應(yīng)用化學(xué)專業(yè)“波譜分析”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

張 勇，馬志剛，焦元紅，陳雪梅

(1.湖北理工學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 黃石 435003；2.石家莊學(xué)院 化工學(xué)院，河北 石家莊 050035)

“波譜分析”是國(guó)內(nèi)許多高等院校應(yīng)用化學(xué)及相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)的必修課，主要講授四大波譜(紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜和質(zhì)譜)的基本原理、方法和應(yīng)用。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)該課程可以了解現(xiàn)代波譜分析技術(shù)的特點(diǎn)和工作原理，掌握有機(jī)化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與各類波譜之間的邏輯關(guān)系，并能運(yùn)用波譜技術(shù)對(duì)未知有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析和鑒定，進(jìn)而提高解讀圖譜的能力，為后續(xù)的學(xué)習(xí)、深造和從事專業(yè)研究工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)[1-2]?！安ㄗV分析”課程涉及到“大學(xué)物理”“有機(jī)化學(xué)”和“儀器分析”等多門課程的知識(shí)，理論性強(qiáng)、信息量大、邏輯復(fù)雜、教學(xué)內(nèi)容繁多，而我院該課程課時(shí)安排較少，學(xué)生普遍感到該課程學(xué)習(xí)難度較大，考試成績(jī)也不理想。為適應(yīng)新時(shí)期培養(yǎng)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)高級(jí)人才的要求，針對(duì)“波譜分析”課程教學(xué)中遇到的一些問(wèn)題，筆者結(jié)合自身教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，在教學(xué)實(shí)踐中不斷改革教學(xué)方法，取得了良好的教學(xué)效果。

1 教材和教學(xué)內(nèi)容的選擇

“波譜分析”課程涉及到的理論知識(shí)較為抽象，學(xué)生自學(xué)難度大，且考慮到湖北理工學(xué)院大多數(shù)學(xué)生基礎(chǔ)較為薄弱，因此，該課程教材選用由科學(xué)出版社出版、鄧芹英教授等編著的《波譜分析教程》(第2版)。該教材難度適中，注重基礎(chǔ)，圖譜解析、例題講解詳細(xì)，在課程教學(xué)過(guò)程中得到了許多高?；瘜W(xué)專業(yè)本科生的認(rèn)可。此外，對(duì)于學(xué)有余力、對(duì)波譜學(xué)感興趣或者有考研意向的學(xué)生，還可推薦其他參考教材，如武漢大學(xué)出版社出版、孟令芝教授等主編的《有機(jī)波譜分析》，科學(xué)出版社出版、寧永成教授主編的《有機(jī)化學(xué)物結(jié)構(gòu)鑒定與有機(jī)波譜學(xué)》等，以滿足該類學(xué)生對(duì)波譜知識(shí)更深層次的需求[1-2]。

由于“波譜分析”課時(shí)安排較少(32 學(xué)時(shí))，教師難以在有限的課時(shí)內(nèi)講授完所有知識(shí)點(diǎn)，必須對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的優(yōu)化和增刪，力爭(zhēng)做到主次分明，抓住重點(diǎn)。鑒于學(xué)生前期已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)“儀器分析”和“分析化學(xué)”等課程，且已掌握“紫外光譜”和“紅外光譜”章節(jié)的相關(guān)知識(shí)，因此對(duì)該課程部分章節(jié)的課時(shí)安排作適當(dāng)調(diào)整。緒論部分安排2學(xué)時(shí)；“紫外光譜”“紅外光譜”和“綜合解析”部分章節(jié)各安排4學(xué)時(shí)；前期沒(méi)有接觸過(guò)的“質(zhì)譜”部分章節(jié)安排6學(xué)時(shí)；而學(xué)生普遍認(rèn)為難學(xué)，在物質(zhì)結(jié)構(gòu)解析中信息量最大的“核磁共振波譜”部分章節(jié)則安排12學(xué)時(shí)。在教學(xué)內(nèi)容上，簡(jiǎn)要介紹四大波譜的原理，盡量減少對(duì)復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)和描述，重點(diǎn)講授四大波譜的圖譜解析，通過(guò)采用對(duì)比、綜合等方法將四大波譜聯(lián)系起來(lái)，找出其共性規(guī)律，使各章節(jié)的知識(shí)更加系統(tǒng)化。例如，在講授紅外光譜時(shí)，在原理、用途和適用范圍等方面將其與紫外光譜進(jìn)行對(duì)比，不僅能使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到2種圖譜的異同，還有利于引導(dǎo)學(xué)生掌握系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法。此外，在針對(duì)本科生層次的課程教學(xué)中，對(duì)于教材中提及的“拉曼光譜”“二維核磁共振譜”等知識(shí)點(diǎn)可以只做簡(jiǎn)單介紹，甚至不作講解。

2 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)和培養(yǎng)

當(dāng)前很多教材都是先從紫外光譜部分開(kāi)始介紹抽象的波譜理論知識(shí)，學(xué)生初學(xué)時(shí)感到內(nèi)容枯燥難懂，從而逐漸失去了學(xué)習(xí)該課程的興趣。教師在進(jìn)行新課程導(dǎo)入時(shí)應(yīng)注重緒論部分的講解，適當(dāng)介紹現(xiàn)代有機(jī)波譜學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史和學(xué)科前沿，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到波譜學(xué)在科學(xué)研究中的重要性和實(shí)用性，如在講授化學(xué)分析法和有機(jī)波譜分析法的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，以故事的形式對(duì)嗎啡和?？舅氐慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行解析；講述四大波譜所用到的儀器及其功能時(shí)，用圖片的形式展示各種光譜儀，使學(xué)生在課程初期就對(duì)“波譜分析”課程產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

在針對(duì)本科生層次的“波譜分析”課程教學(xué)中，應(yīng)注重提升課堂的生動(dòng)性和趣味性，加強(qiáng)師生互動(dòng)，盡量避免過(guò)于抽象化和理論化的教學(xué)[3-5]。如紅外光譜中有多種基團(tuán)的吸收帶數(shù)據(jù)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)往往感到枯燥乏味，難以將所有數(shù)據(jù)熟記于心，但如果把這些數(shù)據(jù)編成紅外光譜歌曲，學(xué)生不但記得牢，還能提高學(xué)習(xí)興趣。又如講授質(zhì)譜法章節(jié)時(shí)，介紹質(zhì)譜分析法是在高真空系統(tǒng)中測(cè)定樣品的分子離子及碎片離子質(zhì)量，以確定樣品相對(duì)分子量及分子結(jié)構(gòu)的方法。這種概念解釋對(duì)學(xué)生而言比較抽象，但若恰當(dāng)而生動(dòng)地運(yùn)用比喻，便能使抽象的物理概念變得直觀形象，如比喻質(zhì)譜用于結(jié)構(gòu)分析有點(diǎn)像一個(gè)花瓶，你看不到它的內(nèi)部形狀和質(zhì)地，但若將花瓶扔到地上打碎，然后將這些碎片拼接起來(lái)使花瓶復(fù)原，就可以知曉它的形狀和質(zhì)地了。在授課時(shí)，利用多媒體制作動(dòng)畫(huà)或運(yùn)用肢體語(yǔ)言輔助教學(xué)，不僅能將教學(xué)內(nèi)容形象生動(dòng)地展示給學(xué)生，還可增強(qiáng)課程的趣味性。

3 教學(xué)手段和方法的改革

“波譜分析”課程涉及各種復(fù)雜的圖譜、種類繁多的數(shù)據(jù)，以及生僻枯燥的概念和原理，教師在課堂上若采用單一的講授方式，學(xué)生則難以掌握和理解課程的內(nèi)容，因此教師應(yīng)注重運(yùn)用多種教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，適當(dāng)改革教學(xué)手段和教學(xué)方法。筆者經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐總結(jié)與思考，主要從以下5個(gè)方面進(jìn)行了課程教學(xué)改革。

3.1 實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式多元化

教學(xué)活動(dòng)是師生之間、學(xué)生之間相互溝通和交流的一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。應(yīng)充分運(yùn)用多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)相結(jié)合的方法，采用以課堂講授為主，以演示、自學(xué)、問(wèn)答、練習(xí)、討論為輔的靈活多樣的教學(xué)方式，使“波譜分析”課程教學(xué)變得更加生動(dòng)形象，豐富多彩。在圖譜解析和波譜基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)中，堅(jiān)持以傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)方式為主，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)思路，突出教學(xué)重難點(diǎn)，強(qiáng)化直觀教學(xué)形象，以便學(xué)生更好地理解和掌握所學(xué)知識(shí)。在各種波譜儀的工作原理、操作和儀器結(jié)構(gòu)等教學(xué)中，采用多媒體教學(xué)，諸如圖形、三維動(dòng)畫(huà)、音頻和視頻等教學(xué)形式，擴(kuò)大教學(xué)信息量，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)能力和接受能力，活躍課堂氣氛。此外，在波譜分析教學(xué)中，特別是針對(duì)圖譜解析過(guò)程的教學(xué)，應(yīng)注重引入互動(dòng)式教學(xué)模式。在課堂上設(shè)置討論小組，每個(gè)討論小組選取1位學(xué)生代表，模仿教師逐步講解圖譜解析的詳細(xì)過(guò)程，然后由教師進(jìn)行啟發(fā)和引導(dǎo)，或進(jìn)行實(shí)時(shí)提問(wèn)，最后對(duì)學(xué)生的解析和回答作出點(diǎn)評(píng)。臺(tái)下的學(xué)生還可以對(duì)圖譜解析不完善的地方進(jìn)行糾正與補(bǔ)充。這種以學(xué)生作為主體的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)有利于師生間形成良性互動(dòng)，提高學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力和解決問(wèn)題的能力，能更充分地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺(jué)性和主動(dòng)性。

3.2 引入仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

波譜分析的實(shí)驗(yàn)教學(xué)涉及到核磁共振儀、質(zhì)譜儀等高精尖的大型儀器設(shè)備。這些儀器價(jià)格昂貴，臺(tái)套數(shù)有限，且需要專人操作和管理。由于我院資金有限，導(dǎo)致波譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展受到諸多限制。為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件和教學(xué)資源的不足，讓學(xué)生對(duì)測(cè)試儀器有比較感性和直觀的認(rèn)識(shí)，我院已購(gòu)置并在網(wǎng)上下載相應(yīng)的仿真教學(xué)軟件和視頻，學(xué)生在化學(xué)與化工學(xué)院的仿真實(shí)驗(yàn)室就可以進(jìn)行無(wú)污染、無(wú)浪費(fèi)和無(wú)破壞的在線虛擬操作，使需要高成本的專門精密儀器的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展成為了可能，更實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的相互補(bǔ)充。鑒于學(xué)生難以掌握和理解核磁共振譜概念，可將ChemOffice軟件引入課堂教學(xué)中。該軟件能模擬有機(jī)化合物的核磁共振碳譜和氫譜，還能確定烯烴的取代構(gòu)型和芳香烴的取代方式。學(xué)生根據(jù)ChemOffice軟件提供的模擬仿真信息，可輔助解析和指認(rèn)圖譜，不僅有助于學(xué)生掌握波譜解析的技術(shù)和要領(lǐng)，還能拓寬學(xué)生的視野。

3.3 重視課后輔導(dǎo)

由于課堂時(shí)間有限，很多學(xué)生不能很好地掌握所學(xué)的波譜理論知識(shí)，課后可能會(huì)有許多疑難問(wèn)題需要教師引導(dǎo)和解答。為此，應(yīng)在“波譜分析”的第一堂課上及時(shí)公布任課教師的電話、郵箱，同時(shí)加入教學(xué)班級(jí)的QQ群或微信群，學(xué)生在課后可以隨時(shí)隨地以多種方式向教師提出問(wèn)題，教師及時(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行答疑，或者引導(dǎo)大家相互討論。這種“一對(duì)一”“一對(duì)多”，甚至“多對(duì)多”的教學(xué)模式，不但解答了學(xué)生的各種疑難問(wèn)題，還促進(jìn)了師生之間的溝通交流，增進(jìn)了師生感情。

3.4 注重教學(xué)與科學(xué)研究相結(jié)合

在圖譜解析的教學(xué)過(guò)程中，除了精選、精講典型波譜例題，讓學(xué)生掌握解題的基本思路和技巧，還應(yīng)注重教學(xué)與科學(xué)研究相結(jié)合。在課堂上，將教師科研中合成的多種新化合物的各種圖譜作為教學(xué)實(shí)例，通過(guò)對(duì)實(shí)例的解析和探討，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到波譜分析在科研和實(shí)際分析測(cè)試中的應(yīng)用價(jià)值。鼓勵(lì)部分學(xué)生利用課余時(shí)間參與教師的科研課題，或者指導(dǎo)學(xué)生申請(qǐng)國(guó)家級(jí)、省級(jí)、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，使學(xué)生在科學(xué)研究中盡可能多地接觸實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有的紅外光譜儀、紫外光譜儀等儀器設(shè)備，并學(xué)會(huì)識(shí)別和解析圖譜。理論教學(xué)與科學(xué)研究相結(jié)合，一方面可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力，增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；另一方面也可以培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

3.5 合理利用網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化教學(xué)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，“波譜分析”的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源不斷涌現(xiàn)。任課教師可篩選一些優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的網(wǎng)址推薦給學(xué)生，如英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)制作的四大波譜儀原理和操作的視頻，伯樂(lè)生命醫(yī)學(xué)(Bio-Rad)公司推出的KnowItAll軟件和學(xué)生免費(fèi)試用版軟件，以及一些高校推出的波譜分析課程網(wǎng)站等，還可以給學(xué)生推薦網(wǎng)絡(luò)上諸如小木蟲(chóng)、儀器信息網(wǎng)等相關(guān)論壇或微信公眾號(hào)等交流平臺(tái)。這些交流平臺(tái)在線上以深入淺出、通俗易懂的方式講解波譜分析領(lǐng)域的科普性知識(shí)，可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握知識(shí)。合理利用網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化教學(xué)，能有效地吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)習(xí)興趣，并促進(jìn)學(xué)生提升自學(xué)能力[6-8]。

4 考試體系的改革與優(yōu)化

考試是教學(xué)過(guò)程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，也是評(píng)價(jià)教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要手段, 是教師進(jìn)行教學(xué)改革的重要依據(jù)。“波譜分析”課程采用閉卷考試方式，卷面成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的70%，平時(shí)的考勤、課堂表現(xiàn)和作業(yè)占30%。我院為實(shí)現(xiàn)教考分離，近年來(lái)購(gòu)買了波譜分析試題庫(kù)，并用科研測(cè)試圖譜等資料對(duì)試題庫(kù)進(jìn)行了補(bǔ)充和完善。為了體現(xiàn)考試的公正性和客觀性，期末考試前學(xué)院指定一名非任課教師從試題庫(kù)中隨機(jī)抽題生成試卷，有效地實(shí)現(xiàn)教考分離。再根據(jù)考試的結(jié)果和反饋進(jìn)行試卷分析和教學(xué)總結(jié)，進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和考核形式。改革后學(xué)生對(duì)該課程教學(xué)的滿意度達(dá)到95%以上，該課程期末考試成績(jī)優(yōu)秀率達(dá)30%左右，學(xué)生的綜合考評(píng)平均成績(jī)達(dá)到了中等及以上。

5 結(jié)論

為全面提升“波譜分析”課程教學(xué)質(zhì)量，教師在傳授知識(shí)的同時(shí)，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的圖譜解析能力和實(shí)踐能力，重視學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性的提高。為此，本研究結(jié)合我院“波譜分析”課程的教學(xué)實(shí)際情況和教學(xué)實(shí)踐，對(duì)該課程教學(xué)進(jìn)行了一些改革和探索。實(shí)踐表明，教學(xué)改革后該課程的課堂氣氛變得更加活躍，學(xué)生能更好地掌握“波譜分析”的理論知識(shí)，圖譜解析能力大大增強(qiáng)，考試成績(jī)也得到普遍提高，取得了良好的教學(xué)效果。