应用化学专业“波谱分析”课程教学改革与实践

张 勇，马志刚，焦元红，陈雪梅

(1.湖北理工学院 化学与化工学院，湖北 黄石 435003；2.石家庄学院 化工学院，河北 石家庄 050035)

“波谱分析”是国内许多高等院校应用化学及相关专业的一门重要的专业的必修课，主要讲授四大波谱(紫外光谱、红外光谱、核磁共振波谱和质谱)的基本原理、方法和应用。学生通过学习该课程可以了解现代波谱分析技术的特点和工作原理，掌握有机化合物的化学结构与各类波谱之间的逻辑关系，并能运用波谱技术对未知有机化合物的结构进行解析和鉴定，进而提高解读图谱的能力，为后续的学习、深造和从事专业研究工作打下扎实的基础[1-2]。“波谱分析”课程涉及到“大学物理”“有机化学”和“仪器分析”等多门课程的知识，理论性强、信息量大、逻辑复杂、教学内容繁多，而我院该课程课时安排较少，学生普遍感到该课程学习难度较大，考试成绩也不理想。为适应新时期培养应用化学专业高级人才的要求，针对“波谱分析”课程教学中遇到的一些问题，笔者结合自身教学的经验和体会，在教学实践中不断改革教学方法，取得了良好的教学效果。

1 教材和教学内容的选择

“波谱分析”课程涉及到的理论知识较为抽象，学生自学难度大，且考虑到湖北理工学院大多数学生基础较为薄弱，因此，该课程教材选用由科学出版社出版、邓芹英教授等编著的《波谱分析教程》(第2版)。该教材难度适中，注重基础，图谱解析、例题讲解详细，在课程教学过程中得到了许多高校化学专业本科生的认可。此外，对于学有余力、对波谱学感兴趣或者有考研意向的学生，还可推荐其他参考教材，如武汉大学出版社出版、孟令芝教授等主编的《有机波谱分析》，科学出版社出版、宁永成教授主编的《有机化学物结构鉴定与有机波谱学》等，以满足该类学生对波谱知识更深层次的需求[1-2]。

由于“波谱分析”课时安排较少(32 学时)，教师难以在有限的课时内讲授完所有知识点，必须对教学内容进行合理的优化和增删，力争做到主次分明，抓住重点。鉴于学生前期已经学习过“仪器分析”和“分析化学”等课程，且已掌握“紫外光谱”和“红外光谱”章节的相关知识，因此对该课程部分章节的课时安排作适当调整。绪论部分安排2学时；“紫外光谱”“红外光谱”和“综合解析”部分章节各安排4学时；前期没有接触过的“质谱”部分章节安排6学时；而学生普遍认为难学，在物质结构解析中信息量最大的“核磁共振波谱”部分章节则安排12学时。在教学内容上，简要介绍四大波谱的原理，尽量减少对复杂数学公式的推导和描述，重点讲授四大波谱的图谱解析，通过采用对比、综合等方法将四大波谱联系起来，找出其共性规律，使各章节的知识更加系统化。例如，在讲授红外光谱时，在原理、用途和适用范围等方面将其与紫外光谱进行对比，不仅能使学生充分认识到2种图谱的异同，还有利于引导学生掌握系统的学习方法。此外，在针对本科生层次的课程教学中，对于教材中提及的“拉曼光谱”“二维核磁共振谱”等知识点可以只做简单介绍，甚至不作讲解。

2 学生学习兴趣的激发和培养

当前很多教材都是先从紫外光谱部分开始介绍抽象的波谱理论知识，学生初学时感到内容枯燥难懂，从而逐渐失去了学习该课程的兴趣。教师在进行新课程导入时应注重绪论部分的讲解，适当介绍现代有机波谱学的发展简史和学科前沿，让学生认识到波谱学在科学研究中的重要性和实用性，如在讲授化学分析法和有机波谱分析法的优缺点时，以故事的形式对吗啡和海葵毒素的结构进行解析；讲述四大波谱所用到的仪器及其功能时，用图片的形式展示各种光谱仪，使学生在课程初期就对“波谱分析”课程产生浓厚的学习兴趣。

在针对本科生层次的“波谱分析”课程教学中，应注重提升课堂的生动性和趣味性，加强师生互动，尽量避免过于抽象化和理论化的教学[3-5]。如红外光谱中有多种基团的吸收带数据，学生学习起来往往感到枯燥乏味，难以将所有数据熟记于心，但如果把这些数据编成红外光谱歌曲，学生不但记得牢，还能提高学习兴趣。又如讲授质谱法章节时，介绍质谱分析法是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以确定样品相对分子量及分子结构的方法。这种概念解释对学生而言比较抽象，但若恰当而生动地运用比喻，便能使抽象的物理概念变得直观形象，如比喻质谱用于结构分析有点像一个花瓶，你看不到它的内部形状和质地，但若将花瓶扔到地上打碎，然后将这些碎片拼接起来使花瓶复原，就可以知晓它的形状和质地了。在授课时，利用多媒体制作动画或运用肢体语言辅助教学，不仅能将教学内容形象生动地展示给学生，还可增强课程的趣味性。

3 教学手段和方法的改革

“波谱分析”课程涉及各种复杂的图谱、种类繁多的数据，以及生僻枯燥的概念和原理，教师在课堂上若采用单一的讲授方式，学生则难以掌握和理解课程的内容，因此教师应注重运用多种教学方式进行教学，适当改革教学手段和教学方法。笔者经过多年的教学实践总结与思考，主要从以下5个方面进行了课程教学改革。

3.1 实现教学方式多元化

教学活动是师生之间、学生之间相互沟通和交流的一个动态过程。应充分运用多媒体教学和传统板书教学相结合的方法，采用以课堂讲授为主，以演示、自学、问答、练习、讨论为辅的灵活多样的教学方式，使“波谱分析”课程教学变得更加生动形象，丰富多彩。在图谱解析和波谱基础知识的教学中，坚持以传统板书教学方式为主，引导学生的学习思路，突出教学重难点，强化直观教学形象，以便学生更好地理解和掌握所学知识。在各种波谱仪的工作原理、操作和仪器结构等教学中，采用多媒体教学，诸如图形、三维动画、音频和视频等教学形式，扩大教学信息量，增强学生的感性认识能力和接受能力，活跃课堂气氛。此外，在波谱分析教学中，特别是针对图谱解析过程的教学，应注重引入互动式教学模式。在课堂上设置讨论小组，每个讨论小组选取1位学生代表，模仿教师逐步讲解图谱解析的详细过程，然后由教师进行启发和引导，或进行实时提问，最后对学生的解析和回答作出点评。台下的学生还可以对图谱解析不完善的地方进行纠正与补充。这种以学生作为主体的教学实践活动有利于师生间形成良性互动，提高学生的语言表达能力和解决问题的能力，能更充分地调动学生学习的自觉性和主动性。

3.2 引入仿真实验教学

波谱分析的实验教学涉及到核磁共振仪、质谱仪等高精尖的大型仪器设备。这些仪器价格昂贵，台套数有限，且需要专人操作和管理。由于我院资金有限，导致波谱分析实验教学的开展受到诸多限制。为了弥补实验条件和教学资源的不足，让学生对测试仪器有比较感性和直观的认识，我院已购置并在网上下载相应的仿真教学软件和视频，学生在化学与化工学院的仿真实验室就可以进行无污染、无浪费和无破坏的在线虚拟操作，使需要高成本的专门精密仪器的实验开展成为了可能，更实现了与现有传统实验项目的相互补充。鉴于学生难以掌握和理解核磁共振谱概念，可将ChemOffice软件引入课堂教学中。该软件能模拟有机化合物的核磁共振碳谱和氢谱，还能确定烯烃的取代构型和芳香烃的取代方式。学生根据ChemOffice软件提供的模拟仿真信息，可辅助解析和指认图谱，不仅有助于学生掌握波谱解析的技术和要领，还能拓宽学生的视野。

3.3 重视课后辅导

由于课堂时间有限，很多学生不能很好地掌握所学的波谱理论知识，课后可能会有许多疑难问题需要教师引导和解答。为此，应在“波谱分析”的第一堂课上及时公布任课教师的电话、邮箱，同时加入教学班级的QQ群或微信群，学生在课后可以随时随地以多种方式向教师提出问题，教师及时对问题进行答疑，或者引导大家相互讨论。这种“一对一”“一对多”，甚至“多对多”的教学模式，不但解答了学生的各种疑难问题，还促进了师生之间的沟通交流，增进了师生感情。

3.4 注重教学与科学研究相结合

在图谱解析的教学过程中，除了精选、精讲典型波谱例题，让学生掌握解题的基本思路和技巧，还应注重教学与科学研究相结合。在课堂上，将教师科研中合成的多种新化合物的各种图谱作为教学实例，通过对实例的解析和探讨，使学生充分认识到波谱分析在科研和实际分析测试中的应用价值。鼓励部分学生利用课余时间参与教师的科研课题，或者指导学生申请国家级、省级、校级大学生创新项目，使学生在科学研究中尽可能多地接触实验室中现有的红外光谱仪、紫外光谱仪等仪器设备，并学会识别和解析图谱。理论教学与科学研究相结合，一方面可以激发学生的学习兴趣和学习动力，增强学生分析问题和解决问题的能力；另一方面也可以培养学生的科研能力，提高学生的综合素质。

3.5 合理利用网络资源优化教学

随着互联网技术快速发展，“波谱分析”的相关网络资源不断涌现。任课教师可筛选一些优质教学资源的网址推荐给学生，如英国皇家化学学会制作的四大波谱仪原理和操作的视频，伯乐生命医学(Bio-Rad)公司推出的KnowItAll软件和学生免费试用版软件，以及一些高校推出的波谱分析课程网站等，还可以给学生推荐网络上诸如小木虫、仪器信息网等相关论坛或微信公众号等交流平台。这些交流平台在线上以深入浅出、通俗易懂的方式讲解波谱分析领域的科普性知识，可以帮助学生更好地理解和掌握知识。合理利用网络资源优化教学，能有效地吸引学生的注意力，提高学习兴趣，并促进学生提升自学能力[6-8]。

4 考试体系的改革与优化

考试是教学过程中必不可少的重要环节，也是评价教师教学质量和学生学习效果的重要手段, 是教师进行教学改革的重要依据。“波谱分析”课程采用闭卷考试方式，卷面成绩占总评成绩的70%，平时的考勤、课堂表现和作业占30%。我院为实现教考分离，近年来购买了波谱分析试题库，并用科研测试图谱等资料对试题库进行了补充和完善。为了体现考试的公正性和客观性，期末考试前学院指定一名非任课教师从试题库中随机抽题生成试卷，有效地实现教考分离。再根据考试的结果和反馈进行试卷分析和教学总结，进一步调整和优化教学方法、教学内容和考核形式。改革后学生对该课程教学的满意度达到95%以上，该课程期末考试成绩优秀率达30%左右，学生的综合考评平均成绩达到了中等及以上。

5 结论

为全面提升“波谱分析”课程教学质量，教师在传授知识的同时，应注重培养学生的图谱解析能力和实践能力，重视学生学习兴趣和学习主动性的提高。为此，本研究结合我院“波谱分析”课程的教学实际情况和教学实践，对该课程教学进行了一些改革和探索。实践表明，教学改革后该课程的课堂气氛变得更加活跃，学生能更好地掌握“波谱分析”的理论知识，图谱解析能力大大增强，考试成绩也得到普遍提高，取得了良好的教学效果。