木材科学与工程专业波谱分析课程的案例式教学改革

胡冬英

摘  要：波谱分析课程能够利用四大谱图（紫外-可见分光光谱、傅里叶变换红外吸收光谱、质谱、核磁共振谱）解析物质的物理化学性质，对于本科生科研能力的培养具有重要的铺垫作用。传统教学过程中偏重于四大谱图基础理论知识和具有通性的谱图解析步骤，往往忽视了课程所面对的不同专业学生的特殊性和实际需求。因此，专门针对木材科学与工程专业学生的波谱分析课程案例式教学改革，有利于学生更好地将已学习的四大波谱基础理论用于专业性更强的生物质组分物理化学性质的解析中，为毕业后继续从事与专业科研相关的试验分析、学术深造等提供强有力的支撑。

关键词：波谱分析;木材科学与工程专业;案例式教学改革

中图分类号：G420    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2021）35-0052-03

波谱分析是以物质的物理或物理化学性质为基础的一类以仪器作为分析测量主要手段的分析方法，主要用于有机分子的定性和定量分析[1]。木材科学与工程专业属于农林高校中的重要一级学科林业工程下的重点建设专业，本专业所研究的生物质材料领域的基础科学问题和实际应用也一直是各大综合性院校中材料类、化学类、可再生能源类专业所研究的重点。课程对于木材科学与工程专业学生在校期间的科研活动、创新能力培养、导师制课程的有效推进、创新学分的获得、毕业论文的顺利开展、后续步入相关专业科研领域研究的基础构建具有非常重要的纽带作用。传统教学过程中，更多地重视紫外光谱、红外光谱、有机质谱、核磁共振的基础理论知识和具有通性的谱图解析步骤，往往忽视了课程所面对的不同专业学生的实际需求[2]。通过波谱分析结合木材科学与工程专业的案例式课程教学改革，能够更好地培养本专业学生利用所学波谱分析基础理论知识解决与专业息息相关的有机分子结构定性、定量分析的实际问题，提高其解析专业相关有机化合物谱图的能力，为之后的科研活动打下扎实的基础。

因此，木材科学与工程专业波谱分析课程围绕案例式教学改革方向，从教学内容安排和教学方式改革两方面充分体现木材科学与工程的专业特性，打造特色鲜明的专属课程。

一、教学内容改革

（一）线上教学内容

线上教学内容主要包括了波谱分析常规内容的讲解以及线上测试两部分。常规内容主要包括紫外-可见吸收光谱、傅里叶变换红外吸收光谱、质谱、核磁共振（13C、1H谱）的基础理论知识和常见的有机化合物的谱图讲解和解析，以及线上随堂测试、讨论、答疑、期中测试等环节。线上教学内容作为木材科学与工程专业学生基础理论知识奠定基础的关键教学活动，占据着非常重要的地位，对于线下教学效果的提升具有非常关键的作用。

（二）线下教学内容

线下教学内容主要包括以下几个部分。对于简单线上教学内容知识点的补充和深化，前沿研究进展的总结和剖析;具体的实验操作，包括仪器的使用和维护、分析软件的安装和具体使用、谱图的解析等;案例讨论：详细到本专业学生未来将要面临的几大主要生物质组分的谱图剖析，如紫外-可见吸收光谱、傅里叶变换红外吸收光谱、质谱、核磁共振谱在生物质组分（纤维素、半纤维素、木质素、抽提物）研究中的具体分析应用;育教于学，思政融于教学，思政推动教学;多样化考核的具体实施优化教学结构，提高教学活动育人质量。

二、教学方式改革

（一）线上-线下结合助力教学

对于常规波谱分析相关的基础理论和简单谱图分析内容，由学生课前通过中国大学生慕课平台以及相关推荐教材的研读等环节进行自主学习，并完成课前预习、线上签到、答题考核、讨论、期中测试等重要环节。结合线下与自身专业息息相关的案例式教学，用好线上所学与线下实操“双节棍”，实现理论与实践的完美结合，举一反三，提高学生将所学知识应用于实际分析的专业能力。线下教学的重点为涉及本专业的专业性内容，聚焦该专业的前沿研究领域，充分利用案例式教学方式，提供更丰富和更深入的谱图解析，拓宽学生的整体学习效果传统视角，培养学生前沿的思维方式和能力。

（二）实操辅助教学

鉴于波谱分析课程实验教学对于培养学生综合能力的重要性，不同专业谱图解析的巨大差异性，即便学生学习完该课程包括仪器、基础理论、谱图解析等在内的所有内容，仍然很大概率上不知道如何操作仪器、获得谱图数据，依然面临无从下手解析的问题[3]。因此，课程改革提出以木材科学与工程专业学生在未来将要面临的最常见物质为实验对象，通过仪器的操作、谱图分析软件的使用、谱图的实操分析，从而通过实验教学打破原有局限，真正解决学生在实际应用中的困惑。

案例1：紫外-可见吸收光谱在木质素方面的研究，主要集中在不同来源、不同基本单元、木质素改性、木质素中酚羟基含量、溶剂的选择等方面的实操与分析。如不同厂家的紫外-可见吸收光谱仪器的操作、紫外-可见吸收光谱仪器的全光谱扫描和特定波长下的吸光度和透过率的测定、紫外-可见吸收光谱的谱图解析中吸收波长大小的分析、吸收波长与官能团结构的关联性分析、谱图在定性分析和定量分析中的作用等。

案例2：傅里叶变换红外吸收光谱在生物质三大组分鉴定中的研究，主要集中于三大组分（纤维素、半纤维素、木质素）的红外谱图的测定和不同官能团的特征峰位置的鉴别。如通过不同位置的特征峰的存在与否判定生物质中三大组分的存在与否、羟基特征峰的峰型和强度分析组分间的相互作用、纤维素晶型结构的辅助分析、对于改性纤维素取代度的计算等。

案例3：质谱分析、核磁共振谱图分析在半纤维素、木质素、抽提物的谱图测定的实操、具体的分析步骤和方法，主要集中于不同来源原料的化学组成的鉴定分析。如不同组分在进行核磁共振谱图测定是13C、35P、1H譜的选择、不同组分在进行核磁共振谱图测定时溶剂的选择、不同组分在质谱分析测定时溶剂的选择、质谱具体测定仪器的选择等。

（三）思政融于教学

波谱分析技术发展的历程中离不开众多科学家们的努力，使得对化合物的解析从化学分析不断地走向精准的仪器分析，推动了自然科学的长足进步。这样一门涉及大量物理、化学、生物等领域权威科学的课程，充分体现了科学家们不懈努力奋斗促进科学不断发展的光辉历程。从科学发展历程的艰辛、科学家的严谨钻研等方面恰如其分地将思政内容融入课堂教学，通过思政内容的传授助力教学往高质量培养学生方面发展[4]。

案例1：紫外-可见吸收光谱对于推动科学技术水平发展的重要作用。

案例2：傅里叶变换红外吸收光谱章节所涉及的与生活实际息息相关的检测手段的应用，由社会、生活实例与科学研究的有机结合引出科技推动社会生产力等方面的客观事实，现象与本质之间的关系。

案例3：质谱分析、核磁共振谱图分析等章节中所涉及的诺贝尔奖的经典案例，由诺贝尔奖引申科学研究的基本原则。

（四）多样化考核推动教学

大学课程的传统考核方式通常包含平时成绩和期末成绩两部分，存在考核方式单一、学生平时松懈，期末突击式复习、课程结束后知识掌握不牢固的问题。波谱分析作为木材科学与工程专业学生在导师制课程、大学生创新训练项目、本科毕业实验和论文及后期继续深造都起到非常关键作用的一门课程，学习效果显得尤为重要，考核的科学性正是保证学生学习质量好坏的关键。因此，在本课程中，采用多样化考核，即贯穿整个课程阶段的多样化考核，包括签到、线上答题、课堂表现、线下课堂随堂测试、课后作业、案例式讨论、实验过程、实操结果的分析和呈现、期中测试、期末非标准化考核等方式。

（五）案例-讨论充实教学

传统的教学方式往往是教师在讲台上讲，学生在讲台下听，如此被动式的教育模式不利于充分调动学生的积极性，提高学生的参与度。高校亟须针对目前学生存在的强自我意识，参与度较低等特点，以及传统教学方式单一的缺点，提出更有利于提高学生参与度的案例讨论式教學模式[5]。具体而言，即在不同章节（紫外-可见分光光谱、傅里叶变换红外吸收光谱、质谱、核磁共振、综合谱图解析）课程结束时，首先就不同章节与木材科学与工程专业紧密相关的知识点与实际应用之间的逻辑对应关系，重要内容进行总结梳理。在学生充分掌握基础理论和常规谱图分析的基础上，将木材科学与工程专业所涉及的具有代表性的案例分析纳入重点内容，提高学生利用所学谱图解析专业问题的综合能力。生物质组分中纤维素、半纤维素、木质素、抽提物均可采用四大波谱进行测试表征和分析研究。因此，通过案例式教学讲解四大波谱在生物质组分化学结构分析中的应用，是非常有意义的，让学生能真正做到学有所用，学有所长，举一反三，达到事半功倍的效果。

案例1：紫外-可见吸收光谱在生物质组分研究中的应用，主要集中于讲解紫外-可见吸收光谱在木质素、半纤维素、抽提物化学结构分析中的应用，其中侧重于木质素的紫外-可见吸收光谱解析。由于木质素作为芳香族化合物，具有共轭结构，在紫外区域具有强烈的吸收，因此重点讲解紫外-可见吸收光谱在定性（最大吸收波长）和定量（吸光度大小）测定生物质原料、纸浆和造纸废液中的木质素含量、种类方面的具体应用。

案例2：傅里叶变换红外吸收光谱在生物质组分研究中的应用，主要集中于讲解红外吸收光谱在纤维素、木质素、半纤维素、抽提物化学结构分析中的应用。侧重对傅里叶变换红外吸收光谱在生物质组分官能团结构归属、吸收峰强度变化与分子间相互作用、吸收峰的红移和蓝移与分子结构变化之间的对应关系以及其在定量方面的部分应用领域。讲解前沿的傅里叶变换红外吸收光谱与其他分析技术联合应用于生物质组分分析鉴定的实例。

案例3：质谱分析在生物质组分研究中的应用，主要集中于讲解质谱分析在木质素、半纤维素、抽提物化学结构分析中的应用。着重就木质素、半纤维素、抽提物的组成成分以及与质谱的对应关系，不同组分测定时质谱仪器（离子源、质量分析器）的选择，不同组分热解产物的质谱图峰归属问题等进行详细的介绍和学习讨论。尤其是利用质谱分析解析不同生物质原料抽提物的组分差异性方面的实例。

在案例式教学的基础上，继续进行讨论式教学，将学生分为4组，分别对应四个主题（纤维素、半纤维素、木质素、抽提物），建立学生课下准备、课堂讨论提问、课后总结等环节，请学生在课下收集好相关资料，并进行分析总结;每组同学在课上进行陈述，其他小组成员和老师对该小组所有同学进行提问。通过案例讨论环节给学生以自主权、紧迫感，从而真正调动学生的积极性，提高学生的课堂参与度。

三、结语

波谱分析课程是一门为了提升木材科学与工程专业学生基础科学研究能力而开设的专业选修课，致力于培养学生利用波谱分析的手段解决专业所涉及的实际研究问题的能力。通过教学内容改革（线上、线下）和教学方式改革（线上-线下结合助力教学、实操辅助教学、思政融于教学、多样化考核推动教学、案例-讨论充实教学）两方面，充分发挥案例式教学改革的优势，实现专业知识与分析手段的紧密结合，达到“所学为所用”的教学目的。

参考文献：

[1] 李继贞. 有机波谱分析课程绪论部分的教学设计[J]. 化学教育，2016，37（12）：8-10.

[2] 熊慧，刘新桥，杨光忠，等. “探究式教学模式”在波谱分析课程中的应用与探索[J]. 时珍国医国药，2018，29（05）：1217-1218.

[3] 朱鹏飞，刘梅. 有机波谱分析课程教学改革探索与实践[J]. 化工高等教育，2016，33（06）：23-25.

[4] 李园园，蒲红争，曾寒露，等. 课程思政融入波谱分析教学的认识与探讨[J]. 重庆第二师范学院学报，2021，34（02）：107-110.

[5] 辜玲慧，马文博，李喆宇. 波谱分析教学改革与探索[J]. 广东化工，2020，47（03）：216+228.

（荐稿人：李宁，广西大学资源环境与材料学院副教授）

（责任编辑：淳洁）