面向应用的有机波谱分析教学探索与实践

程文萍 王文洋

摘要：基于应用型人才的培养目标，结合笔者的科研工作经验，优化和更新教学内容，采用多样化的教学方法，以及强化实验内容，对有机波谱分析课程的教学进行了探索与实践。实践表明，这些举措不仅可以激发学生学习的积极性和主动性，而且提高了学生的综合解析谱图能力和实践能力，实现了深度学习，达到了良好的教学效果。

关键词：有机波谱分析；教学内容；教学方法；实验内容；应用人才

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）06-0164-03

有机波谱分析的基础理论和方法应用，已经成为化学、化工、材料和药学等领域分析和鉴定有机化合物的重要手段，正是基于有机波谱分析在有机化合物鉴定中重要的位置和作用，目前它是我校应用化学系开设的一门专业必修课[1，2]。该课程的教学目的是使学生掌握波谱分析的基本理论、各种波谱技术与有机化合物结构分析间的关系，培养学生掌握和解析有机化合物谱图的综合能力，为学生后续课程的学习、毕业论文环节以及从事本专业相关科研工作奠定夯实的理论基础和实践能力。

有机波谱分析内容主要包括质谱分析法（MS）、核磁共振波谱法（1H-NMR、13C-NMR）、红外吸收光谱法（IR）和紫外光谱法（UV）。近年来，波谱分析技术与计算机技术以及各种物理技术的结合发展，使有机波谱分析方法克服了化学分析方法样品消耗大、费时费力等缺点，具备微量化、简便快速和准确性等优点，已经成为最常用的分析工具[3，4]。这就要求分析工作者必须掌握其实验方法，并利用谱图结果正确解析有机化合物的结构信息，所以有机波谱分析课程的教学效果显得尤为重要。但是，由于波谱分析课程数据繁多、谱图复杂，不仅涉及一些相关的物理知识、有机物的立体结构，而且涉及各种仪器的构造及原理等内容，造成这门课程的知识抽象、内容庞杂、复杂难懂[5-7]。学生虽然认识到学习这门课程的重要性，但是缺乏学习的兴趣和积极性，存在想学好这门课程但又不知道该如何学习以及如何运用所学知识的问题。为此，在近几年的教学实践中，笔者不仅注重教学内容的优化和更新，而且不断改进和探索多样化的教学方法，并且结合实验教学，加强理论联系实践，激发学生的学习主动性，使这门理论性和应用性并重的课程有较好的教学效果，为实现应用型人才的培养奠定基础。

一、优化教学内容

从有机波谱的基础理论知识入手，构建课程的知识结构。基于应用型人才培养目标，有机波谱分析课程着力于培养学生应用知识的能力，教学内容的设置注重基础性、实践性与应用性相结合。结合课程特点，构建的有机波谱分析课程教学包括理论教学、综合谱图解析和实验教学，理论联系实践，以提高课程教学质量。

基于我校应用化学系的学生已经学习了有机化学、有机合成化学、大学物理和结构化学等相关课程，具备扎实的基础知识，因此，我们所选的教材是武汉大学孟令芝等编著的《有机波谱分析》，并參考其他相关教材，对课程内容进行补充和整合，增强课堂教学的丰富性、知识性和系统性，便于学生理解和掌握有机波谱的基本概念和基本原理，激发学生的学习积极性，为波谱综合解析和实践能力的提高奠定坚实的理论基础。

波谱分析课程涉及四谱的基本原理、波谱特征、相关概念和图谱解析，四种仪器独立成章、内容繁多，没有交叉。理论教学时，根据四谱在有机化合物结构鉴定中应用的重要性，将质谱和核磁共振谱作为重点教学内容。同时，为了避免各章节在学习时出现零乱枯燥的现象，结合结构化学的知识，将“波谱”作为贯穿核磁共振波谱、红外与拉曼光谱和紫外-可见光谱三大谱基础知识学习的主线。这三种吸收光谱的产生，都是由于有机物分子吸收能量，导致分子能级发生跃迁。根据跃迁的能级差，从小到大将这三种吸收光谱进行系统介绍，由于分子自旋核能级跃迁所产生的吸收光谱被称为核磁共振光谱，红外吸收光谱是分子振动能级和转动能级跃迁所引起的，而紫外-可见光谱是由于电子能级跃迁所产生的。同时，注重教学内容的内在逻辑性，明确电子效应对这三大谱图的影响，并对其中重要的影响因素进行归纳总结，有助于学生厘清思路，熟练掌握各类有机化合物谱图的基本规律，并且深入理解和掌握四谱的基础知识，提高课堂教学效果。

二、更新教学内容

学习这门课的主要目标是提高学生的波谱分析技能，在学生掌握了四谱基本规律的基础上，应该注重理论联系实际，引入谱图实例进行解析，增强学生的直观认识，并将各类谱图的分析结果融会贯通，巩固所学基础知识，提高课堂教学效果。首先，对于课本上介绍的具有代表性的各类有机化合物的谱图进行解析，有利于学生掌握谱图解析的基本方法。然后，在教学中引入与波谱相关的科研实例，学生对实际谱图进行解析，理论联系实际，学以致用，积累了图谱解析经验，增强了图谱综合解析应用能力。

有机波谱分析是分析化学中发展速度快、应用广泛的领域之一，因此，教师必须跟踪波谱分析技术的新进展、新方法和新应用，通过查阅四谱表征的最新科研成果，不断更新教学内容，为学生介绍有机波谱技术的最新发展与应用，以激发学生的学习兴趣，显著提高教学效果。例如，讲授质谱时，通过对现代质谱仪的离子化方式和质量分析器的应用范围、性能指标进行系统介绍和详细对比，加深学生理解和掌握各种质谱仪的基本原理、仪器构造、图谱特点以及解析图谱的注意事项，并且能够在实际应用中选择适合的质谱仪来鉴定各类有机化合物，提高学生运用知识的实践能力。在红外光谱的教学过程中，结合自己的科研工作，介绍了红外光谱在多级孔分子筛的表面酸性表征中的应用，利用吡啶吸附的红外光谱，不仅可以表征固体表面酸性部位的强度和酸量，而且可以表征酸的类型（L酸和B酸），并且可以利用不同大小尺寸的探针分子（2，6-二叔丁基吡啶，三甲基乙腈等[8]）来探测酸性中心的空间分布，明确多级孔分子筛表面酸中心对大分子反应物的可接近性。同时，教师也鼓励学生自己查阅相关文献，使学生在较短的时间里掌握有机波谱分析方法的应用，扩大学生的知识面，培养学生的创新意识和探索精神。

三、丰富教学方法

学生系统学习了四谱的基本原理和图谱解析之后，在综合谱图解析这部分内容的教学实践过程中，教师引入了翻转课堂的教学理念[9，10]，以学生为中心，激发学生的自主学习能力与合作学习能力，同时提高学生运用各种波谱技术综合解析谱图的能力，进而促进学生对波谱分析基本原理的理解。翻转课堂主要以分组讨论学习的方式进行，每个小组自主选择一个综合实例进行解析。通过小组自主学习与合作学习之后，以PPT或板书的形式向大家阐述谱图解析的思路和结果，也可以提出解析谱图过程中遇到的问题。对于学生的讲解，教师首先给予鼓励和肯定；其次对其解析的正确性给予评价，及时纠正讲解中的错误；最后根据学生提出的问题，让其他学生思考回答，最终由教师和学生共同解决这些疑问。开展组与组之间相互讨论、相互评价的活动，有利于学生深入理解波谱的基础知识，提高学生的谱图解析能力和综合素质。这种“以学生为主体”的教学模式，不仅可以发挥学生的主观能动性和创造性，加强生生之间、师生之间的互动交流，增强课堂吸引力，促进学生主动深入掌握和灵活运用所学知识，实现深度学习，提高教学质量和教学效果，而且有利于培养学生的创造性思维、思考问题与解决问题的能力。

由于有机波谱分析课程内容抽象，知识信息量大，涉及面广，谱图分析的难度大，因此，我校应用化学系利用网络平台建立班级交流群，将教师的多媒体课件、课后作业答案、教师收集的实际谱图解析以及仪器使用教程等学习内容均上传至网络平台，供学生在课后进行交流和学习。这不仅可以开拓学生视野，扩大知识面，并且有利于完善学生的专业知识体系。同时，学生可以通过网络平台随时提问，任课教师及时进行答疑辅导，增进了师生交流，激发了学生不断探索知识和积极思考的热情。

四、结合实验教学

有机波谱分析是一门理论性与实验性结合的课程，因此实验教学是有机波谱分析教学实践中的一个重要环节，也是对理论教学的重要延伸和应用。实验教学的效果取决于实验内容的设置。在实验教学中，教师向学生详细讲解仪器构造、测试原理、实验步骤、仪器维护以及操作注意事项，获得谱图后要求学生对未知化合物的谱图进行解析，巩固理论教学内容，加深对有机波谱仪器应用的认识，培养学生理论联系实际的能力，提高学生的综合创新能力。在紫外光谱实验中，开设了紫外-可见光谱法表征共轭有机化合物的实验，使学生掌握有机化合物的紫外光谱测定方法，并且能够对有机化合物进行定性及定量分析，从而加深对紫外光谱基础知识和应用的认识。此外，根据我系的教学设置，结合其他课程如《有机合成化学》和《配位化学》的知识，设计合成配合物，采用紫外光谱来确定配合物的组成，计算八面体配合物的分裂能。在红外光谱实验中，测试含有苯环、羰基、取代基等有机化合物的红外光谱图，根据谱图及分子式来判断其是何种有机化合物，深刻认识不同的取代基对于羰基特征吸收峰位置的影响。有机波谱实验的设置与学生的专业密切相关，理论与实践相结合，不仅可以增强学生参与实验的积极性，而且提高了学生的谱图解析能力，培养了学生的动手操作能力和解决实际问题的能力，为以后相关课程的学习和工作奠定了坚实的基础。

有机波谱分析是应用性很强的一门课程，注重理论性和实践性的结合。近几年，我们开展了应用化学专业有机波谱分析教学改革的实践，通过优化和更新教学内容、改进教学方法以及精选实验内容，不断激发学生的学习兴趣，提高学习的自主性，增强学生的综合谱图解析能力和实践能力，扩大学生的知识面，培养学生的创新能力和探索精神，使学生逐步成长为高素质的应用型人才。

参考文献：

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[5]周峰岩，刘丽娟，闫鹏，张文志，赵玉亮，周利.基于应用能力培养的《有机波谱解析》教学实践[J].广州化工，2014，42（24）：178-179.

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[7]张向阳，申有名，张春香，周诗彪.优化应用化学专业有机波谱分析教学方法的探讨[J].广州化工，2015，43（16）：232-233.

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[9]張萍，DING Lin，张文硕.翻转课堂的理念、演变与有效性研究[J].教育学报，2017，13（1）：46-55.

[10]郭文良，和学新.翻转课堂：背景、理念与特征[J].教育理论与实践，2015，35（11）：3-6.