提升研究生波谱解析能力的课程教学探讨

2020-03-08蒋平平张萍波董玉明

广州化工 2020年4期

冷炎，蒋平平，张萍波，董玉明

(江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡 214122)

科学技术的进步促进了现代仪器分析方法的飞速发展，波谱分析是现代有机化学和分析化学中不可或缺的重要分析手段和工具[1]。波谱解析课程内容主要涉及紫外光谱(UV)、红外光谱(IR)、核磁共振光谱(NMR)和质谱(MS)的基本理论与一般分析方法，该课程作为高校化学专业、制药工程等专业研究生必修的一门专业限选课，是学生从事本专业科研、生产工作必备的专业技术知识，是培养应用型人才的重要组成部分。由于波谱解析内容抽象难懂，难以产生学习兴趣，所以本课程对于授课教师提出了更高的要求，如何在有限时间内让学生全面掌握该课程的主要内容，提高学生实际的图谱解析能力，是值得我们探究的新课题。本文结合笔者过去八年的波谱解析课程教学实践，就如何搞好该课程的教学效果谈一点粗浅的看法。

1 波谱解析课程教学中存在的问题

波谱解析课程涉及到无机化学、有机化学、分析化学和物理学等多学科，内容比较抽象，繁杂，且规律性不强，不仅需要学习基本原理和知识，记忆波谱数据，还要有效地将这些只是应用到图谱的解析中，因此初学者往往感觉枯燥无味[2]；有机化学和药物化学科学研究日新月异，出现了众多新的有机化合物，但现有的波谱解析教材中的图谱案例较为陈旧，有必要对现有教学内容进行更新和补充；波谱解析课程实践性非常强，除了理论的学习，最重要的知识的运用，然而，多数高等院校目前都开设了《波谱解析》的理论课，但相关的实验课程教学很少开设；随着科技的发展，检测仪器的功能也越来越强大，分辨率越来越高，原有的老的波谱解析课程内容可能和先进的仪器设备检测结果不相匹配，因此，有必要使学生对仪器的结构和操作建立更直观的认识和理解；此外，波谱仪器检测，往往需要运用多种电脑软件对检测结果进行数据处理和图谱绘制，因此软件的熟练运用对于图谱解析将会起到积极的用作。

2 波谱解析教学改革建议

2.1 丰富教学方式，增强学习兴趣

波谱解析涉及很多学生从未接触或目睹过的精密仪器和非文字形式的数据图谱，如果单纯采用传统板书教学模式，不仅浪费时间，教学效果也不够理想。多媒体教学必不可少，在课堂上可以根据需要灵活播放所需的文字以及图片信息，将枯燥的原理机理过程用彩图和动画更加形象的展示出来，便于学生更好的吸收[3]。例如，一些红外光谱应用软件可以形象地演示谱图中吸收峰所对应的化学键振动类型，生动地演示吸收峰与分子结构的对应关系等。多媒体演示使抽象的教学内容变得丰富和生动，而且有限的课堂时间可以为学生展示更多的教学内容。另外，双语教学是最近流行一种全新的教学模式，针对学生英语能力差别可能较大，采用英文课件汉语授课的教学形式，鼓励学生查阅相应的英文教材，如原版《波谱解析》英文教材，可以提高学生的英语水平和英文文献的阅读能力[4]。

研究生入学后，每人通常会被分配相关的研究课题，并对课题有了初步的了解。在图谱解析课堂教学上，需打破教师“一言堂”，鼓励学生大胆发言，积极参与教学活动，增强学生的创新意识，同时，教师也应该及时关注大部分学生的研究方向和兴趣所在，制定针对性、计划性的教学方案，促进教学相长[3]。设计若干共性问题，制造课堂亮点，采用分组讨论的形式使学生掌握分析和解析图谱的方法和技巧，高效的互动将课堂气氛推向高潮，引起学生共鸣，提高学生在互动教学活动的参与率。

2.2 优化教学内容

波谱解析的教学内容必须结合时代发展的需要，注重基础知识与现代科技发展相衔接，及时将波谱学的新知识、新技术以及新进展主动融入到教学之中。例如，将拉曼光谱、旋光光谱，以及一些检测仪器的联用技术和等知识介绍给学生，使学生及时了解最新的发展动态和科学前沿，拓宽知识面和信息量[5]。另外，在以往的图谱分析教学内容方面，二维核磁共振谱图分析讲解较少，而现在二维的核磁核磁共振分析检测较为常见，因此，教学内容要做到与时俱进，引入新颖的、前沿教学内容。另外，随着科学研究的发展，各种新材料和新的化合物不断被报道出来，将最新文献报道中的一些表征手段和方法介绍给学生，并给他们分析文献中具有代表性的图谱，不仅可以激发他们对科研的热情，还能对他们课题的顺利进行提供灵感。

2.3 案例式教学

案例教学，是一种开放式、互动式的新型教学方式，也是目前较受欢迎的一种教学模式。在未知物的结构解析当中，通常需利用四大光谱与化合物之间的关系和表征，相互辅佐、相互印证，合理推断其组成结构，因此，四大光谱知识的融会贯通和综合图谱解析能力尤为重要。从比较简单化合物的谱图开始，再到结构相对复杂的化合物的谱图，步步深深入进行教学。四大图谱教学内容结束后，预留专门的课题时间，有针对性的强化综合图谱解析能力。案例教学过程中，首先要明确教学计划，主要包括教学内容，教学目的，追求的教学效果等。以典型的文献报道为教学案例，也可以对研究生科研过程中取得的一些未知化合物进行表征分析，并将所得图谱作为教学案例，在课堂上进行互动教学[6-7]。通过实验得到的图谱由于各种原因，如可能出现溶剂峰，杂质峰，或则其他一些耦合作用，使得图谱更加复杂和真实，这样不仅可以拓宽研究生的知识面，而且能够培养研究生的探索精神和科研能力，从而达到较好的教学效果。

2.4 熟悉仪器操作和软件运用

有机化合物波谱分析是一门实践性很强的学科，对基础知识的理解、掌握、融会贯通及应用必须与实践应用相结合。根据学院实际条件开设相关实验课程，可以由专职实验岗教师或者对仪器操作熟练的研究生对其进行指导和讲解注意事项，常见的红外和紫外等仪器可以让学生亲自操作，而价格昂贵的仪器，如核磁共振和质谱，可以由老师进行演示，并讲解检测原理和样品制备方面的相关要求，学生观摩为主。为了体现实验的重要性，增强学生对实验操作的重视程度，可以将实验部分作为最后学生考核评价的一部分(占比20%～30%)。

对有机化合物检测结果的数据处理是图谱解析的前提，也是研究生必须掌握的科研技能。目前，常用的数据处理软件(如ChemOffice、ACD/NMR、NMR-Sim软件、Orange等)功能相当强大，可以预测化合物1HNMR、 13CNMR的化学位移，确定红外基团的位置，质谱的碎片离子和分子离子峰，模拟化合物的标准图谱等，从而准确预测未知化合物的组成结构[8-9]。在图谱解析课堂教学中，给学生演示这些软件的使用技巧不仅有助于复杂化合物的图谱解析，使学生更容易掌握波谱解析的技术要领，这在一定程度上还弥补了大型仪器教学资源的不足。

2.5 建立具有较高理论水平和实践能力的教师队伍

波谱解析课程的特点要求授课教师不仅需要具有专业的理论知识，还需要具备良好的科研实践能力。众多高校近十年来，每年都引进了大批青年教师，他们科研各有所长，发表众多高水平科研论文，承担着各种国家和省部级科研项目，能熟练操作各种仪器设备和软件运用，因此，在波谱解析的教学团队建设方面，应该鼓励更多的专业教师参与到教学当中。例如，波谱解析四部分内容可以分别由不同的教师进行授课，将他们各自最熟悉的领域和研究成果在课堂教学中介绍给学生，这样既能丰富教学内容，还能激发学生的学习动力和学习兴趣，拓宽他们的视野，提高教学质量。