注重能力培養(yǎng)的波譜分析課程教學(xué)探索

夏科學(xué)，黃 秦

（重慶醫(yī)科大學(xué)中醫(yī)藥學(xué)院，重慶 400016）

波譜分析是以物質(zhì)與不同電磁波相互作用為基礎(chǔ)的現(xiàn)代分析技術(shù)。目前它主要是基于光學(xué)理論，利用物質(zhì)與光的不同相互作用來分析和鑒定物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)或分子性質(zhì)。由于波譜分析可以快速高效解決生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中的重要問題，因此從19 世紀(jì)開始就得到了廣泛應(yīng)用。隨著不斷充實(shí)和發(fā)展，波譜分析已經(jīng)成熟應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，有著不可替代的作用。在化學(xué)、化工、醫(yī)藥、環(huán)境、食品、農(nóng)業(yè)和材料等領(lǐng)域中，波譜分析是相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)中不可或缺的課程[1-3]。目前的波譜分析課程內(nèi)容主要包括紫外—可見光譜、紅外光譜、核磁共振波譜、質(zhì)譜、圓二色譜、旋光光譜、單晶X 射線衍射等的基本理論與分析方法。由于每一種波譜分析方法的開發(fā)和應(yīng)用均涉及物理學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、儀器分析的相關(guān)內(nèi)容[4-5]，且不同分析方法的內(nèi)容交互性較強(qiáng)，因此波譜分析課程融合了不同學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，具有原理抽象、理論深入、內(nèi)容繁雜、經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)[6-8]。這不僅對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)波譜分析課程的知識(shí)廣度和深度提出了較高的要求，還對(duì)教師開展教學(xué)的方式、方法提出了更高的要求。綜合學(xué)生和教師等相關(guān)因素，如何通過波譜分析課程高效地讓學(xué)生獲得波譜解析能力和應(yīng)用能力，顯得尤為重要?？紤]到現(xiàn)在波譜分析課程中存在的一些問題，筆者根據(jù)教學(xué)實(shí)踐和體會(huì)，提出注重能力培養(yǎng)的波譜分析課程教學(xué)改革策略，并進(jìn)行了一些探索實(shí)踐，取得了初步成效，現(xiàn)介紹如下。

1 波譜分析課程教學(xué)中存在的問題

1.1 教學(xué)內(nèi)容未與時(shí)俱進(jìn)

目前一些波譜分析教材的內(nèi)容比較陳舊，主要表現(xiàn)為儀器分析技術(shù)及相關(guān)譜圖未得到更新。例如，教材中的一些核磁譜圖由于當(dāng)時(shí)儀器技術(shù)的限制，其部分核磁共振氫譜的譜圖依舊是由60 MHz 或90 MHz 的核磁共振儀測(cè)出的，峰形差，且顯示模糊，缺少細(xì)節(jié)放大圖，不能夠清晰準(zhǔn)確地反映出偶合裂分的關(guān)系和偶合常數(shù)的大小。此外，有的儀器已被淘汰，而教材中關(guān)于已經(jīng)過時(shí)的儀器（如早期的棱鏡紅外光譜儀）的相關(guān)原理、制樣方法和所得到的譜圖還介紹得過于詳細(xì)，與實(shí)際脫節(jié)，因此對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新和補(bǔ)充是非常有必要的。這樣既可以提高課程的準(zhǔn)確度和實(shí)用性，也可以讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。此外，教師需要認(rèn)識(shí)到教材只是學(xué)生獲取新知識(shí)的一種輔助工具，教師也需要根據(jù)實(shí)際情況，科學(xué)合理地調(diào)整授課內(nèi)容。

1.2 缺少必要的實(shí)踐環(huán)節(jié)

波譜分析中涉及的儀器對(duì)于學(xué)生而言大多是從未聽過、看過和接觸過的精密儀器。因此學(xué)生對(duì)儀器充滿陌生，缺少感性認(rèn)識(shí)，對(duì)教材中和教師課堂上呈現(xiàn)的波譜數(shù)據(jù)和譜圖也有距離感。目前大多數(shù)院校的波譜分析課程為32 或36 課時(shí)，部分院校將總課時(shí)分為理論教學(xué)課時(shí)和實(shí)踐教學(xué)課時(shí)兩部分，其大致比例為3∶1～5∶1[1]。以理論課為主，實(shí)踐課時(shí)安排較少。具體到課程中，一般紫外可見光譜儀和紅外光譜儀價(jià)格相對(duì)低廉且易于操作，普通本科教學(xué)均進(jìn)行實(shí)際操作和使用，但核磁共振儀和高分辨質(zhì)譜儀價(jià)格相對(duì)高昂，維護(hù)和使用均比較復(fù)雜，將其用于普通本科教學(xué)環(huán)節(jié)比較少見。由于課時(shí)數(shù)和硬件條件等因素的制約，學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的開展就受到一定的限制。這樣就很容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)儀器缺少直觀認(rèn)識(shí)，影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受能力。而波譜分析的實(shí)踐教學(xué)包括學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地參觀、操作儀器和解析譜圖，是彌補(bǔ)課堂實(shí)踐教學(xué)空白和提高學(xué)生波譜解析能力的重要途徑。

1.3 課程考核方式不夠合理

波譜分析課程大多采用筆試作為課程考核的方式。一般在課程中會(huì)按平時(shí)成績（30%）+期末考試成績（70%）的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行最終成績的核算。這種成績考核模式是大多數(shù)高校所采用的。但在實(shí)際操作中，這種考核方式難以科學(xué)和客觀反映學(xué)生的知識(shí)掌握水平，學(xué)生間的平時(shí)成績差異不大。最終，課程考核的落腳點(diǎn)還是期末考試成績，因?yàn)檎嬲_學(xué)生成績差距的依舊是期末考試成績。但是，僅憑期末考試成績難以準(zhǔn)確衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和知識(shí)掌握情況，更難以達(dá)到新時(shí)代對(duì)學(xué)生知識(shí)與技能的新要求。

1.4 學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，應(yīng)用能力較為缺乏

由于波譜分析課程涉及內(nèi)容的知識(shí)面較廣，各類分析方法較為復(fù)雜，因此學(xué)習(xí)波譜分析課程需要學(xué)習(xí)各類波譜儀器的基本原理和技術(shù)，記憶不同波譜分析方法所需要的一些基本參數(shù)數(shù)據(jù)，還需要學(xué)生靈活應(yīng)用到具體的譜圖解析中。然而由于課程本身難度較大、教材內(nèi)容陳舊、課時(shí)數(shù)少、教師教學(xué)方法落后、考核方式單一等方面的因素，很容易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃、動(dòng)力不足，難以把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際問題中。

2 以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的波譜分析課程教學(xué)改革

波譜分析課程中存在的問題需要從根本上改進(jìn)教學(xué)思想、教學(xué)方法和方式，寓教于樂，努力達(dá)到新時(shí)代對(duì)學(xué)生素質(zhì)教育的要求。針對(duì)目前波譜分析課程教學(xué)中存在的問題，筆者結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐認(rèn)為，波譜分析課程教學(xué)最重要的目的是培養(yǎng)和提升學(xué)生的相關(guān)能力，即以波譜分析為中心，輔以自學(xué)能力、表達(dá)能力、創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)等。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，對(duì)波譜分析課程內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方式等做出科學(xué)合理的改進(jìn)。

2.1 實(shí)時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容

教師需結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況和專業(yè)特點(diǎn)，科學(xué)合理地選用新版的經(jīng)典教材或自編高質(zhì)量教材。同時(shí)，教師在教學(xué)時(shí)可適當(dāng)加入一些前沿的波譜分析內(nèi)容，如最新的分析儀器和目前常用的譜圖、本學(xué)科領(lǐng)域的一些新成果和新技術(shù)的應(yīng)用，讓學(xué)生切實(shí)感受到新型譜圖的精確，以及分析儀器的發(fā)展與進(jìn)步。這樣既能讓學(xué)生直觀感受到波譜分析的實(shí)用性，也能讓他們更加了解科技的發(fā)展歷程。例如，在講解紅外光譜時(shí)可以適當(dāng)補(bǔ)充或介紹一些拉曼光譜的內(nèi)容，以此與紅外光譜形成對(duì)比，讓學(xué)生明白分子的振動(dòng)形式，拓寬學(xué)生的知識(shí)面和信息面。在核磁共振譜圖講解中，早期的核磁共振儀器由于技術(shù)限制，頻率不高，譜峰不清晰。目前大多數(shù)的院校配置有400 MHz、500 MHz、600 MHz 的核磁共振儀器，個(gè)別院校甚至有800 MHz、900 MHz的核磁共振儀器，檢測(cè)得到的譜圖譜峰穩(wěn)定、強(qiáng)度高，更能使學(xué)生直觀清晰地理解偶合關(guān)系。質(zhì)譜在確定化合物的分子量和元素組成、由裂解碎片檢測(cè)官能團(tuán)、辨認(rèn)化合物類型、推導(dǎo)確定碳骨架等方面發(fā)揮著重要作用。近年來，新的電離源和質(zhì)量分析器每年都在更新，各種色譜與質(zhì)譜的聯(lián)用技術(shù)更是應(yīng)用廣泛，因此，質(zhì)譜部分除介紹各種經(jīng)典常用的質(zhì)譜儀器之外，還可以適當(dāng)拓展一些相關(guān)知識(shí)，例如氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用，然后再根據(jù)領(lǐng)域內(nèi)常用的化合物類別，有側(cè)重地進(jìn)行講解。此外，二維核磁和核磁共振成像的應(yīng)用日新月異，這些都可以適當(dāng)作為拓展的教學(xué)內(nèi)容讓學(xué)生了解和認(rèn)識(shí)，開闊學(xué)生的視野。

2.2 豐富教學(xué)方式

傳統(tǒng)教學(xué)一般采用板書+幻燈片演示的方式，教師在準(zhǔn)備教學(xué)幻燈片時(shí)可加入一些圖片、音頻和視頻，做到圖文并茂、版式精美，使學(xué)生加深對(duì)原理、公式和儀器的感性認(rèn)識(shí)。例如，筆者在講授核磁共振原理時(shí)，在課堂中穿插了一小段核磁共振吸收原理的小視頻，不僅使學(xué)生更容易理解掌握核磁共振發(fā)生過程和原理，還吸引了學(xué)生的注意力。此外，課堂上教師單方面、按部就班、平鋪直敘地講授教材各章節(jié)是不夠的，還需要盡量結(jié)合所講內(nèi)容，豐富教學(xué)方式，提高學(xué)生的參與積極性。

（1）強(qiáng)化學(xué)生課前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)。對(duì)于課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，可以提前讓學(xué)生預(yù)習(xí)，并在課前提出一些相關(guān)問題，然后根據(jù)問題導(dǎo)向，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和解開疑惑。這樣既能讓學(xué)生有目的地進(jìn)行學(xué)習(xí)，也能激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。

（2）開展線上線下混合教學(xué)，加強(qiáng)教師與學(xué)生之間的互動(dòng)。如利用超星學(xué)習(xí)通進(jìn)行課程線上分組、討論、提問、提交作業(yè)等，加強(qiáng)學(xué)生線上知識(shí)的學(xué)習(xí)。同時(shí)在課堂上，加強(qiáng)與學(xué)生的溝通與交流，讓學(xué)生成為課堂的主人，提高學(xué)生的課堂參與度。

（3）定期開展學(xué)生分組報(bào)告或沙龍討論會(huì)。例如，對(duì)中藥學(xué)專業(yè)的學(xué)生，讓學(xué)生著眼于本專業(yè)所學(xué)知識(shí)，開展核磁共振在天然藥物鑒定方面的進(jìn)展報(bào)告，或者選取一篇文獻(xiàn)，結(jié)合所學(xué)內(nèi)容對(duì)其中的化合物進(jìn)行譜圖譜峰的分析辨認(rèn)。與此同時(shí)，也可以邀請(qǐng)學(xué)生在空余時(shí)間舉行相關(guān)沙龍討論會(huì)，各抒己見，分享學(xué)習(xí)體會(huì)，做到寓教于樂。這樣既可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，也可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

（4）重視課后練習(xí)，開展學(xué)生課堂講題比賽。波譜分析課程最重要的目的就是培養(yǎng)學(xué)生識(shí)譜解譜的能力，因此一定的解譜練習(xí)是提高和鞏固相關(guān)能力的有效途徑，尤其是幾種譜圖相結(jié)合的綜合解譜訓(xùn)練。教師在解譜練習(xí)中可以根據(jù)實(shí)際情況和學(xué)生意愿適當(dāng)舉辦學(xué)生課堂講題比賽，讓學(xué)生自主思考后在黑板上演示解譜過程，然后由其他學(xué)生與教師進(jìn)行打分評(píng)判。這種由學(xué)生當(dāng)老師的學(xué)習(xí)方式，拉近了教與學(xué)的距離，進(jìn)一步提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受和應(yīng)用能力，學(xué)生也反映譜圖解析沒有想象中那么難，甚至有點(diǎn)享受推導(dǎo)的過程。

2.3 加強(qiáng)案例式教學(xué)

生動(dòng)形象的案例可以使學(xué)生加深對(duì)波譜原理、影響因素、識(shí)譜和解譜方法的認(rèn)識(shí)。事實(shí)上，各種波譜分析方法都有其豐富的發(fā)展歷程，這其中包含有大量的應(yīng)用案例和科學(xué)故事。教師可以結(jié)合學(xué)生興趣將一些相關(guān)案例融入教學(xué)，進(jìn)行講解和介紹。通過向?qū)W生講述一個(gè)個(gè)具體而生動(dòng)的小故事，讓學(xué)生在輕松的氛圍中認(rèn)識(shí)到知識(shí)的重要性，加深對(duì)知識(shí)的理解，提高教學(xué)效果。例如，屠呦呦研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)抗瘧新藥——青蒿素的故事，體現(xiàn)出我國科研工作人員在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，讓學(xué)生真正明白“青蒿素是傳統(tǒng)中醫(yī)藥獻(xiàn)給世界的禮物”的含義。此外，除經(jīng)典案例之外，筆者在教學(xué)中還加入了自己科研中合成或分離的化合物的紅外光譜、核磁共振氫譜和碳譜的譜圖進(jìn)行實(shí)例講解，讓學(xué)生真正感受到波譜分析在解決實(shí)際問題中的價(jià)值和實(shí)用性，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科研思維，激勵(lì)學(xué)生積極投入一些創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中，培養(yǎng)科研能力和解決問題能力。

同時(shí)，在教學(xué)中可適當(dāng)融入思政元素，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授、價(jià)值塑造和能力培養(yǎng)的多元統(tǒng)一。如筆者在教學(xué)中，通過講解核磁共振技術(shù)從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的過程，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)發(fā)展的螺旋式上升過程。該領(lǐng)域產(chǎn)生了多個(gè)諾貝爾物理、化學(xué)、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，不僅使學(xué)生更加明白核磁共振技術(shù)的重要性和影響力，也激發(fā)他們未來勇攀科研高峰的斗志和使命感。例如，講述屠呦呦榮獲2015 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的故事，不僅讓學(xué)生了解了波譜分析方法在青蒿素結(jié)構(gòu)分析和鑒定中的重要性，更讓學(xué)生感受到我國科研工作人員努力拼搏和為國為民的精神，既能增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感，也能加強(qiáng)學(xué)生新時(shí)代的使命感。

2.4 熟悉儀器操作和軟件運(yùn)用

學(xué)生對(duì)儀器的操作和軟件的運(yùn)用是波譜分析實(shí)踐的主要內(nèi)容之一。這樣不僅能夠讓學(xué)生了解儀器，測(cè)試化合物的譜圖，快速掌握技術(shù)要領(lǐng)，還可以以用促學(xué)，進(jìn)一步加深對(duì)課堂理論知識(shí)的理解。因此，波譜分析課程需要科學(xué)優(yōu)化課時(shí)分配，增加一定比例的實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生能實(shí)地觀察或使用波譜儀器。對(duì)于一些硬件設(shè)施受限的院校，可引入仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，讓學(xué)生通過仿真教學(xué)軟件進(jìn)行虛擬操作。一些相關(guān)軟件的使用可一定程度上彌補(bǔ)大型儀器教學(xué)資源的不足。如紅外光譜教學(xué)中可以讓學(xué)生根據(jù)分子式索引、化學(xué)分類索引、化合物名稱索引和譜圖順序索引等對(duì)Sadtler 標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜譜圖庫進(jìn)行查找；推薦學(xué)生使用ChemOffice 軟件，利用其中的ChemBioDraw 畫出有機(jī)化合物的分子式，模擬其核磁共振氫譜和碳譜，加深學(xué)生對(duì)不同官能團(tuán)化合物核磁共振譜圖的理解和認(rèn)識(shí)；在核磁共振的譜圖解析中，利用MestReNova 軟件進(jìn)行解譜分析，不僅能直接驗(yàn)證偶合關(guān)系，計(jì)算偶合常數(shù)，還能區(qū)分譜圖中的水峰或雜質(zhì)峰等，讓學(xué)生切實(shí)認(rèn)識(shí)到核磁共振譜圖的強(qiáng)大分析作用。這些實(shí)際操作與運(yùn)用的結(jié)合，可以幫助學(xué)生在以后的畢業(yè)論文、科學(xué)研究或生產(chǎn)工作中，更好地分析和解決實(shí)際問題。

2.5 改進(jìn)考核方式

考核是評(píng)價(jià)教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的直接方式，但是僅憑期末考試成績難以反映出學(xué)生真實(shí)的解譜能力和應(yīng)用能力，不足以代表學(xué)生的整體學(xué)習(xí)情況[1]，還需要注重學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)，以考促學(xué)。因此，進(jìn)行科學(xué)合理的成績?cè)u(píng)估內(nèi)容和形式的改革尤為重要。筆者認(rèn)為可將實(shí)踐操作、課堂表現(xiàn)和作業(yè)、學(xué)生報(bào)告、小測(cè)驗(yàn)、學(xué)生講題等適當(dāng)融入課程考核，按照實(shí)際情況進(jìn)行比例分配，適當(dāng)減小期末考試成績的比重，這樣既可以提高學(xué)生平時(shí)課程的學(xué)習(xí)參與度和積極性，也有助于教師在教學(xué)過程中實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而及時(shí)調(diào)整教學(xué)方式和方法。此外，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中獲得的成就感，也可以使學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)入良性循環(huán)，從而提高波譜解析相關(guān)能力，增加學(xué)習(xí)波譜分析課程的快樂感。

3 結(jié)語

波譜分析是化合物成分和結(jié)構(gòu)鑒定最有力和最常用的方法，而波譜分析課程是一門理論性和實(shí)用性都很強(qiáng)的課程。學(xué)生波譜解析能力的培養(yǎng)是波譜分析課程教學(xué)的重要目標(biāo)。針對(duì)目前波譜分析課程教學(xué)中存在的問題，筆者進(jìn)行了一些教學(xué)改革探索，在課堂教學(xué)滿意度、課堂參與度、課堂內(nèi)容興趣度和課程整體滿意度等方面初步取得了一些較好的成效，后續(xù)還將持續(xù)改進(jìn)。相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)還需教學(xué)工作者共同努力尋求更加有效的教學(xué)模式和方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的波譜分析與應(yīng)用能力，為其以后的科學(xué)研究和生產(chǎn)工作打下基礎(chǔ)。