近日，我院任斌教授团队，针对本科化学实验教学中光谱仪器的“黑箱化”、学生难以深入理解仪器结构与光路原理等问题，研发了一套光路开放的多功能教学光谱仪，并开发了相关配套实验课程。相关成果以 “Design and Classroom Implementation of a Multifunctional Open-Path Spectrometer for Undergraduate Education” 为题发表于Journal of Chemical Education上。
光谱技术是化学、材料、生命科学及环境检测等领域的重要表征手段。然而，在传统本科教学中，光谱仪器往往以封闭式“黑箱”设备的形式出现，学生通常只允许完成样品测试和数据读取，难以直观理解光源、光路、分光、检测与信号处理之间的内在联系，不利于其仪器操作能力、数据分析能力和科研思维的培养。针对这一教学瓶颈，研究团队构建了一种开放光路、多模块集成的教学型光谱仪平台。该平台以对仪器各项指标要求最高的拉曼光谱仪器作为基础，通过可视化的光路和模块化的滑入/滑出结构，使学生能够直接观察并理解激发、收集、滤光、分光和检测等关键环节。仪器内置了多种光源和光栅，学生可以简单的通过调整光源、光栅和检测路径，实现荧光光谱、吸收光谱、化学发光检测及白光显微成像等功能。相比传统封闭式科研级仪器，该平台兼顾教学可操作性、实验安全性与光谱性能，有助于学生在同一开放平台上建立对不同光谱技术的关联理解。
在课程实施方面，团队以近年在科研和产业中皆得到重要应用的拉曼光谱作为重点，设计了从仪器校准、参数优化、定性识别、定量分析和自主探究等系列实验内容，突出其能提供分子指纹信息，并能在常规实验室环境条件下实现无损的定性和定量检测的优势。学生通过硅片拉曼峰校准、激光功率与信号强度关系、乙醇水溶液定量分析、羰基化合物结构与拉曼峰位关系以及宝石样品鉴别等实验，逐步理解光谱信号来源、仪器参数对数据质量的影响，以及光谱数据与化学结构之间的对应关系。
论文的补充内容详细提供了其它光谱技术的实施方式。通过这些实验，学生可以深刻认识到一台拉曼光谱仪器不是只能进行拉曼光谱测量，只要合理的配置光源、光栅、检测器和光学配件，可以像“变形金刚”一样的变换成荧光光谱、吸收光谱、化学发光检测及白光显微成像等功能，加深学生对化学测量学的信号激励-信号传导-信号检测-数据处理完整链条的理解。
课堂教学实施成效表明，该仪器课程有助于提升学生对拉曼光谱原理、仪器结构、数据处理和实验设计的理解，为本科化学实验中科学仪器教学的开放化、模块化和探究式改革提供了可参考的实践方案。该教学仪器已经被上海交通大学、浙江大学、中国科学院大学以及香港大学等国内外知名大学用于本科化学、物理、生物医学等专业的教学实践。
该研究工作由我院任斌教授、刘川高级工程师和嘉庚创新实验室周鹤高级工程师共同指导完成。2022级博士研究生裴昕迪和2020级硕士研究生张烁为论文共同第一作者，嘉庚创新实验室黄声超工程师和厦门大学化学化工学院实验教学中心吴平平工程师为实验教学开展提供了帮助。本研究涉及的仪器开发得到了嘉庚创新实验室教学仪器项目的支持。课程建设过程得到国家自然科学基金委仪器项目和教育部化学“101计划”化学测量学实验课程建设项目等支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jchemed.5c00827
