基于项目式学习的“红外光谱”教学设计——以不同品种茶叶成分的初步测定为例.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：基于项目式学习的“红外光谱”教学设计 以不同品种茶叶成分的初步测定为例彭炳先，宋来强，隆路诗（江西师范大学 化学化工学院，江西南昌 ）摘要：以不同茶叶成分的初步测定为例，进行项目式教学。从文献的查阅、方案的设计，到项目实施及最终评价，都由学生负责。通过这种教学方式，学生了解并把握整个过程及每一个环节中的基本要求，巩固红外光谱知识，加强理论与实践相结合，提升化学核心素养。同时也为高等教育教学改革提供一条新的思路。关键词：项目式教学；红外光谱；茶叶；成分测定；教育改革中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，：；项目式学习是基于新的课程理念下的一种任务驱动式学习方式，强调以学生为主体，突出学习的过程性、实践性。这对于激发学生的学习兴趣，增强求知欲，加强动手能力，在实践中构建学科的核心概念和原理都具有极强的作用 。在我国化学教育中，有关项目式学习研究在中等教育阶段较为成熟，而在高等教育阶段相对较少，相应的教学案例研究少之又少。另外，高等化学学科教学一直在大家眼中是“重理论”“轻实验”。通过“理论、实践、思考”一体化项目式实践教学，可以更好地调动学生学习的积极性，培养学生发散思维和创新能力 。本文以“红外光谱”理论知识为基础，以不同茶叶成分的初步测定为项目任务，进行项目式教学，以期为大学化学课堂提供切实可行的教学方式。项目主题分析“红外光谱”是有机化合物的重要特征之一，其光谱比较复杂，但能与化合物的结构一一对应，具有高度的专属性和特征性，常用于物质的鉴别 ，是“分析化学”“仪器分析”“波谱解析”等大学化学必修课程中的主要内容，主要包括理论学习、实验操作、数据处理三部分知识。对于此方面内容，学生需要掌握红外光谱基本知识和红外光谱仪测定原理，熟悉试样成分测定操作流程，并掌握数据处理方法。目前大多高校采取理论、实践分离的教学形式，虽然方便安排课程教学，但很容易导致学生陷入理论学习枯燥无味、实验操作又过于程序化的局面。另外，有些高校化学实验采用提前配置好试样，很大程度上降低了学生的积极性，不利于学生学科素质的提升。本文笔者采用项目式教学的形式，以任务为驱动，调动学生学习的积极性，让学生在真实情境下做研究，培养学生严谨求实的科学态度，熟练的仪器操作能力，养成良 好 的 实 验 习 惯，造 就 创 新 优 化 的 研 究 意 识品质 。我国是世界茶叶生产的源头，是最早发现和利用茶的国家。辉煌的茶文化使“茶”俨然成为中国的代名词之一。博大精深的中国茶文化，加之茶叶的保健养生作用以及绿色健康的特性，使得充满活力的大学生群体对茶表现出了强烈的偏好。据研究表明，在本科学历以上的人中，以上的人关注或消费茶 ；有饮茶习惯的消费者中，有超过 是形成于 岁的青年时期 。本文选取了以“成品茶叶成分初步测定”为研究主题，利用红外光谱技术初步测定茶叶中的成分，探索不同种类茶叶对人体健康的影响。在此学习过程中，涵盖了测定原理、仪器装置、数据分析等关于红外光谱的全部核心知识，培养了学生“崇 年 月云南化工 第 卷第 期 ，尚科学真理，不迷信书本和权威”的科学态度，体现了“运用化学所学知识分析和探讨某些事物有利于人类的健康发展”的社会价值，也为其他章节的教学提供了项目思路和可借鉴的模板。项目教学目标）通过学习红外光谱测定技术，理解并掌握红外吸收光谱法基本原理及其解析方法，了解影响吸收峰位置的因素，正确判断特征峰和相关峰；运用基频峰位置、分布及典型光谱，区分烷、烯、芳香醇、酚、酮等常见有机化合物。）通过对茶叶成分的测定，熟练掌握固体样品的制备方法，有效使用傅里叶变换红外光谱仪测定物质光谱，熟练使用红外光谱判断物质类别，感受理论知识在现代科学技术中的应用。）通过分析不同品种茶叶成分的异同，归纳总结不同品种茶叶对人的身体健康可能产生的影响，体会科学技术对人类经济社会发展带来的巨大推动，增强对科学技术是第一生产力的认识。项目任务及教学流程“不同品种茶叶成分测定”项目学习过程包括“理论”“实践”“思考”三个核心环节：基于红外光谱法测定原理和傅里叶变换红外光谱仪工作原理，设计实验流程；基于实验流程，分析茶叶主要成分；对项目研究过程及结果进行反思总结。教学过程注重在学生自主建构认知模型的基础上，引导学生进行实验探究，发展学生的化学学科素养，最终达成要求的学习目标。为使学生能够顺利完成本次学习活动，将部分环节进行细分。具体课时分配及流程如表 所示。表 “茶叶成分测定”项目学习流程第 、课时 实验流程设计（理论）项目任务学生活动教师支持设计意图任务 ：掌握红外光谱法基本原理，有效辨别有机物典型光谱（课前）学生查阅关于红外光谱法的书籍文献。了解分子振动能级和振动形式。厘清红外光谱产生条件和吸收峰的强度、位置的关系。熟悉并区分烷、烯、芳香醇、酚、酮等常见有机化合物的典型光谱。通过网络平台发放相关微课或资料，为学生学习知识提供支持。通过微信群、群等交流平台与学生实时交流，为学生项目理论学习进行指导，并及时帮助学生解答困惑。通过学生自主学习测定原理，掌握利用光谱判断有机物类别的方法，培养学生利用网络搜集、整理信息的能力，锻炼学生主动提出、分析解决问题的思维方式。任务 ：掌握红外光谱仪 工 作 原 理（课前）学生查阅关于红外光谱仪的书籍文献，认识傅里叶变换红外光谱仪主要部件、工作原理及性能。任务 ：实验流程设计及光谱解析训练掌握根据待测物性质选择合适的试样制备的方法，设计实验流程。掌握红外光谱解析顺序，学会利用光谱特征区判断基团类别。引导学生分析讨论流程的选择、优化，制定恰当合理的实验流程。提供陌生物质的红外光谱，指导学生学会分析红外光谱。比较和选择不同方案，提升学生实际解决问题能力；引导学生关注到官能团和特征区的关系是红外光谱分析的关键。第 、课时 茶叶成分测定（实践）项目任务学生活动教师支持设计意图任务 ：红外光谱测定实验分组进行实验测定，记录实验现象和数据。提供 粉末试剂，玛瑙乳钵、粉碎机、目过滤筛、傅里叶变换红外光谱仪等实验器材。指导学生实验操作，通过实物进一步加深学生对红外光谱仪的认识。掌握红外光谱仪的使用方法，提升实验操作能力。通过对真实、复杂有机物红外光谱的分析，深化对光谱分析的认识，培养学生能基于证据判断物质组成、结构的证据意识，建立结论和证据之间的逻辑关系，培养学生利用已有知识解决真实问题的科学探究能力。任务 ：红外光谱数据分析根据观察解析特征区峰位、峰强、峰形鉴定可能存在的基团，根据观察解析指纹区峰位、峰强、峰形认定基团的存在，并归属物质类别。提供常见基团红外光谱数据。指 导 学 生 正 确 处 理、分 析数据。年 月云南化工 第 卷第 期 ，表 （续）第 、课时 项目总结（思考）项目任务学生活动教师支持设计意图任务 ：项目总结反思及成果展示通过实验数据分析不同茶叶成分的异同，并以此判断不同茶叶对人身体健康的影响。结合项目学习过程，梳理红外光谱技术 测 定 物 质 成 分 的 流 程、注 意事项。按小组汇报项目过程、结果分析和应用价值。提出问题：不同地区、品种的茶叶成分有何异同，对人体健康的影响有何异同？提出问题：红外光谱技术测定涵盖哪些过程？提出问题：该技术在社会生产生活上还有何应用？还有那些方面有待改进？引导学生从理论设计、实践测定等角度进行项目总结，通过反思进一步提升学生的科学研究素养。提升学生人文情怀和社会责任感，体会项目的社会价值。项目实施过程及学生学习成果项目学习实施以第 、课时任务“实验流程设计及光谱解析训练”为例，呈现项目活动过程中的师生关键行为，从行为记录中可看出学生学习的效果。【教师提出驱动性问题】在通过红外光谱技术测定物质成分前，需要制备试样。制备分析试样都有哪几种方法，茶叶适合采用哪个方法？【学生阐述】试样分为固体试样和液体试样两类。固体试样的制备可以采用压片法、糊膏法、薄膜法，液体试样的制备可以采用液体池法、夹片法、涂片法。【学生观点】茶叶无法溶于水及有机溶剂，只能制作成固体试样；薄膜法需要将物质热熔成膜，而茶叶属于不可融化物质，只能采用压片法或糊膏法。【教师追问】这两种方法理论上都可以，如果从实际操作上考虑，这两种方法是不是都可以呢？【学生观点】糊膏法是将固体试样研细后分散在与其折射率相近的液体介质中研磨成均匀糊剂，后取适量糊剂夹于两空白 片中，再进行测定的固体试样制备方法，但是不同茶叶成分多样，折射率也不尽相同。该方法不仅会增加工作量，也会造成更大的误差，所以压片法会更合适一些。【教师追问】压片法是将试样和 粉末放在玛瑙乳钵中研匀，再装入压片模具制备 样片的方法。那么在此过程中需要注意什么？试样需要前处理吗？【学生观点】试样要与 粉末均匀混合，必须要让试样的粒度足够小，一般为 目，因此要对茶叶进行粉碎处理，再过 目过滤网。由于有些茶叶在制作过程中会留有水分，这会影响到实验测定效果，因此还要对粉碎过筛后的茶叶进行烘干处理。【教师引导】根据课前、课上所学内容设计茶叶成分测定流程图（图 ）。图 茶叶成分测定流程图【教师引导】红外光谱技术除样品测定外，关键是对样品光谱的解析，我们一般对红外光谱划分为两个区，两个区有什么区别呢？【学生阐述】红外光谱可分为特征区和指纹区。红外光谱特征区（）是化学键和基团的特征振动频率区。特征区吸收峰较稀疏，易辨认，每一个吸收峰都和一定的基团相对应，一般可用于鉴定 基 团 的 存 在。红 外 光 谱 指 纹 区（）吸收峰的特征性强，可用于区别不同化合物结构上的微小差异。犹如人的指纹，故称为指纹区。通过指纹区查找相关吸收峰，以进一步佐证特征区确定的基团或化学键的存在，同时还可以确定化合物的细微结构。【教师追问】那当我们拿到一份光谱时，又该如何分析呢？【学生观点】先在特征区鉴定出基团的特征峰，然后在指纹区找到相关峰对所鉴定的基团进行佐证。【随堂练习】已知某未知物 的红外吸收光谱如 年 月云南化工 第 卷第 期 ，图 ，试判断其物质种类及其中含有的结构。图 的红外吸收光谱【学生观点】特征区内第一强峰是 ，从峰 位 及 峰 强 判 断 可 能 是 （）峰（）。查询烷烃类甲基的一组相关峰数据得到：、，因此可判断物质结构中含有甲基。特征区的第二强峰 ，该峰位于（）区间，峰的强度大且为钝峰，故判断该峰可能是醇 （）峰。查询醇的一组相关峰数据得到：、，因此可以判断该物质为含有甲基的醇类物质。【教师追问】是佐证甲基存在的相关峰之一，而在它附近有个 与之形成了双峰。当化合物中存在有 （）、（）或 （）时，由于振动偶合甲基峰会发生分裂，出现双峰。那导致以上情况可能为哪一种情况呢？【学生 观 点】如 果 是 异 丙 基，双 峰 分 别 位 于 和 左右，其峰强基本相等：如果是叔丁基，双峰分别位于 和 附近，且 峰的强度要大于 的强度。因此，很有可能是含有叔丁基，但是由于不清楚分子式，不能确定为哪一种叔丁基。【教师小结】由于茶叶自身的性质，只能通过压片法制备固体试样；样品测定完后，需要利用特征峰进行初步鉴定，再利用相关峰佐证鉴定，得出茶叶成分的所属类别，完成对茶叶成分的初步测定。项目反思本次“茶叶成分的初步测定”的红外光谱教学活动是针对大学化学的一次教学探索，有效改善了理论学习与实验操作分开教学的传统教学形成的时间跨度大，不利于学生对红外光谱相关知识和技能整体学习的局面。此次教学探索使用了 个课时的课堂教学时间，学生根据各阶段的项目任务，完成了从理论设计实验到动手完成实验、从分析处理数据到得出测定结果、再到最后的实验总结反思的学习过程，全面提升了学生实验探究的能力，实现了化学学科素养的有效提高。当然，由于项目式学习开放性较大，突发事件发生频率相对传统教学较大，所以为了能够在有限的时间内高效、顺利开展项目，需要教师精心备课，提前预设可能出现的问题并设计好应对策略。另外，由于茶叶成分复杂多样，学生又初步接触红外光谱技术，完成全部成分测定工作是不现实的，但学生通过完成“茶叶成分初步测定”的项目活动，不仅能达到红外光谱教学有关目标，更能激发学生继续探究物质成分的激情，为未来进行科学研究奠定基础。同时，提醒教师在引进项目式教学时，不可盲目地将科学前沿直接引入课堂，需要在符合学生认知水平和满足学生兴趣的基础上逐步地开展项目活动。参考文献：相红英 项目式学习在化学教学中的实践研究 化学教育（中英文），（）：张艺，王依诺，洪景萍，等 浅析项目性实践在化学学科教学环节的重要意义 以 年暑期三下乡为例 大学化学，（）：李燕，曾紫微，严万莉，等 综合性实验“红外光谱鉴别法在 中国药典 中的应用”的教学探索 广州化工，（）：徐光宪 对分析化学教学的两点初浅看法 大学化学，（）：王庆 中国茶叶行业发展报告 北京：中国茶叶流通协会，：管曦，杨江帆，谢向英，等 基于 数据的中国茶叶消费行为研究 茶叶科学，（）：收稿日期：作者简介：彭炳先（），男，江西南昌人，博士，副教授，主要研究方向为色谱分析与应用。：