分析测试课程中拉曼及拉曼成像技术教学改革探讨

魏文娴 周 俊 王赪胤

（扬州大学测试中心 江苏·扬州 225127）

当今社会，先进分析测试技术的课程教育是培养高素质科研人才中不可或缺的一部分。[1]在我校，有一门针对研究生开设的名为“现代分析测试技术与仪器”的公共课，其中有“拉曼及拉曼成像技术”课程的教学，吸引了不同专业学生的兴趣和关注。拉曼光谱是一种可以用于分析分子化学成分、结构等信息的现代检测分析技术，相对于其它光谱分析方法而言，拉曼光谱具有非破坏性、非侵入性、高度自动化、光谱分辨率高的优点。[2-4]此外，以图像形式观测物质成分与结构等信息的拉曼光谱成像技术，将共聚焦显微镜技术与激光拉曼光谱技术完美结合，可以被广泛应用到电池、石墨烯、材料、薄膜、单晶、药物等研究领域，因此同样具有重要的应用价值。为了让学生在学习过程中更好的理解和掌握拉曼光谱相关技术的知识要点，从而能够将该类技术用于以后的科研和工作中，本文将结合拉曼光谱与成像技术的特点以及教学工作中的难点，讨论、探索拉曼技术课程的教学和实验建设方法。以下分别从教学中存在问题、改革目标以及主要改革措施三方面进行探讨。

1 教学中存在的问题

在教学中，“拉曼及拉曼成像技术”课程主要包含了四部分的内容：拉曼光谱的原理、拉曼光谱及成像仪器的结构、光谱数据的分析方法以及拉曼技术的应用。在授课过程中，主要还是采用了教师主讲的方式，由于拉曼光谱原理深奥，光谱解析较为复杂，“填鸭式”的教学方法难以完全调动学生的积极性；另外，拉曼光谱技术虽然已经在各研究领域得到了广泛应用，但由于拉曼信号一般较弱，尤其容易受到荧光的干扰、从而导致拉曼信号极弱甚至不可见，学生在学习和实验过程中，无法理解这种现象，更无法独立去解决这种问题，因此觉得拉曼光谱技术太复杂，减弱了学习拉曼光谱技术的兴趣。所以在老师授课过程中，学生更易于出现玩手机甚至逃课等现象。此外，在实验课上，由于大型精密仪器往往操作都比较复杂和繁琐，一般还是选择老师操作、学生观看的授课方式，学生很难在短时间内就能掌握操作的步骤。因而，虽然学生学习了这门课程，然而在实际科研过程中，并不能真正地将该技术应用于自己的研究课题中。

2 改革目标

通过“拉曼及拉曼成像技术”课程的学习，使学生真正理解拉曼光谱仪器的工作原理和基本操作过程；能够了解不同样品在进行拉曼光谱测试之前的准备工作、学会选取合适的光谱测试条件；让学生们能够掌握拉曼谱带分析归属的方法以及推测化合物的分子结构的能力，能够从拉曼光谱图以及成像图中获得需要的结构信息，最终可以将该先进技术用于实际研究中。

3 主要改革措施

3.1 课件内容的及时更新

近些年，拉曼光谱技术的发展很快，这一方面得益于激光技术的发展，另一方面得益于纳米技术迅猛发展，使表面增强拉曼光谱和针尖增强拉曼光谱在超高灵敏度检测方面获得了很大的进步，从而推动拉曼光谱成为达到单分子检测水平的技术；此外，拉曼成像光谱仪器的开发，也推动拉曼技术得到进一步的应用。仅拉曼成像技术而言，成像方式就具有多样化，包括点、线、面扫描式拉曼光谱成像以及基于光谱重建的拉曼光谱成像等等。[5]因而，教师需要根据实验室现有的仪器设备，及时更新课件的内容，改革教学方法，在教授新知识的过程中增加对比性、探究性、趣味性等多层次实验，以拉曼光谱理论知识为基础，探索建立一套较为完善的、灵活且新颖的拉曼及拉曼成像光谱教学实验体系。[6]

3.2 调动学生学习热情

3.2.1 结合实际应用案例

对于学生而言，枯燥的原理往往会让他们对学习新技术望而止步。因此，在授课前，教师可以首先调查学生在测试过程中遇到的问题和难点，然后针对这些问题，从实际应用案例入手，让学生了解拉曼技术在他们熟悉的研究领域的应用，这样可以使课程内容丰满、充实、易于理解，更有利于学生熟悉和掌握拉曼分析测试技术。事实上，拉曼光谱在聚合物、生物大分子、无机物及金属配合物、文物考古、宝石鉴定、公安与法学样品、矿床学等方面的分析检测都有广泛的应用。如果学生能够了解到拉曼光谱在其研究领域的优势，就更容易对该技术产生兴趣，这样可以调动学生的学习热情、开拓他们的研究思路。

3.2.2 增加对比性实验

红外光谱与拉曼光谱同属于研究分子振动的谱学方法，两种测试技术原理不同，但可以相互补充。相比于红外光谱仪而言，拉曼光谱仪相对比较贵重，因此有关拉曼光谱法的实验教学尚未普及。[6]其实，相对于红外光谱，拉曼光谱具有很多优势，如制样方便，样品可回收，可研究水溶液体系、可用于检测黑色样品以及无机物材料等，因此，教师在教学过程中，可以从学生更为熟悉的红外光谱等技术入手，结合、对比红外光谱的特点，让学生了解到拉曼光谱与他们常用的测试技术之间的联系和区别，这样有利于促进学生对拉曼光谱这种新技术测试原理的理解。

3.2.3 教学手段与时俱进

高校的专业课程很多都具有体系复杂、信息量大的特点，因此，许多高校会尝试新兴的教学手段来增强学生课堂学习的参与度和对知识点的理解。[7]教师在教学过程中，可以采用合适的多媒体手段进行教学，从而充分发挥信息技术优势。教师可以融合文字、动画、音频、视频、图片等素材，生动形象的呈现教学内容，这样可以将枯燥的基础理论知识采用动画演示等有趣的方式进行教授，让知识更易被理解和记忆。随着信息技术的进步，未来将会有更多的先进技术用于课堂教学，作为教师，更应该与时俱进，努力提高自身的教学水平，激发学生学习的热情和积极性。

3.3 强化实验技能培训

在实验课上，安排采取小组实验的方式，这样可以使每个学生都能够有充足的时间动手练习，其间，教师仅作适当的提示和指导。[8]鼓励学生结合自己的研究课题，利用实验室现有的资源自行设计实验，提供多元化的样本进行检测，让学生带着思考去实验。结合课堂原理讲解，让学生在实验过程中了解拉曼光谱仪器的测试原理及影响因素。对实验中出现的问题，引导学生从技术原理出发，结合现有仪器的条件，调整测试方案，比如激发波长的选择，光栅的改变以及激光器能量的确定等等，从而有效获得不同样本的拉曼光谱。结合实例，引导学生对获得的光谱图进行解析。比如对于人体骨肉瘤细胞而言，DNA拉曼出峰位置在784 cm-1，蛋白质出峰在1640-1644 cm-1，2900-2950 cm-1范围内的拉曼峰可归属于脂类，1001 cm-1是氨基酸的特征峰；而对于石墨烯类碳材料而言，通过测量材料的拉曼光谱，可以判断石墨烯的层数、边缘结构、张力变化以及掺杂状态等结构和性质特征。在获悉这些信息后，可以进一步对样品进行成像检测，从而获得不同组分的空间分布情况；也可以对光谱进行进一步的处理和分析，如求导、归一化、傅里叶变化、滤波等，从而获得组分的定性和半定量信息。这样既激发了学生的学习兴趣，又提高了他们独立工作的水平，有助于培养学生的探索精神和严谨的科学实验态度。

4 结语

本文结合拉曼光谱技术的优势，分析了我校“现代分析测试技术与仪器”课程中“拉曼及拉曼成像技术”讲授过程中遇到的问题，围绕如何改善教学质量、激发学生学习热情提出具体教学改革措施。课程知识的传授和教学方法的改革任重道远，需要教师与时俱进、不断完善教学课程，使学生具有自主学习分析的能力，从而有助于学生独立开展研究工作。