A的紅外吸收光譜如圖2，試判斷其物質(zhì)種類及其中含有的結(jié)構(gòu)。

圖2 A的紅外吸收光譜

【學(xué)生觀點(diǎn)】特征區(qū)內(nèi)第一強(qiáng)峰是 2970 cm-1，從峰位及峰強(qiáng)判斷可能是[ν(CH3)峰(2962±10 cm-1)]。查詢烷烴類甲基的一組相關(guān)峰數(shù)據(jù)得到：2970、2874、1476、1395 cm-1，因此可判斷物質(zhì)結(jié)構(gòu)中含有甲基。特征區(qū)的第二強(qiáng)峰 3360 cm-1，該峰位于(3500～3200 cm-1)區(qū)間，峰的強(qiáng)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(guān)峰數(shù)據(jù)得到：3360、1195、748 cm-1，因此可以判斷該物質(zhì)為含有甲基的醇類物質(zhì)。

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

【學(xué)生觀點(diǎn)】如果是異丙基，雙峰分別位于 1385 cm-1和1375 cm-1左右，其峰強(qiáng)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(qiáng)度要大于 1395 cm-1的強(qiáng)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(jié)】由于茶葉自身的性質(zhì)，只能通過壓片法制備固體試樣；樣品測(cè)定完后，需要利用特征峰進(jìn)行初步鑒定，再利用相關(guān)峰佐證鑒定，得出茶葉成分的所屬類別，完成對(duì)茶葉成分的初步測(cè)定。

5 項(xiàng)目反思

本次“茶葉成分的初步測(cè)定”的紅外光譜教學(xué)活動(dòng)是針對(duì)大學(xué)化學(xué)的一次教學(xué)探索，有效改善了理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作分開教學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)形成的時(shí)間跨度大，不利于學(xué)生對(duì)紅外光譜相關(guān)知識(shí)和技能整體學(xué)習(xí)的局面。此次教學(xué)探索使用了6個(gè)課時(shí)的課堂教學(xué)時(shí)間，學(xué)生根據(jù)各階段的項(xiàng)目任務(wù)，完成了從理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)到動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)、從分析處理數(shù)據(jù)到得出測(cè)定結(jié)果、再到最后的實(shí)驗(yàn)總結(jié)反思的學(xué)習(xí)過程，全面提升了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的能力，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的有效提高。

當(dāng)然，由于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)開放性較大，突發(fā)事件發(fā)生頻率相對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)較大，所以為了能夠在有限的時(shí)間內(nèi)高效、順利開展項(xiàng)目，需要教師精心備課，提前預(yù)設(shè)可能出現(xiàn)的問題并設(shè)計(jì)好應(yīng)對(duì)策略。另外，由于茶葉成分復(fù)雜多樣，學(xué)生又初步接觸紅外光譜技術(shù)，完成全部成分測(cè)定工作是不現(xiàn)實(shí)的，但學(xué)生通過完成“茶葉成分初步測(cè)定”的項(xiàng)目活動(dòng)，不僅能達(dá)到紅外光譜教學(xué)有關(guān)目標(biāo)，更能激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究物質(zhì)成分的激情，為未來進(jìn)行科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，提醒教師在引進(jìn)項(xiàng)目式教學(xué)時(shí)，不可盲目地將科學(xué)前沿直接引入課堂，需要在符合學(xué)生認(rèn)知水平和滿足學(xué)生興趣的基礎(chǔ)上逐步地開展項(xiàng)目活動(dòng)。