波譜解析課程的本科教學(xué)改革探索

湯新景，師曉萌，王超

北京大學(xué)藥學(xué)院，北京 100191

波譜解析課程講授的四大光譜包括紫外-可見光譜、紅外光譜、核磁譜和質(zhì)譜。它們是對未知化合物特別是含有機功能基團化合物的鑒定和結(jié)構(gòu)表征的最基本也是最重要的手段。同時其也是藥物發(fā)現(xiàn)、藥物合成，甚至藥物評審等方面不可忽缺的基本知識需求，是未來的醫(yī)藥相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員必須掌握的一門課程。因此，藥學(xué)專業(yè)的本科生和研究生學(xué)好波譜解析是未來繼續(xù)從事相關(guān)領(lǐng)域研究的重要基礎(chǔ)。

然而波譜解析是一門融合有機化學(xué)、物理學(xué)、儀器分析、光學(xué)、電子學(xué)以及數(shù)學(xué)等多個學(xué)科交叉融合的跨學(xué)科的課程，需要學(xué)生具備相關(guān)學(xué)科最基本的基礎(chǔ)知識[1]。同時，本課程內(nèi)容具有波譜的概念/原理的抽象性和圖譜結(jié)構(gòu)解析的實踐性，對學(xué)生特別是本科生來說，波譜解析課涉及知識面廣、理論抽象、影響因素多、部分內(nèi)容甚至難以理解和掌握[2-5]。此外，波譜解析課也被藥學(xué)生認(rèn)為是一門工具課程，相對于有機化學(xué)和藥物化學(xué)等課程來說重要性低，并且其常作為本科生選修課，甚至相當(dāng)多的學(xué)校并未將其列入本科生課程。因此，波譜解析課程的教學(xué)改革需要多方面協(xié)同推動波譜解析成為藥學(xué)領(lǐng)域的重要方向之一，改革波譜解析的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生對波譜解析的理解以及學(xué)習(xí)的興趣和內(nèi)在動力，強化波譜解析在未來科學(xué)研究和藥物開發(fā)等各個領(lǐng)域的重要性。為此，近年來我們對波譜解析課程教學(xué)進行了一系列教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革，有望重塑其在藥學(xué)本科課程體系中的重要性以及提高波譜解析的教學(xué)質(zhì)量和效果。

1 將波譜技術(shù)的發(fā)現(xiàn)歷史和成就融入波譜解析課程教學(xué)

波譜解析被大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為必須記憶各種有機功能基團的紅外、核磁以及質(zhì)譜等具體規(guī)律和譜圖，只是有機分子和藥物鑒定和表征的工具而已。對波譜的發(fā)展歷史以及其對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的貢獻不甚了解，導(dǎo)致學(xué)生對學(xué)習(xí)波譜解析的動力不足。因此，在波譜解析教學(xué)過程中，我們特別引入了各種波譜的發(fā)展史和科學(xué)貢獻。例如，在核磁譜部分的教學(xué)中，我們講授了二戰(zhàn)后美國學(xué)者斯坦福大學(xué)的Felix Bloch在示波器上監(jiān)測到由射頻引起水分子“核感應(yīng)”信號的發(fā)現(xiàn)過程。與此同時，哈佛大學(xué)的Edward Purcell對850立方厘米石臘的共振吸收進行測定并成功地測得了其弛豫時間。Bloch和Purcell的方法殊途同歸，同時發(fā)現(xiàn)了核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance)現(xiàn)象，為現(xiàn)代的核磁共振技術(shù)建立了理論基礎(chǔ)。兩位科學(xué)家因此獲得了1952年的諾貝爾物理學(xué)獎。在核磁共振理論的發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，20世紀(jì)70年代Paul Lauterbur教授發(fā)表了兩個充水試管的第一幅核磁共振圖像，以及活鼠的核磁圖像。而Peter Mansfield發(fā)展了一種數(shù)學(xué)方法實現(xiàn)了MRI快速核磁成像技術(shù)，奠定了現(xiàn)代醫(yī)用核磁成像的基礎(chǔ)。兩位科學(xué)家因?qū)舜懦上窦夹g(shù)的貢獻而獲得了2003年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎[6]。在質(zhì)譜發(fā)展史中，我們用小電影的形式展示質(zhì)譜技術(shù)的進步。質(zhì)譜由簡單的元素質(zhì)量測定到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，直接推動了人類蛋白質(zhì)組和代謝組計劃，以及應(yīng)用到人類生命科學(xué)前沿領(lǐng)域。通過講故事、小插曲、動態(tài)視頻和小電影的方式激發(fā)學(xué)生對各種譜學(xué)技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣和動力，同時闡明我國在相關(guān)領(lǐng)域的瓶頸，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研發(fā)相關(guān)技術(shù)的責(zé)任感和使命感。

2 抽象的譜學(xué)知識點講解的具體化和形象化

波譜解析課程涉及到抽象理論以及單調(diào)的數(shù)據(jù)和譜圖，學(xué)生往往覺得數(shù)據(jù)信息太多，內(nèi)在規(guī)律性不強，而且總有不符合規(guī)律的經(jīng)驗性特例，學(xué)習(xí)起來也比較難以理解。因此，在講授這些抽象化的譜學(xué)知識時，我們將具體的譜學(xué)知識具體化和形象化，引導(dǎo)學(xué)生深入理解譜學(xué)知識背后的內(nèi)在特性。如在講授乙烷、乙烯和乙炔這三種不同雜化軌道碳原子上氫核的核磁共振信號時，如果按照碳原子化學(xué)鍵的雜化特性規(guī)律來分析，化學(xué)位移應(yīng)該為乙烷＜乙烯＜乙炔。但實際上因為電子云的屏蔽效應(yīng)，他們的化學(xué)位移順序是乙烷＜乙炔＜乙烯。盡管課堂上多次強調(diào)乙烯和乙炔上的氫核分別處在去屏蔽區(qū)和屏蔽區(qū)，但仍有相當(dāng)一部分學(xué)生難以理解。因此，通過搭建乙烯和乙炔的分子模型，具體闡明電子云的分布和電子環(huán)流方向，從而非常形象地展示出乙烯和乙炔上氫核所處的電子去屏蔽和屏蔽區(qū)。同樣，對于鹵代烷烴氫核核磁信號的重原子效應(yīng)，我們也可以通過這種分子模型，顯示出碘原子核外的電子云足夠大，可以屏蔽同一碳原子上的氫核。利用這種具體而形象的模型和實例教學(xué)，學(xué)生能夠更牢固地掌握譜學(xué)的核心知識內(nèi)容，更深入地理解譜學(xué)的規(guī)律和經(jīng)驗的內(nèi)在本質(zhì)。

3 加強波譜解析課堂教學(xué)的互動性和趣味性

波譜解析作為一門集抽象理論和應(yīng)用實踐于一身的課程，單純的灌輸性教學(xué)一定難以取得好的課堂教學(xué)效果。為促進本科生在課堂學(xué)習(xí)過程中的主動或被動投入，課堂授課中的良性互動是必要的。而且在互動過程中需要將課堂教學(xué)內(nèi)容前后融會貫通，既達到對前期譜學(xué)知識的復(fù)習(xí)和強化，也實現(xiàn)對新的核心知識的學(xué)習(xí)和理解。例如我們在學(xué)習(xí)乙烯和乙炔的碳譜時，它們的碳原子核也受到其雙鍵和三鍵形成的電子環(huán)流的影響。在講授這部分內(nèi)容時，會在課堂上引導(dǎo)學(xué)生回顧我們在這兩個化合物氫譜學(xué)習(xí)時學(xué)過的電子屏蔽和去屏蔽效應(yīng)，闡明兩種化合物在碳譜上表現(xiàn)出與氫譜非常類似的化學(xué)位移效應(yīng)。

為提高和督促學(xué)生課后對波譜課程的復(fù)習(xí)和深入理解，除了正常作業(yè)外，學(xué)生需要自己回顧本次課程的學(xué)習(xí)要點(take-home message)。在下一次課堂上，將預(yù)留時間專門隨機抽查提問學(xué)生對前期課程中掌握的核心知識點，直到每一個重要的知識點再次溫習(xí)一遍，進一步增強學(xué)生對波譜解析課的深入理解。同時，為了增加課堂教學(xué)中的輕松和趣味性，在提問過程中允許學(xué)生邀請好友接力回答問題，直到問題被完全解決。學(xué)生在這種輕松活躍的氣氛中回答問題，明顯沒有太大的壓力。不論現(xiàn)場回答的正確與否，都對譜學(xué)的關(guān)鍵核心內(nèi)容有了更牢固的掌握。

4 加強波譜解析課程譜學(xué)知識的實踐化

波譜解析的最直接應(yīng)用是對未知化合物的結(jié)構(gòu)鑒定和已知化合物的確證，具有非常強的實踐性。除了在課堂上采用共同討論式教學(xué)方式對各種有機化合物或藥物分子進行譜圖的解析外，結(jié)合我院大學(xué)生的科研訓(xùn)練項目，對參與課程學(xué)習(xí)的本科生開展采譜解譜小組的課外實踐。采譜解譜小組通常有5人左右，通過自由組合組建大概15-20個左右的采譜解譜小組并隨機選擇待鑒定的未知化合物。采譜解譜小組所有成員必須參與化合物的紫外-可見光譜、紅外光譜、核磁譜和質(zhì)譜的譜圖采集和譜圖解析，并最終提交未知化合物的鑒定報告，以此作為考查學(xué)生在波譜課程學(xué)習(xí)的效果，并將考核結(jié)果計入本課程的最終成績。近兩年的實驗實踐顯示，大部分本科學(xué)生對這種譜圖解析的學(xué)習(xí)方式表現(xiàn)出強烈的興趣和高昂的學(xué)習(xí)動力。有個別小組不僅測定了上述基本的譜圖，還采集了我們本科課程中還沒有涉及的內(nèi)容(如碳氫耦合譜圖、二級質(zhì)譜等等)，并自學(xué)了相關(guān)解譜知識和技能。這種課外實踐可以讓學(xué)生親自動手體驗各種譜學(xué)儀器以及采譜解譜的過程，大大增強了學(xué)生解析出化合物結(jié)構(gòu)的成就感，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)譜圖解析的倦怠感和疲勞感，同時強化了學(xué)生在采譜解譜過程中團結(jié)協(xié)作的團隊精神。

5 結(jié)語

波譜解析課程是融合譜學(xué)理論知識和譜圖解析實踐技能且綜合性強的一門課程。教師如何真正教好本課程和學(xué)生如何學(xué)好本課程都需要系統(tǒng)和深入的探索。結(jié)合北京大學(xué)藥學(xué)院課程改革建設(shè)，波譜解析課進行了教學(xué)團隊、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革。考慮到波譜解析在藥學(xué)專業(yè)本科生未來的學(xué)習(xí)、深造和就業(yè)等方面的重要性，我們注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)本課程的興趣和主動性，以及解決實際譜學(xué)問題的能力。通過在課程內(nèi)容中設(shè)置譜學(xué)相關(guān)的發(fā)現(xiàn)史和科學(xué)技術(shù)成就，增強學(xué)生對學(xué)習(xí)波譜解析的內(nèi)在動力和責(zé)任感。而在教學(xué)方式方面，改變枯燥乏味的敘述式教學(xué)，增強課堂學(xué)習(xí)的互動和趣味性，明顯提高了學(xué)生課堂上的注意力和學(xué)習(xí)氣氛。更多實例模型的現(xiàn)場教學(xué)可將抽象的原理和概念具體化和形象化而變得更易理解。本科生親自采譜和解譜的體驗是本課程學(xué)習(xí)的升華，不僅極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)波譜解析的強大好奇心，而且讓學(xué)生在采譜解譜的過程體驗波譜解析課程學(xué)習(xí)的成就感和團結(jié)協(xié)作精神。