注重能力培养的波谱分析课程教学探索

夏科学，黄 秦

（重庆医科大学中医药学院，重庆 400016）

波谱分析是以物质与不同电磁波相互作用为基础的现代分析技术。目前它主要是基于光学理论，利用物质与光的不同相互作用来分析和鉴定物质的分子结构或分子性质。由于波谱分析可以快速高效解决生产实践和科学研究中的重要问题，因此从19 世纪开始就得到了广泛应用。随着不断充实和发展，波谱分析已经成熟应用在各个领域中，有着不可替代的作用。在化学、化工、医药、环境、食品、农业和材料等领域中，波谱分析是相关专业学生学习中不可或缺的课程[1-3]。目前的波谱分析课程内容主要包括紫外—可见光谱、红外光谱、核磁共振波谱、质谱、圆二色谱、旋光光谱、单晶X 射线衍射等的基本理论与分析方法。由于每一种波谱分析方法的开发和应用均涉及物理学、结构化学、有机化学、仪器分析的相关内容[4-5]，且不同分析方法的内容交互性较强，因此波谱分析课程融合了不同学科的基础知识，具有原理抽象、理论深入、内容繁杂、经验性强、数据量大等特点[6-8]。这不仅对学生学习波谱分析课程的知识广度和深度提出了较高的要求，还对教师开展教学的方式、方法提出了更高的要求。综合学生和教师等相关因素，如何通过波谱分析课程高效地让学生获得波谱解析能力和应用能力，显得尤为重要。考虑到现在波谱分析课程中存在的一些问题，笔者根据教学实践和体会，提出注重能力培养的波谱分析课程教学改革策略，并进行了一些探索实践，取得了初步成效，现介绍如下。

1 波谱分析课程教学中存在的问题

1.1 教学内容未与时俱进

目前一些波谱分析教材的内容比较陈旧，主要表现为仪器分析技术及相关谱图未得到更新。例如，教材中的一些核磁谱图由于当时仪器技术的限制，其部分核磁共振氢谱的谱图依旧是由60 MHz 或90 MHz 的核磁共振仪测出的，峰形差，且显示模糊，缺少细节放大图，不能够清晰准确地反映出偶合裂分的关系和偶合常数的大小。此外，有的仪器已被淘汰，而教材中关于已经过时的仪器（如早期的棱镜红外光谱仪）的相关原理、制样方法和所得到的谱图还介绍得过于详细，与实际脱节，因此对现有的教学内容进行更新和补充是非常有必要的。这样既可以提高课程的准确度和实用性，也可以让学生直观认识到科学技术的发展状况。此外，教师需要认识到教材只是学生获取新知识的一种辅助工具，教师也需要根据实际情况，科学合理地调整授课内容。

1.2 缺少必要的实践环节

波谱分析中涉及的仪器对于学生而言大多是从未听过、看过和接触过的精密仪器。因此学生对仪器充满陌生，缺少感性认识，对教材中和教师课堂上呈现的波谱数据和谱图也有距离感。目前大多数院校的波谱分析课程为32 或36 课时，部分院校将总课时分为理论教学课时和实践教学课时两部分，其大致比例为3∶1～5∶1[1]。以理论课为主，实践课时安排较少。具体到课程中，一般紫外可见光谱仪和红外光谱仪价格相对低廉且易于操作，普通本科教学均进行实际操作和使用，但核磁共振仪和高分辨质谱仪价格相对高昂，维护和使用均比较复杂，将其用于普通本科教学环节比较少见。由于课时数和硬件条件等因素的制约，学生实践教学的开展就受到一定的限制。这样就很容易导致学生对仪器缺少直观认识，影响学生对知识的接受能力。而波谱分析的实践教学包括学生现场实地参观、操作仪器和解析谱图，是弥补课堂实践教学空白和提高学生波谱解析能力的重要途径。

1.3 课程考核方式不够合理

波谱分析课程大多采用笔试作为课程考核的方式。一般在课程中会按平时成绩（30%）+期末考试成绩（70%）的标准来进行最终成绩的核算。这种成绩考核模式是大多数高校所采用的。但在实际操作中，这种考核方式难以科学和客观反映学生的知识掌握水平，学生间的平时成绩差异不大。最终，课程考核的落脚点还是期末考试成绩，因为真正拉开学生成绩差距的依旧是期末考试成绩。但是，仅凭期末考试成绩难以准确衡量学生的学习能力和知识掌握情况，更难以达到新时代对学生知识与技能的新要求。

1.4 学生学习动力不足，应用能力较为缺乏

由于波谱分析课程涉及内容的知识面较广，各类分析方法较为复杂，因此学习波谱分析课程需要学习各类波谱仪器的基本原理和技术，记忆不同波谱分析方法所需要的一些基本参数数据，还需要学生灵活应用到具体的谱图解析中。然而由于课程本身难度较大、教材内容陈旧、课时数少、教师教学方法落后、考核方式单一等方面的因素，很容易导致学生学习兴趣不浓、动力不足，难以把所学知识应用到解决实际问题中。

2 以能力培养为导向的波谱分析课程教学改革

波谱分析课程中存在的问题需要从根本上改进教学思想、教学方法和方式，寓教于乐，努力达到新时代对学生素质教育的要求。针对目前波谱分析课程教学中存在的问题，笔者结合自身教学实践认为，波谱分析课程教学最重要的目的是培养和提升学生的相关能力，即以波谱分析为中心，辅以自学能力、表达能力、创新能力和科研素养等。因此，教师在教学中应以能力培养为导向，对波谱分析课程内容、教学模式、考核方式等做出科学合理的改进。

2.1 实时更新教学内容

教师需结合实际教学情况和专业特点，科学合理地选用新版的经典教材或自编高质量教材。同时，教师在教学时可适当加入一些前沿的波谱分析内容，如最新的分析仪器和目前常用的谱图、本学科领域的一些新成果和新技术的应用，让学生切实感受到新型谱图的精确，以及分析仪器的发展与进步。这样既能让学生直观感受到波谱分析的实用性，也能让他们更加了解科技的发展历程。例如，在讲解红外光谱时可以适当补充或介绍一些拉曼光谱的内容，以此与红外光谱形成对比，让学生明白分子的振动形式，拓宽学生的知识面和信息面。在核磁共振谱图讲解中，早期的核磁共振仪器由于技术限制，频率不高，谱峰不清晰。目前大多数的院校配置有400 MHz、500 MHz、600 MHz 的核磁共振仪器，个别院校甚至有800 MHz、900 MHz的核磁共振仪器，检测得到的谱图谱峰稳定、强度高，更能使学生直观清晰地理解偶合关系。质谱在确定化合物的分子量和元素组成、由裂解碎片检测官能团、辨认化合物类型、推导确定碳骨架等方面发挥着重要作用。近年来，新的电离源和质量分析器每年都在更新，各种色谱与质谱的联用技术更是应用广泛，因此，质谱部分除介绍各种经典常用的质谱仪器之外，还可以适当拓展一些相关知识，例如气相色谱—质谱联用，然后再根据领域内常用的化合物类别，有侧重地进行讲解。此外，二维核磁和核磁共振成像的应用日新月异，这些都可以适当作为拓展的教学内容让学生了解和认识，开阔学生的视野。

2.2 丰富教学方式

传统教学一般采用板书+幻灯片演示的方式，教师在准备教学幻灯片时可加入一些图片、音频和视频，做到图文并茂、版式精美，使学生加深对原理、公式和仪器的感性认识。例如，笔者在讲授核磁共振原理时，在课堂中穿插了一小段核磁共振吸收原理的小视频，不仅使学生更容易理解掌握核磁共振发生过程和原理，还吸引了学生的注意力。此外，课堂上教师单方面、按部就班、平铺直叙地讲授教材各章节是不够的，还需要尽量结合所讲内容，丰富教学方式，提高学生的参与积极性。

（1）强化学生课前的预习环节。对于课程的重点和难点，可以提前让学生预习，并在课前提出一些相关问题，然后根据问题导向，带领学生进行学习和解开疑惑。这样既能让学生有目的地进行学习，也能激发学生的好奇心和求知欲。

（2）开展线上线下混合教学，加强教师与学生之间的互动。如利用超星学习通进行课程线上分组、讨论、提问、提交作业等，加强学生线上知识的学习。同时在课堂上，加强与学生的沟通与交流，让学生成为课堂的主人，提高学生的课堂参与度。

（3）定期开展学生分组报告或沙龙讨论会。例如，对中药学专业的学生，让学生着眼于本专业所学知识，开展核磁共振在天然药物鉴定方面的进展报告，或者选取一篇文献，结合所学内容对其中的化合物进行谱图谱峰的分析辨认。与此同时，也可以邀请学生在空余时间举行相关沙龙讨论会，各抒己见，分享学习体会，做到寓教于乐。这样既可以加深学生对知识的理解，也可以更好地培养学生的综合素质。

（4）重视课后练习，开展学生课堂讲题比赛。波谱分析课程最重要的目的就是培养学生识谱解谱的能力，因此一定的解谱练习是提高和巩固相关能力的有效途径，尤其是几种谱图相结合的综合解谱训练。教师在解谱练习中可以根据实际情况和学生意愿适当举办学生课堂讲题比赛，让学生自主思考后在黑板上演示解谱过程，然后由其他学生与教师进行打分评判。这种由学生当老师的学习方式，拉近了教与学的距离，进一步提高了学生对知识的接受和应用能力，学生也反映谱图解析没有想象中那么难，甚至有点享受推导的过程。

2.3 加强案例式教学

生动形象的案例可以使学生加深对波谱原理、影响因素、识谱和解谱方法的认识。事实上，各种波谱分析方法都有其丰富的发展历程，这其中包含有大量的应用案例和科学故事。教师可以结合学生兴趣将一些相关案例融入教学，进行讲解和介绍。通过向学生讲述一个个具体而生动的小故事，让学生在轻松的氛围中认识到知识的重要性，加深对知识的理解，提高教学效果。例如，屠呦呦研究团队发现抗疟新药——青蒿素的故事，体现出我国科研工作人员在医学领域的卓越贡献，让学生真正明白“青蒿素是传统中医药献给世界的礼物”的含义。此外，除经典案例之外，笔者在教学中还加入了自己科研中合成或分离的化合物的红外光谱、核磁共振氢谱和碳谱的谱图进行实例讲解，让学生真正感受到波谱分析在解决实际问题中的价值和实用性，还可以培养学生的科研思维，激励学生积极投入一些创新创业项目中，培养科研能力和解决问题能力。

同时，在教学中可适当融入思政元素，实现知识传授、价值塑造和能力培养的多元统一。如笔者在教学中，通过讲解核磁共振技术从发现到应用的过程，让学生认识到科学发展的螺旋式上升过程。该领域产生了多个诺贝尔物理、化学、生理学或医学奖，不仅使学生更加明白核磁共振技术的重要性和影响力，也激发他们未来勇攀科研高峰的斗志和使命感。例如，讲述屠呦呦荣获2015 年诺贝尔生理学或医学奖的故事，不仅让学生了解了波谱分析方法在青蒿素结构分析和鉴定中的重要性，更让学生感受到我国科研工作人员努力拼搏和为国为民的精神，既能增强学生的民族自豪感，也能加强学生新时代的使命感。

2.4 熟悉仪器操作和软件运用

学生对仪器的操作和软件的运用是波谱分析实践的主要内容之一。这样不仅能够让学生了解仪器，测试化合物的谱图，快速掌握技术要领，还可以以用促学，进一步加深对课堂理论知识的理解。因此，波谱分析课程需要科学优化课时分配，增加一定比例的实践教学，使学生能实地观察或使用波谱仪器。对于一些硬件设施受限的院校，可引入仿真实验教学手段，让学生通过仿真教学软件进行虚拟操作。一些相关软件的使用可一定程度上弥补大型仪器教学资源的不足。如红外光谱教学中可以让学生根据分子式索引、化学分类索引、化合物名称索引和谱图顺序索引等对Sadtler 标准红外光谱谱图库进行查找；推荐学生使用ChemOffice 软件，利用其中的ChemBioDraw 画出有机化合物的分子式，模拟其核磁共振氢谱和碳谱，加深学生对不同官能团化合物核磁共振谱图的理解和认识；在核磁共振的谱图解析中，利用MestReNova 软件进行解谱分析，不仅能直接验证偶合关系，计算偶合常数，还能区分谱图中的水峰或杂质峰等，让学生切实认识到核磁共振谱图的强大分析作用。这些实际操作与运用的结合，可以帮助学生在以后的毕业论文、科学研究或生产工作中，更好地分析和解决实际问题。

2.5 改进考核方式

考核是评价教师教学质量和学生学习效果的直接方式，但是仅凭期末考试成绩难以反映出学生真实的解谱能力和应用能力，不足以代表学生的整体学习情况[1]，还需要注重学习过程的评价，以考促学。因此，进行科学合理的成绩评估内容和形式的改革尤为重要。笔者认为可将实践操作、课堂表现和作业、学生报告、小测验、学生讲题等适当融入课程考核，按照实际情况进行比例分配，适当减小期末考试成绩的比重，这样既可以提高学生平时课程的学习参与度和积极性，也有助于教师在教学过程中实时掌握学生的学习情况，从而及时调整教学方式和方法。此外，学生在学习过程中获得的成就感，也可以使学生的学习进入良性循环，从而提高波谱解析相关能力，增加学习波谱分析课程的快乐感。

3 结语

波谱分析是化合物成分和结构鉴定最有力和最常用的方法，而波谱分析课程是一门理论性和实用性都很强的课程。学生波谱解析能力的培养是波谱分析课程教学的重要目标。针对目前波谱分析课程教学中存在的问题，笔者进行了一些教学改革探索，在课堂教学满意度、课堂参与度、课堂内容兴趣度和课程整体满意度等方面初步取得了一些较好的成效，后续还将持续改进。相关领域的教学还需教学工作者共同努力寻求更加有效的教学模式和方法，激发学生的学习兴趣，提高学生的波谱分析与应用能力，为其以后的科学研究和生产工作打下基础。