注重能力培養的波譜分析課程教學探索

夏科學，黃 秦

（重慶醫科大學中醫藥學院，重慶 400016）

波譜分析是以物質與不同電磁波相互作用為基礎的現代分析技術。目前它主要是基于光學理論，利用物質與光的不同相互作用來分析和鑒定物質的分子結構或分子性質。由于波譜分析可以快速高效解決生產實踐和科學研究中的重要問題，因此從19 世紀開始就得到了廣泛應用。隨著不斷充實和發展，波譜分析已經成熟應用在各個領域中，有著不可替代的作用。在化學、化工、醫藥、環境、食品、農業和材料等領域中，波譜分析是相關專業學生學習中不可或缺的課程[1-3]。目前的波譜分析課程內容主要包括紫外—可見光譜、紅外光譜、核磁共振波譜、質譜、圓二色譜、旋光光譜、單晶X 射線衍射等的基本理論與分析方法。由于每一種波譜分析方法的開發和應用均涉及物理學、結構化學、有機化學、儀器分析的相關內容[4-5]，且不同分析方法的內容交互性較強，因此波譜分析課程融合了不同學科的基礎知識，具有原理抽象、理論深入、內容繁雜、經驗性強、數據量大等特點[6-8]。這不僅對學生學習波譜分析課程的知識廣度和深度提出了較高的要求，還對教師開展教學的方式、方法提出了更高的要求。綜合學生和教師等相關因素，如何通過波譜分析課程高效地讓學生獲得波譜解析能力和應用能力，顯得尤為重要?？紤]到現在波譜分析課程中存在的一些問題，筆者根據教學實踐和體會，提出注重能力培養的波譜分析課程教學改革策略，并進行了一些探索實踐，取得了初步成效，現介紹如下。

1 波譜分析課程教學中存在的問題

1.1 教學內容未與時俱進

目前一些波譜分析教材的內容比較陳舊，主要表現為儀器分析技術及相關譜圖未得到更新。例如，教材中的一些核磁譜圖由于當時儀器技術的限制，其部分核磁共振氫譜的譜圖依舊是由60 MHz 或90 MHz 的核磁共振儀測出的，峰形差，且顯示模糊，缺少細節放大圖，不能夠清晰準確地反映出偶合裂分的關系和偶合常數的大小。此外，有的儀器已被淘汰，而教材中關于已經過時的儀器（如早期的棱鏡紅外光譜儀）的相關原理、制樣方法和所得到的譜圖還介紹得過于詳細，與實際脫節，因此對現有的教學內容進行更新和補充是非常有必要的。這樣既可以提高課程的準確度和實用性，也可以讓學生直觀認識到科學技術的發展狀況。此外，教師需要認識到教材只是學生獲取新知識的一種輔助工具，教師也需要根據實際情況，科學合理地調整授課內容。

1.2 缺少必要的實踐環節

波譜分析中涉及的儀器對于學生而言大多是從未聽過、看過和接觸過的精密儀器。因此學生對儀器充滿陌生，缺少感性認識，對教材中和教師課堂上呈現的波譜數據和譜圖也有距離感。目前大多數院校的波譜分析課程為32 或36 課時，部分院校將總課時分為理論教學課時和實踐教學課時兩部分，其大致比例為3∶1～5∶1[1]。以理論課為主，實踐課時安排較少。具體到課程中，一般紫外可見光譜儀和紅外光譜儀價格相對低廉且易于操作，普通本科教學均進行實際操作和使用，但核磁共振儀和高分辨質譜儀價格相對高昂，維護和使用均比較復雜，將其用于普通本科教學環節比較少見。由于課時數和硬件條件等因素的制約，學生實踐教學的開展就受到一定的限制。這樣就很容易導致學生對儀器缺少直觀認識，影響學生對知識的接受能力。而波譜分析的實踐教學包括學生現場實地參觀、操作儀器和解析譜圖，是彌補課堂實踐教學空白和提高學生波譜解析能力的重要途徑。

1.3 課程考核方式不夠合理

波譜分析課程大多采用筆試作為課程考核的方式。一般在課程中會按平時成績（30%）+期末考試成績（70%）的標準來進行最終成績的核算。這種成績考核模式是大多數高校所采用的。但在實際操作中，這種考核方式難以科學和客觀反映學生的知識掌握水平，學生間的平時成績差異不大。最終，課程考核的落腳點還是期末考試成績，因為真正拉開學生成績差距的依舊是期末考試成績。但是，僅憑期末考試成績難以準確衡量學生的學習能力和知識掌握情況，更難以達到新時代對學生知識與技能的新要求。

1.4 學生學習動力不足，應用能力較為缺乏

由于波譜分析課程涉及內容的知識面較廣，各類分析方法較為復雜，因此學習波譜分析課程需要學習各類波譜儀器的基本原理和技術，記憶不同波譜分析方法所需要的一些基本參數數據，還需要學生靈活應用到具體的譜圖解析中。然而由于課程本身難度較大、教材內容陳舊、課時數少、教師教學方法落后、考核方式單一等方面的因素，很容易導致學生學習興趣不濃、動力不足，難以把所學知識應用到解決實際問題中。

2 以能力培養為導向的波譜分析課程教學改革

波譜分析課程中存在的問題需要從根本上改進教學思想、教學方法和方式，寓教于樂，努力達到新時代對學生素質教育的要求。針對目前波譜分析課程教學中存在的問題，筆者結合自身教學實踐認為，波譜分析課程教學最重要的目的是培養和提升學生的相關能力，即以波譜分析為中心，輔以自學能力、表達能力、創新能力和科研素養等。因此，教師在教學中應以能力培養為導向，對波譜分析課程內容、教學模式、考核方式等做出科學合理的改進。

2.1 實時更新教學內容

教師需結合實際教學情況和專業特點，科學合理地選用新版的經典教材或自編高質量教材。同時，教師在教學時可適當加入一些前沿的波譜分析內容，如最新的分析儀器和目前常用的譜圖、本學科領域的一些新成果和新技術的應用，讓學生切實感受到新型譜圖的精確，以及分析儀器的發展與進步。這樣既能讓學生直觀感受到波譜分析的實用性，也能讓他們更加了解科技的發展歷程。例如，在講解紅外光譜時可以適當補充或介紹一些拉曼光譜的內容，以此與紅外光譜形成對比，讓學生明白分子的振動形式，拓寬學生的知識面和信息面。在核磁共振譜圖講解中，早期的核磁共振儀器由于技術限制，頻率不高，譜峰不清晰。目前大多數的院校配置有400 MHz、500 MHz、600 MHz 的核磁共振儀器，個別院校甚至有800 MHz、900 MHz的核磁共振儀器，檢測得到的譜圖譜峰穩定、強度高，更能使學生直觀清晰地理解偶合關系。質譜在確定化合物的分子量和元素組成、由裂解碎片檢測官能團、辨認化合物類型、推導確定碳骨架等方面發揮著重要作用。近年來，新的電離源和質量分析器每年都在更新，各種色譜與質譜的聯用技術更是應用廣泛，因此，質譜部分除介紹各種經典常用的質譜儀器之外，還可以適當拓展一些相關知識，例如氣相色譜—質譜聯用，然后再根據領域內常用的化合物類別，有側重地進行講解。此外，二維核磁和核磁共振成像的應用日新月異，這些都可以適當作為拓展的教學內容讓學生了解和認識，開闊學生的視野。

2.2 豐富教學方式

傳統教學一般采用板書+幻燈片演示的方式，教師在準備教學幻燈片時可加入一些圖片、音頻和視頻，做到圖文并茂、版式精美，使學生加深對原理、公式和儀器的感性認識。例如，筆者在講授核磁共振原理時，在課堂中穿插了一小段核磁共振吸收原理的小視頻，不僅使學生更容易理解掌握核磁共振發生過程和原理，還吸引了學生的注意力。此外，課堂上教師單方面、按部就班、平鋪直敘地講授教材各章節是不夠的，還需要盡量結合所講內容，豐富教學方式，提高學生的參與積極性。

（1）強化學生課前的預習環節。對于課程的重點和難點，可以提前讓學生預習，并在課前提出一些相關問題，然后根據問題導向，帶領學生進行學習和解開疑惑。這樣既能讓學生有目的地進行學習，也能激發學生的好奇心和求知欲。

（2）開展線上線下混合教學，加強教師與學生之間的互動。如利用超星學習通進行課程線上分組、討論、提問、提交作業等，加強學生線上知識的學習。同時在課堂上，加強與學生的溝通與交流，讓學生成為課堂的主人，提高學生的課堂參與度。

（3）定期開展學生分組報告或沙龍討論會。例如，對中藥學專業的學生，讓學生著眼于本專業所學知識，開展核磁共振在天然藥物鑒定方面的進展報告，或者選取一篇文獻，結合所學內容對其中的化合物進行譜圖譜峰的分析辨認。與此同時，也可以邀請學生在空余時間舉行相關沙龍討論會，各抒己見，分享學習體會，做到寓教于樂。這樣既可以加深學生對知識的理解，也可以更好地培養學生的綜合素質。

（4）重視課后練習，開展學生課堂講題比賽。波譜分析課程最重要的目的就是培養學生識譜解譜的能力，因此一定的解譜練習是提高和鞏固相關能力的有效途徑，尤其是幾種譜圖相結合的綜合解譜訓練。教師在解譜練習中可以根據實際情況和學生意愿適當舉辦學生課堂講題比賽，讓學生自主思考后在黑板上演示解譜過程，然后由其他學生與教師進行打分評判。這種由學生當老師的學習方式，拉近了教與學的距離，進一步提高了學生對知識的接受和應用能力，學生也反映譜圖解析沒有想象中那么難，甚至有點享受推導的過程。

2.3 加強案例式教學

生動形象的案例可以使學生加深對波譜原理、影響因素、識譜和解譜方法的認識。事實上，各種波譜分析方法都有其豐富的發展歷程，這其中包含有大量的應用案例和科學故事。教師可以結合學生興趣將一些相關案例融入教學，進行講解和介紹。通過向學生講述一個個具體而生動的小故事，讓學生在輕松的氛圍中認識到知識的重要性，加深對知識的理解，提高教學效果。例如，屠呦呦研究團隊發現抗瘧新藥——青蒿素的故事，體現出我國科研工作人員在醫學領域的卓越貢獻，讓學生真正明白“青蒿素是傳統中醫藥獻給世界的禮物”的含義。此外，除經典案例之外，筆者在教學中還加入了自己科研中合成或分離的化合物的紅外光譜、核磁共振氫譜和碳譜的譜圖進行實例講解，讓學生真正感受到波譜分析在解決實際問題中的價值和實用性，還可以培養學生的科研思維，激勵學生積極投入一些創新創業項目中，培養科研能力和解決問題能力。

同時，在教學中可適當融入思政元素，實現知識傳授、價值塑造和能力培養的多元統一。如筆者在教學中，通過講解核磁共振技術從發現到應用的過程，讓學生認識到科學發展的螺旋式上升過程。該領域產生了多個諾貝爾物理、化學、生理學或醫學獎，不僅使學生更加明白核磁共振技術的重要性和影響力，也激發他們未來勇攀科研高峰的斗志和使命感。例如，講述屠呦呦榮獲2015 年諾貝爾生理學或醫學獎的故事，不僅讓學生了解了波譜分析方法在青蒿素結構分析和鑒定中的重要性，更讓學生感受到我國科研工作人員努力拼搏和為國為民的精神，既能增強學生的民族自豪感，也能加強學生新時代的使命感。

2.4 熟悉儀器操作和軟件運用

學生對儀器的操作和軟件的運用是波譜分析實踐的主要內容之一。這樣不僅能夠讓學生了解儀器，測試化合物的譜圖，快速掌握技術要領，還可以以用促學，進一步加深對課堂理論知識的理解。因此，波譜分析課程需要科學優化課時分配，增加一定比例的實踐教學，使學生能實地觀察或使用波譜儀器。對于一些硬件設施受限的院校，可引入仿真實驗教學手段，讓學生通過仿真教學軟件進行虛擬操作。一些相關軟件的使用可一定程度上彌補大型儀器教學資源的不足。如紅外光譜教學中可以讓學生根據分子式索引、化學分類索引、化合物名稱索引和譜圖順序索引等對Sadtler 標準紅外光譜譜圖庫進行查找；推薦學生使用ChemOffice 軟件，利用其中的ChemBioDraw 畫出有機化合物的分子式，模擬其核磁共振氫譜和碳譜，加深學生對不同官能團化合物核磁共振譜圖的理解和認識；在核磁共振的譜圖解析中，利用MestReNova 軟件進行解譜分析，不僅能直接驗證偶合關系，計算偶合常數，還能區分譜圖中的水峰或雜質峰等，讓學生切實認識到核磁共振譜圖的強大分析作用。這些實際操作與運用的結合，可以幫助學生在以后的畢業論文、科學研究或生產工作中，更好地分析和解決實際問題。

2.5 改進考核方式

考核是評價教師教學質量和學生學習效果的直接方式，但是僅憑期末考試成績難以反映出學生真實的解譜能力和應用能力，不足以代表學生的整體學習情況[1]，還需要注重學習過程的評價，以考促學。因此，進行科學合理的成績評估內容和形式的改革尤為重要。筆者認為可將實踐操作、課堂表現和作業、學生報告、小測驗、學生講題等適當融入課程考核，按照實際情況進行比例分配，適當減小期末考試成績的比重，這樣既可以提高學生平時課程的學習參與度和積極性，也有助于教師在教學過程中實時掌握學生的學習情況，從而及時調整教學方式和方法。此外，學生在學習過程中獲得的成就感，也可以使學生的學習進入良性循環，從而提高波譜解析相關能力，增加學習波譜分析課程的快樂感。

3 結語

波譜分析是化合物成分和結構鑒定最有力和最常用的方法，而波譜分析課程是一門理論性和實用性都很強的課程。學生波譜解析能力的培養是波譜分析課程教學的重要目標。針對目前波譜分析課程教學中存在的問題，筆者進行了一些教學改革探索，在課堂教學滿意度、課堂參與度、課堂內容興趣度和課程整體滿意度等方面初步取得了一些較好的成效，后續還將持續改進。相關領域的教學還需教學工作者共同努力尋求更加有效的教學模式和方法，激發學生的學習興趣，提高學生的波譜分析與應用能力，為其以后的科學研究和生產工作打下基礎。