大学化学, 2022, 37(4): 2107100-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202107100

教学研究与改革

以培养科研意识为目标的本科波谱学混合式教学设计

马忠华,, 马济美, 成协设, 曹秀芳

Blended Teaching Design of Undergraduate Spectroscopy to Cultivate Scientific Research Awareness

Ma Zhonghua,, Ma Jimei, Cheng Xieshe, Cao Xiufang

通讯作者: 马忠华, Email: mazonghua@mail.hzau.edu.cn

收稿日期: 2021-07-27   接受日期: 2021-09-7  

Received: 2021-07-27   Accepted: 2021-09-7  

Abstract

A new "double-integration" teaching model was used in our spectroscopy course, including the combination of online teaching and offline discussion, literature reading, and spectroscopic elucidation exercises. This teaching model focuses on the cultivation of the core qualities of chemistry and aims at developing students' awareness of scientific research to solve existing problems in traditional teaching methods. Out-of-class discussion was implemented. The primary-level discussion connected online and offline teaching content. The high-level discussion relied on the scientific content and literature research to supplement the teaching content and promote students' awareness of scientific research. Three aspects including out-of-class discussions, discussions on reports and flipped classes ensured the participation of the students. "Double integration" was found to play a practical role in stimulating students learning and changing their modes of thinking, cultivating their data interpretation ability, and improving students awareness of professional quality and scientific research.

Keywords: Spectroscopy ; Classroom teaching ; Blended teaching mode ; Out-of-class discussion ; Instructional evaluation

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马忠华, 马济美, 成协设, 曹秀芳. 以培养科研意识为目标的本科波谱学混合式教学设计. 大学化学[J], 2022, 37(4): 2107100-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107100

Ma Zhonghua. Blended Teaching Design of Undergraduate Spectroscopy to Cultivate Scientific Research Awareness. University Chemistry[J], 2022, 37(4): 2107100-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107100

波谱分析方法对样品的需求量少、检测快速无损,能提供丰富的结构信息,广泛应用在化学及药物、材料、食品、生命科学等相关学科和领域。掌握波谱分析方法,是化学化工专业学生的基本功,是化学工作者从分子水平了解物质及其变化规律的必备技能。在基础有机化学教学内容中,波谱分析方法是重要的章节内容,在许多重点高校,波谱学是专业必修课程。以成果导向教育理念(OBE)为导向进行波谱学课程设计[1],对于培养本科生的解谱能力,解决毕业论文环节出现的突出问题,有重要作用。我们对波谱学课程教学模式进行了改革实践,通过线上教学与线下讨论结合、文献研读与解谱练习结合的“双结合”模式,在提升学生解谱能力的同时,培养学生的科学研究意识和素养,使课程教学实现“教”与“育”的统一。

1 波谱学传统教学中的问题

华中农业大学应用化学专业波谱学课程的先修课程包括无机化学、有机化学及实验等,它们与波谱学内容关联非常紧密,对于培养学生的专业意识影响很大。在实施课程教学过程中,出现以下一些亟需改进的不足。

(1)在先修课程中,学生接受新知识、新理论,初步具备化学思维和意识。弊端是难免固化形成用理论解释理论的思维习惯,从而轻数据和证据。

(2)学生对课堂知识的巩固,以做题为主。这是中学备考拿分行之有效的方式,本科生在大学学习中也习惯采用。弊端是做题习惯于寻求标准答案,形成非对即错的定势思维。

(3)在实验课程中学习新技能的同时,形成按部就班、照方抓药的操作习惯。流程式完成实验操作、提交结果,撰写报告没有针对性,仅仅是对实验的总结。

如何引导学生从谱学数据出发解释化学变化规律,培养学生基于证据去认知实验结果的意识,是波谱学教学应该思考的问题。波谱学是用物理学的基本原理,获取化学的数据,解析分子结构、物质组成,为化学理论和实验结果提供证据[2]。例如,有机化学中苯环上的亲电取代、取代基的定位效应,一般用电荷效应和共振论进行阐释,波谱学则可以从化学位移的变化给出谱学数据,对定位效应进行解释[3]

2 教学材料和教学平台的准备

2.1 线上教学资源的构建

教学资源是学生开展学习、教师开展教学的基础。我们在教学中形成MOOC/SPOC+微信公众号+长江雨课堂的线上资源,契合三个平台的不同特点,将教学内容进行功能划分,在三个平台之间资源互补,为学生学习提供最大便利和可操作性。三个平台的功能划分如图 1所示。

图1

图1   网络平台承载在线教学资源的功能划分示意图


MOOC/SPOC平台教学视频和课件、阅读材料、测试题库等是线上学习的主要资源。我们依托中国大学MOOC平台,前期自主开设了波谱学校内独立SPOC课程,设置发布教学视频30个、多媒体课件26个、自编章节测试69道题、自编谱图库文档、阅读材料等,内容主要涵盖核磁、红外、紫外和质谱,形成可独立运作的线上教学体系,也覆盖了线下教学的主体内容。教学中并不僵化规定学生学习线上视频的时间,线下对传统教学内容进行调整,精心设计课外讨论、翻转课堂和提交报告等环节,促使学生充分利用线上资源学习,具体做法详见下文描述。课程于2021年转为MOOC课程。

利用微信公众号辅助,构建多平台联动资源。微信是公共社交平台,微信公众号接收资源,并不需要另外安装手机APP,与MOOC/SPOC平台的特点形成很好的互补。我们同步开设了“有机波谱学”微信公众号,教学视频、阅读材料等主体资源与MOOC/SPOC平台同步发布,形成多平台联动体系。这部分内容与SPOC的线上资源大体相同,学生学习在两者间选其一即可,微信的娱乐性和便捷性,有利于学生突破认知新事物、接收新知识的心理壁垒。

通过长江雨课堂,实时发布教学动态信息,这是配合实施线下课堂教学的主要途径。包括教学计划、在线学习要求、线下讨论内容与安排、教师对讨论报告/作业的反馈等等。课堂上学生可以利用平板软件,在同步显示的课件上做电子笔记,也可回看课堂教学过程。

三个平台配合实施教学,MOOC/SPOC导学、微信公众号辅助、长江雨课堂强化过程实施,完成教、学、练、评等四个方面的综合教学管理,为实现教学设计的高阶性、创新性和挑战度,提供了先决条件。

2.2 线下资源的组织

教学内容是线下教学的重要资源。线下教学分为两个环节,一是课堂教学,主要依托多媒体课件进行讲解,多媒体课件是线下教学内容的核心载体,也是线上资源的重要组成,是提升课程教学质量的基础。二是课外交流讨论,以考评讨论报告、实施翻转课堂的形式,落实讨论效果,反向促进学生自主学习线上资源,达到复习巩固基础知识点、提升解决问题能力的教学目的。

2.2.1 课件重构课程内容

在课件形式上,我们注重实现对抽象理论的具象化呈现。主要采用如下做法:(1) Chemoffice等化学软件获取专业素材,凸显课件的专业属性。包括化学符号、自带的图片、ChemBio3D构建分子模型等;(2) 采取多张幻灯片分步展示复杂理论,分散教学难点,便于设计和后期修改;(3) 采用Flash及其他图片处理软件进行设计,或者设置ChemBio3D模型规律性旋转,可获取gif动态图片、美化图片,可弥补PowerPoint的局限性。

图 2()所示是对Larmor进动内容的动态具象化设计。自旋的小球gif由Flash辅助设计,图片表示磁性核;小球回旋的轨迹表示Larmor进动轨迹,使用Powerpoint动画功能实现。图 2()是解释邻位耦合常数3J的值与二面角关系的模型,形象说明轨道重叠带来的(超)共轭效应(二面角180°)对谱学性质的影响[4],模型素材很容易从Chemoffice软件获取。

图2

图2   多媒体课件对教学内容的重构

左图,Larmor进动;右图,邻碳耦合常数与二面角的关系的模型示意


使学生认识谱学性质与模型之间的联系,培养学生模型认知的能力,运用模型解释谱学数据,也是波谱学教学的目标之一,有利于帮助学生建立解决复杂化学问题的思维框架。这也符合现代有机化学教学的变革趋势[5]

同时,我们也注重与教学内容相关的文献数据的解读。例如,我们在讲述核磁共振的章节内容时,引入1952年物理诺贝尔奖得主Bloch的文章数据,引导学生了解核磁发展的历史和趋势[6],同时让学生熟悉科研论文的特点和思路。文献原文表示作者使用数千高斯的外磁场,采用最高1特斯拉计算,质子共振频率仅为42.6 Hz,现代核磁外磁场则发展到约23特斯拉,质子共振频率提升了20倍以上。这些科学研究背景的介绍,对于发展学生的科学研究思维也是有帮助的。

2.2.2 立足实践组织课外讨论

课外讨论不仅仅是课堂教学的延伸,更是提升学生能力、对学生进行专业素养和科研精神培养的重要阵地。随着课程学习的深入,教学应该培养学生质疑与求证的意识,在实验课程学习新技能的过程中,对于实验结果,可以引导学生思考“如何知道合成的物质一定是对的?”,在完成操作的基础上多一些质疑和思考。波谱学课程的教学目标之一,是让学生能够从谱学数据出发,对化合物结构、对化学反应机理进行解析、阐释。

我们采取小组课外讨论结合讨论报告和翻转课堂的模式,辅助课堂教学实施教学设计。

教师提出的讨论内容,是小组讨论能否取得良好效果的先决因素。我们构建两个层次的讨论题。第一层次是基础部分,主要是对课堂教学的重难点内容简单改编获得,学生可以结合SPOC视频复习巩固课堂内容;第二层次是综合部分,题目来自于科研文献改编,或者教师的科研成果,要求学生在完成第一层次讨论题的基础上,进一步进行讨论。教师可以对单一文献的结果进行改编,也可以对不同文献的数据和结果进行对比分析,提出问题,供学生讨论。这样,这部分内容自带科学研究的属性,学生尝试寻求标准答案解题时,会遭遇很大的困惑而被迫做出改变,进而体会到科学研究解决问题的思路。这也是课外讨论的关键内容。

以红外章节为例,综合讨论题的内容,我们选取了氧化石墨烯这一研究热点作为对象,对比研读两篇文献的数据信息后[7, 8],将相关信息改编为问题,要求学生讨论。题干及相应图谱信息如下:

氧化石墨烯(graphene oxide,GO)为单原子层二维网络结构,由sp2sp3两种杂化碳原子构成,表面含有大量的含氧官能团,可以看成类苯环结构,结构如图 3所示。科研工作者通过FT IR,UV等光谱法研究GO中官能团的结构、组成和含量(Nat. Mater.2010,9, 840–845;光谱学与光谱分析, 2020,40 (6), 1722–1727)。

图3

图3   红外章节综合讨论题提供的图谱内容

氧化石墨烯的红外谱图(左);紫外谱图(中)和结构示意(右)


我们结合不同文献的观点,设计的主要讨论内容如下:

(1)1646 cm−1的强峰,文献有两种观点,一是认为是类苯环结构(C=C)特征峰,另一种解释为COOH中C=O伸缩振动峰。我们要求学生结合课堂学习内容,判断哪一种说法更合理。

这个问题没有标准答案,是一个开放性的问题,两种观点都有文献支持,学生在讨论过程中,能进一步加深对官能团红外吸收峰的记忆和理解。更重要的是,通过讨论,让学生意识到,谱学数据来自于实践操作,数据信息繁杂,这可能会造成解读困难,解读数据时可能会带有主观意识。多解谱、多练习、多实践才是提升识谱、解谱能力的关键,也是从谱学数据得出科学、合理结论的基础。

(2)1724 cm−1的肩峰,弱但是很清晰,文献认为是结构中含有少量醛(酮)羰基结构。我们要求学生讨论,这个观点是否合理,并给出详细的理由。

这个问题所涉及的内容,在授课内容的基础上有所变化。课堂讲解羰基吸收峰一般是红外中的最强吸收,1724 cm−1在峰位置上与羰基相符但峰强度弱,学生在讨论过程中,能认识到峰强度与官能团的含量有关系。更重要的是,通过讨论,让学生意识到,不同的表征对象(小分子与高分子材料)呈现的谱学规律可能会有所差异,谱学数据的解析也不是纯粹依靠理论臆测,而是要结合对象的特点和制备过程,结合具体实验条件,给出科学合理的解释。

(3)1273 cm−1和1244 cm−1两个信号峰,文献将其中一个归属为结构中存在的环氧基(C-O-C)。我们要求学生讨论,这两个信号和1051 cm−1峰,究竟哪一(几)个归属为环氧基更合理。

这同样是一个开放性的问题,不同文献中归属并不完全一样。学生在讨论过程中,可以加深理解环结构对官能团峰位的影响的认识,1051 cm−1峰是C-O通常出现的吸收峰,但并不是三元环C-O-C的吸收峰,是唯一能被肯定排除的信号。更重要的是,通过讨论,进一步加深学生理解如何科学解析表征数据,在考虑材料特征的同时仍然要遵循基本的理论。

(4)给出紫外光谱,要求学生讨论紫外与红外光谱给出的信息的一致性,并对信号峰给出具体归属。紫外在230 nm出现强的吸收峰,在300 nm左右出现宽的肩峰。

这个讨论题主要是让学生熟悉多个表征手段解析的技巧,培养学生进行多谱图解析的意识。学生在讨论过程中,可以理解不同表征手段给出证据的侧重点,同时意识到,多手段表征是科学研究中所经常采用的手段,表征数据的一致性是非常重要的。

综上所述,综合讨论题在培养学生科学素养和意识方面,是很有意义的。一是尊重实验数据、培养他们理论与实践相结合的意识,以及从实践出发,解释“反常”数据的能力和意识。二是理论指导实践的意识,培养学生依据理论预测、解释数据和实验事实的能力。三是通过文献调研解惑的意识。学生在讨论过程中会查阅原始文献以寻求答案,进而培养学生开展文献调研的能力。四是团队协作精神。一般而言,受限于初学者的知识局限,学生个体无法给出综合题的讨论结果,小组的协作是必不可少的。

我们对紫外、核磁、质谱等章节内容均给出综合讨论题,尤其是核磁部分,充分给学生提供实践解谱的机会。每次讨论时长以2学时为基准,各小组自行安排时间,排除小组之间时间安排冲突的因素,教师的参与率约70%,这一方面有利于重点把控综合题的正确讨论方向,提升了学生参与度,取得良好效果。教师对关键讨论点的引导,能起到画龙点睛、提高讨论效率的作用;另一方面,对于教师了解课堂教学效果、更好实施线下教学提供参考。而且,教师的授课思想,能在小组交流中进一步贯彻实施。

小组讨论为翻转课堂的顺利实施提供保证,讨论报告和翻转课堂则夯实课外讨论的成效。对讨论撰写的基本要求是,具体一例一解,遵循科研论文中数据解析的写法,对信号峰进行归属、解析、讨论,避免做成简单总结;对综合讨论题,清晰阐述观点,避免出现机械追求标准答案的情况。小组讨论报告分工协作完成,集中整理后提交,禁止拷贝书本概念、定义、一般性结论、PPT内容等,以文字段落为主,适当配清晰的图表。

教师对小组讨论报告严格考评,计入总评成绩,并及时对各组报告给出反馈意见,逐一评判报告优缺点。各小组可在讨论报告的基础上准备翻转课堂讲解/答辩内容,各小组讲解/答辩的题目随机抽签决定,鼓励“生问生答”及“师问生答”,鼓励团队作答。如图 4所示,是学生对上述图 3所示的综合讨论题的报告内容,教师对讨论报告的反馈示例,以及学生小组讨论、翻转课堂“生问生答”的实景图片。讨论报告未及时提交,或报告考评不及格且未及时修正的小组,取消翻转课堂讲解/答辩资格,这一环节小组全体成员考评分记零。这能有效促进小组成员的参与式学习,促进学生的团队协作精神。

图4

图4   学生课外讨论报告(左)、教师反馈示例(中)及小组讨论和翻转课堂实施(右)


3 教学反思与效果评价

3.1 课程中段的教学反馈

我们在课程中段设置了课后问卷调查,以了解学生对教学模式的反馈。对于线下授课,65.5%的学生认为课程进度偏快,83.6%表示只能勉强记忆内容。这表明混合式授课模式对学生学习方式的冲击是比较大的。83.6%的学生采取观看线上视频的方式进行巩固学习,16.4%表示基本不看线上资源,显然这部分学生的学习积极性需要进一步调动。

3.2 课程效果评价与反思

课外讨论和翻转课堂能有效促进学生参与式学习。课外讨论的反馈情况见表 1 (1)、(2)部分。由表 1 (1)可以看出,67.3%的学生认为第一层次的基础讨论题能为巩固课堂内容提供有效帮助,另有7.3%要求继续加大讨论题量。我们认为这是一个较为合理的结果,表明基础一般或较好的同学,可以无障碍参与讨论并有所收获,这足以带动其余约25.5%的同学参与。

表1   关于课外讨论实践效果的部分问卷调查结果

题干内容统计结果
(1) 你认为老师发的课外讨论题和讨论的过程[单选题]
(2) 老师发布的讨论题中的最后一个大题(综合讨论题) [多选题]
(3) 老师设计讨论、报告、翻转课堂各个环节,目的是提高课程实用性,提升大家的科学研究意识。你的感受是[单选题]
(4) 对于讨论报告的看法和建议[多选题]

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第二层次的综合讨论题(表 1 (2))明显提升了难度,74.6%的学生反应信息量大,70.9%认为不太好给准确答案。这符合我们设计开放性问题、培养学生科学探讨精神的初衷。47.3%认为讨论题与文献结合紧密,对了解科学研究有帮助。几乎没有人认为综合讨论题能简单获取答案。我们也注意到,30.9%的学生反馈太难,与表 1 (1)中25.5%的被动参与讨论的数据相近,表明总体约有1/4的同学在讨论过程中是被动性参与。

表 1 (3)表明80%的学生认可讨论、报告、翻转课堂环节能提高课程实用性、增强科学研究意识,并希望进一步加强。绝大多数学生(89.1%)认为应该合理安排翻转课堂时间,使课堂更高效、实用。几近90%认可讨论报告的意义(表 1 (4)),其中50.9%认为规范讨论报告很有必要。36.4%的学生表达出降低讨论报告要求的意愿,表明完成报告对学生形成了一定的压力;38.2%要求进一步明确讨论报告的要求,表明报告的作用在我们的教学模式中得到体现,规避了报告流于形式的情况发生。这对于强化过程考核,增强学生严谨、规范写作的科学意识,还是很有作用的。

采取线上线下教学与线下讨论结合、文献研读与解谱练习结合的“双结合”方式,基本能够达到课程内容学习的既定目标。

华中农业大学在学期末段,由学生不记名对课程教学进行网络评教,分为评分(5分制)和评语两部分。从课程评分来看,95%的学生认为学习高效,93%的学生认为学习氛围好,能激发学习兴趣,93%的学生认为课程教学启发了思考,提高了分析、解决问题的能力,评价给出5分,其他学生也给出4分较高分。学生的评语提到“翻转课堂教学十分有效”,“教学深入浅出,注重课外文献资料的查询,对于学生拓展思维很有益处。”这表明线上线下教学与线下讨论结合、文献研读与解谱练习结合的“双结合”方式,在知识传授和能力提升方面都得到学生认可,教学效果达到预期,教学模式的调整对学生学习方式的冲击,最终能通过激发学生课外自主学习很好弥补,并对学习效果带来质的变化和提升。

不足的是,在“教书与育人统一,引导树立积极人生态度”评价方面,仅有76%的学生评价5分。这表明在课程思政方面应进一步完善,在注重提升学生科学素养和科学意识的同时,也应进一步强化对学生人生观和价值观的引领。不过,从学生反馈的感受和建议来看,学生通过课外讨论和翻转课堂受到启发后,开始思考应该如何面对今后象牙塔之外的“不舒适”的人生道路,直言“即使同学们都不太想讨论,但这部分仍然很重要,帮助大家走出舒适圈”,“以小见大,在象牙塔中便需学习的能力,在社会上也是不可或缺的,望自己在大学生涯中增添羽翼,未来更好前行”。图 5列出部分同学对课程的建议和感想。

图5

图5   学生对课程的部分反馈信息


4 结语

多样化教学手段和教学模式是当前信息化教学发展的趋势,对于培养学生学习能力,适应学科和社会发展的需求,很有价值和必要性。但同时,这些新的模式对学生的学习、思维方式也形成冲击,对学习难度、学习态度,都提出新的挑战。基于线上教学与线下讨论结合、文献研读与解谱练习结合的“双结合”方式,课程资源的构建,是实现教学模式改革的基础条件,线上资源的构建必须与线下教学实践相辅相成。线下讨论中,通过学生熟悉的解题方式,将文献数据信息改编融合,促进学生了解、思考文献调研以及科学研究的一些问题,通过实践感知波谱学课程的实用性。而线下讨论,不仅是课堂教学的延伸,更是课堂教学内容的升华,是贯彻教师教学思想的重要阵地。这一模式把线上线下教学有机结合,有效增强学生学习兴趣,提升学生学习的参与度,对学生的科学素养和专业思想的形成,都起到积极作用。

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