红外实验在线教学模式探讨

2022-02-09吕狄亚洪战英郭丹丹李育李玲曹岩

药学教育 2022年6期

吕狄亚，洪战英，郭丹丹，李育，李玲，曹岩

海军军医大学药学系 (上海 200433)

药学生应具备仪器分析的专业技能，为今后从事研究、开发、分析方面工作领域储备知识。仪器分析实验使学生掌握常用仪器分析方法的原理和仪器的结构与操作，让学生以分析仪器为工具亲自获得所需要的信息，拓宽学生的知识面，激发学生对仪器分析课程的兴趣，提高学生综合运用知识能力，在培养学生创新能力和创新意识方面具有重要意义[1]。其中，红外光谱作为表征分子结构的有效手段之一，通过实验课的学习，药学生可掌握基本的仪器操作技能，充分理解红外光谱的原理，也可以直观地验证所学的基本理论和基本知识。

传统的红外实验课通常由教师讲解实验过程并演示实验，学生按小组进行实验操作后完成实验报告上交。在此过程中，教师说一步学生做一步，机械的操作无法达到举一反三的教学效果。同时，类似于红外光谱仪、质谱仪、核磁共振波谱仪等大型仪器，实验教学的效果很大程度上依赖于这些实验设备。一个实验室不会配备多台仪器来满足学生的需求，因此，在小组实验中，有的学生可以接触到仪器，而有的学生可以接触到样品制备，如何让学生全程参与实验是该课程亟须解决的实际问题。

仪器分析实验课一般安排在理论课全部结束后进行，此时学生已普遍掌握了理论知识，然而实验课，重点是要学生掌握样品的制备、仪器的操作，以及利用红外吸收光谱推断化合物官能团等具体结构的解析方法，在实验中任何一个环节出现差错，都会导致实验失败[2]。很多实验过程都比较复杂，光靠课上是很难掌握的，实验室也不可能随时开放，其外，上述的线下教学模式很难提高学生对实验教学环节的重视程度，从而导致教学效果总体不佳。而且，线下传统的教学方法无法在特殊情况下做到“停课不停学”。一旦受到影响，必然造成教学进度滞后。

与传统的红外光谱教学模式不同，线上红外实验教学必须更关注学生对于原理的掌握、仪器操作方法的熟悉、谱图分析能力的提高。因此，教师需要探索和建立一种以基础实验、仪器操作与谱图解析为一体，不再受限于线下操作，可在线授课的实验教学方法。鉴于此，本院尝试开展线上教学的方式，激发学生在红外光谱操作和解析方面的学习热情，提高学生综合学习能力，改善线下实验操作的不足，培养学生的探究能力，以适应当今时代个性化发展的要求，保证学生在掌握理论知识和熟练的实验操作技能的同时，还能提高学生的创新思维和独立思考的能力，为今后更好地进行科学研究做好充足的准备。

1 教学目的、内容及方式

1.1 教学目的

红外实验课的教学目的是让学生在理论课学习的基础上，加深对红外光谱原理的理解,深入了解红外光谱仪器的结构，重点掌握红外样品前处理的方法，仪器的操作方法以及图谱解析的方法。课程结束后，学生能利用所学知识，独立对红外样品进行处理、检测、解析，以此增强学生综合实验技能。

1.2 教学内容

红外实验在线教学的主要内容包括，了解实验原理，掌握红外光谱的实验方法，以及学会红外光谱的谱图解析。课程组选取布洛芬、对乙酰氨基酚、阿司匹林、水杨酸标准纯化物作为未知物，测定其红外光谱，内容涵盖红外光谱法原理、红外光谱仪原理和构造、红外样品前处理技术及化合物谱图解析方法。

1.3 教学方式

以往在线授课的弊端是教师无法第一时间掌握所有学生的学习情况。因此，笔者采取小班制教学模式，在区分专业的基础上，以小组为单位，每组4～6人，采用线上授课，且每组配一名主讲教师，一名辅助教师。主讲教师负责授课，辅助教师负责随时查看学生上课情况，及时解决上课过程中的问题。每节课为3个学时，学生在规定的时间内，按照课程规定的学习目标进行在线课程学习和实践训练，最后以提交实验报告为准。

在实验授课过程中，学生通过主讲教师的讲解、观看微课视频，了解并解决基本操作和常见问题。课程结束前，给学生留出足够时间深入思考，教师也有充足的时间观察学生的操作情况，并与学生就较难的问题进行探讨和交流。上述教学极大地提高了学生参与实验的积极性，提升了学生的自主思考和解决问题的能力。

2 线上教学设计

2.1 课前准备，精心打磨

在线教学并不等于直接将线下课堂直接搬到网上，那样做不仅效果远差于传统的线下课堂，而且也失去了线上教学的优势。大学生已具备一定的自学、自律的能力，他们也希望在教师的指引下进行自主学习。教师也希望通过创造教学情境，引导学生自主地掌握专业知识和技能，并能提出独到的见解，为今后能够很快地投入科学研究做好准备。因此，教师应遵循“以微为本、以精为本、以学生为核心、以创新为目标”的原则，对实验理论、实验操作和常见问题进行相应的微课教学设计，不断打磨课程设计，优化课程内容，发挥线上教学的突出优势。

在实验课开始前，教师应要求学生对实验内容有一定的了解，这样学生才能在实验过程中获得较好的学习效果。随着科学技术的不断进步，越来越多的网络资源和教学手段被应用到实验教学中。线上教学主要依托软件，教师应熟练掌握各种APP和平台功能，为线上教学的顺利开展提供基础保障[3]。因此，教师应提前建立小组群，发布课前预习要求、明确学习目标，提供相关文献供学生了解前沿知识，在小组群中与学生进行讨论，掌握学生预习程度；授课过程中，教师通过屏幕共享PPT、播放小视频、举手回答等功能，流畅地进行授课，并随时进行提问，与学生互动，了解学生知识点掌握情况。同时，学生的实验作业也可以打破传统的书面报告形式，采用小视频和图片的形式。教师发布未知物的红外光谱图，要求学生根据所学知识进行解析，制作完成后以视频和PPT形式上传到课堂上，提交作业。学生可随时在小组群中提出问题，教师与学生共同探讨，达到举一反三的教学目的。

2.2 巧用PPT，穿插微视频

在线实验教学的难点，是在有限的实验教学学时内，让学生通过在线学习，理解红外仪器的结构、分析原理，掌握样品处理方法以及仪器软件操作技能。

红外光谱仪不受样品的物态限制，是因为仪器配备了不同的样品池。比如气体样品选择气体池，液体样品则可以选择液体池，固体样品的检测方法则根据其形状不同可采取三种处理方法[4]。教师若仅仅讲解这些概念，很难引起学生兴趣，而且因没有直观的认识，他们也无法理解这些操作。因此，教师可通过多媒体教学，在PPT中插入样品制备方法的动图，一边放，一边进行讲解，学生在观看动图的同时，也能很容易记住知识点。总之，可视化教学不仅能使学生更容易理解抽象的知识，而且对培养学生的动手能力和创新能力也有很大帮助。

红外实验需要重点掌握的是固体样品压片法。该方法是红外最常用的制备方法，《中国药典》收载品种90%以上都用此法。本次实验以最基本的溴化钾压片法为例，通过微视频的形式，笔者给学生演示压片、仪器、软件操作过程。虽然微视频只有8分钟左右，但这一系列的实验操作若是通过教师讲解，很难表述清楚，而视频演示让学生很快心领神会。因此，教师在课前制作从压片法到仪器功能设置，然后通过软件对谱图进行处理的具体操作的微视频，再通过细节的补充讲解，比如压片时溴化钾和样品的配比、仪器对湿度和温度的要求、官能团区和指纹区的作用。这样，学生可以很快抓住重点，很容易就能在线下独立进行操作。

实验型微课视频作为传统实验课的重要补充，可以在有限的时间内将整个实验过程完整地呈现出来，有利于提高实验教学的效率，能够直观地为学生展示整个实验过程。在枯燥的课堂环境下，教师通过微课视频讲解实验步骤和仪器的工作原理，让学生更有兴趣学习。

2.3 提出问题，小组讨论

线上教学有其不可避免的弊端，比如网速问题、学生长时间观看屏幕容易引起视疲劳、上课注意力容易分散等问题。针对这些问题，笔者采取了一些应对措施，将一节课分为3个小节，平均每40分钟一节课。

在线授课时，为了时刻了解学生实时学习状态、知识掌握程度，教师在讲解过程中，时不时穿插提问。由于是小班化教学，每名学生都有机会回答问题。如什么类型的样品适合溴化钾压片？压片过程中的注意事项？为什么溴化钾法压片需要在红外灯下进行样品研磨？谱图解析时如何进行官能团的归属？不同的问题让学生在小组内讨论，加强学生的理解，同时也能使学生集中注意力，时刻保持学习状态。

2.4 通过比较，掌握特点

在讲解红外光谱的特点时，教师可采用和其他三个光谱进行比较的方式，让学生在学习红外光谱的同时，认清该仪器的优缺点，为实际样品测试中仪器的选择做好铺垫。比如，第一，红外光谱不受样品的物态限制，只需要更换样品池就可以对固、液、气态样品进行测定。而核磁需要预先将样品溶解于氘代试剂；质谱则需要将化合物溶解于甲醇，乙腈等试剂中。第二，红外光谱的扫描速度快，只需要十几秒便可获得光谱图。第三，由于几乎每个官能团都有其特殊的红外光谱，特征性强，红外谱图测定后可与标准的谱库进行比较。同样，气相色谱-质谱(GC-MS)[5]由于其离子源稳定，也有可比对的化合物库，即美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)建立，简称NIST库。世上没有近乎完美的仪器，每一种检测技术和方法都是建立在各自的理论基础上的，有其优点，也有其局限性。如红外光谱对一些难粉碎、难溶的特殊样品的测试则非常困难。同时由于质谱的存在，这种方法的检测成本较高，维护成本也高，难以大规模推广等。因此，随着科技的发展，探索和创造新的检测技术十分必要。

2.5 课程思政，倡导科学精神

一门成功的课程不仅需要有着丰富的知识奠基，更需要培养学生优良的道德品质。思政内容属于意识形态层面、教化心灵方面的内容，教师应该以“春风化雨”“润物细无声”的方式将思政内容与药物分析课程相结合，慢慢渗透进日常教学之中。不能刻意输出，更不能“填鸭式”地灌输给学生[6]。

课程思政的总体目标就是以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，将“课程思政”融入红外光谱课程线上教学体系中，这样不仅有利于更好地发挥课程中的思想政治教育元素的作用，实现育人目标，也有利于构建高校大思政工作体系[6]，形成思想政治教育合力，增强大学生思政教育的针对性和实效性，形成协同效应[7]，实现课程理论与思政教育相互贯穿、相互融合，相得益彰。课程思政是我国新时代的一种教育理念，把“以德为本”作为教育的根本任务，实现专业课程教学与思想政治教育的有机融合。

从红外光谱的基本原理，到仪器操作、实验步骤设计，都在培养学生获得知识及善于运用所学理论解决实验分析过程中实际问题的能力，提高学生利用唯物主义观点去科学理性地看待问题、解决问题的能力。

以红外光谱的发展史为例，笔者鼓励学生在科学研究中勇于创新，阐述我国红外光谱的发展历程，激励学生为国奋斗的抱负。科学家探索科学和追求真理的历程，促使学生学习其锲而不舍的执着精神，勇于创新的开拓精神，甘于寂寞、忘我献身的拼搏精神，只问是非、不计利弊的求真精神[8]。注重培养学生爱国情怀，树立正确的价值观、人生观、是非观。

通过四大光谱中，没有任何一个光谱可以单独鉴定出完全未知的样品的理念，联系到学生的协作观念，以培养他们的团队意识、勇于牺牲自我利益的合作精神。在实验过程中，学生应充分相信并依靠团队的力量。

2.6 实验室安全，重中之重

高校实验室安全教育是实验室安全工作中的重中之重，是高等学校教学体系中的重要组成部分[9]。有调查显示58%的学生每年接受的相关安全教育课程少于4小时，并且随着年级的递增学生接受安全教育的频率也逐年下降，学校通常只在入学伊始安排实验室安全教育培训[10]。然而，随着年级的递升，学生进入实验室的频率会逐渐增多，学校需要不断夯实学生实验室安全意识。学生生态意识薄弱会造成潜在的环境污染。因此，虽然是线上实验课，但是实验室安全意识、环保理念的培养仍然不可或缺。

药学专业实验中会接触到易燃、易爆、有毒和强腐蚀性的化学品，因此在实验前，学生需要提前了解化学品性质，确保实验顺利、安全进行。但是，简单枯燥的安全教育对于学生来说，可能不愿多听，更不容易入心。因此，课堂上教师有必要将可视化教学应用于具有危险性、毒性的化学实验、安全事故的讲解和处理，通过对视频、图片的强烈感官刺激，告诫学生危险就在身边，从而提升教学效果。又如教师可在PPT中插入环境污染的图片，给予视觉上的冲击，让学生意识到环境污染造成的严重后果。教师细致地讲解实验室废液废物的处理要求，正确的操作规范，养成学生规范操作和自觉地保护环境行为习惯。为今后的学习、实验、科学研究奠定坚实的基础。

2.7 巩固强化，上交报告

授课完毕后，教师和学生需要留出几分钟的时间来整理实验中的知识脉络和实验细节。通过课程中教师的讲解、微视频的观看，学生对红外实验过程消化理解后，理顺实验步骤，进行总结，进一步巩固学习目标。学生的实验作业也可以打破传统的书面报告形式，采用小视频和图片的形式。教师发布未知物的红外光谱图，要求学生根据所学知识进行解析，制作完成后以视频和 PPT形式上传到课堂上，提交作业。通过上交的报告，教师可以了解到学生理解和掌握知识的程度，并及时与学生进行一对一的线上联系，及时查漏补缺，夯实实验基础。