信息技術在儀器分析

馮薇　李菁　牛麗穎

摘要：隨著時代的發(fā)展與科學技術的進步，現(xiàn)代信息技術已經(jīng)成為拓展人類能力的創(chuàng)造性工具。與此同時，信息技術日益融入教育教學實踐活動中。波譜解析是《儀器分析》課程中難點相對集中的部分，筆者在波譜解析教學中廣泛應用信息化教學，以期進一步易化重難點知識，提高該部分內容的教學效果。

關鍵詞：儀器分析；波譜解析；信息技術

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）03-0211-02

《儀器分析》是藥學、中藥學專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，是學生從事本專業(yè)科研、生產(chǎn)工作必備的專業(yè)技術知識，是培養(yǎng)應用型人才的重要組成部分。《儀器分析》主要由三部分組成，即電化學、波譜分析及色譜分析，波譜解析是這三部分中最難掌握的。該部分教學的主要任務是講授紫外光譜（UV）、紅外光譜（IR）、核磁共振光譜（NMR）和質譜（MS）的基本原理、特征、規(guī)律及圖譜解析技術，并介紹這四大光譜解析技術的綜合運用，培養(yǎng)學生掌握解析簡單有機化合物波譜圖，推斷其結構的能力[1]。

由于波譜解析部分各大光譜學的基本原理及基本內容過于抽象，難以理解掌握，歷來是教師難教、學生難學的一門課。如何上好這門課，更好地調動學生的學習主動性和積極性，提高課堂教學質量，一直是我們探索的問題。鑒于波譜解析部分對多門專業(yè)基礎課（如中藥化學或天然藥物化學）的重要性和未來考研、工作的實用性，根據(jù)本門課程的教學內容特點，我們結合實際教學和科研經(jīng)驗，將部分本專業(yè)密切相關的現(xiàn)代信息技術應用到波譜解析的教學中，有力地扭轉了課程枯燥難懂、空洞抽象的印象，學生對該門課程的學習熱情也有了顯著提高。

現(xiàn)將教學中的體會總結如下。

一、軟硬件相結合的信息技術應用

波譜解析課的主要目的是使學生學會解析圖譜，從圖中推導出有機化合物的結構式或結構信息。在具有紫外光譜、紅外光譜、核磁共振和質譜等基礎知識以后，要熟練地掌握解析圖譜的技巧，必須多做波譜習題，才能做到熟能生巧[2]，尤其是最后的綜合解析部分，主要以講解習題和練習答疑為主。為了帶動學生融入課堂氣氛，筆者堅持以板書的形式講解習題，此時，就會出現(xiàn)一系列問題：大量的習題勢必產(chǎn)生大量的板書，教師在書寫板書時背對學生，不能夠及時與學生交流得到反饋；同時大量板書所帶來的清理時間也使得有限的習題講解時間變得更少。為了解決這些問題，我們嘗試在波譜解析的習題講解課上使用數(shù)位板及其配套軟件，達到了良好的教學效果。以前教學中，數(shù)位板的使用僅僅是在數(shù)字繪圖領域，或其他學科的微課制作中，現(xiàn)在數(shù)位板被應用到了波譜解析的習題課，我們可以直接在譜圖上解題，更加直觀，教師始終面對學生，習題講解的過程中，思路連貫，交流順暢，學生的反饋也可以及時觀察到。我們也嘗試過將解題過程制作成微課播放，但相比之下，在課堂上直接應用師生互動的效果更好，更能引發(fā)帶動學生思考的積極性。

“錄屏軟件+應用軟件”，手機、數(shù)碼單反、攝像機、數(shù)位板與錄課筆，軟硬件融為一體的微課錄制系統(tǒng)，使信息技術運用愈發(fā)簡易便捷。我們也嘗試著將某些小問題以微課的形式錄制講解，提供給學生在課下用以參考。這樣的形式無疑吸引了更多學生付出時間預習或復習，提高了學生的自學能力，不僅對引導學生自主學習大有裨益，同時也使波譜解析原本晦澀難懂的原理部分變得更容易接受。從學生的角度而言，微課不僅可以反復播放，加深理解和鞏固，還是教師對學生一對一的講解和演示，主觀感受不同于一群學生共同聽課。微課除了在儀器分析的理論教學中能夠一展所長，我們也借鑒了在實驗教學中應用微課的經(jīng)驗[3]，微課的使用得到了進一步拓展。

儀器分析作為一門應用性較強的學科，以分析儀器為基礎，研究物質的性質、結構和含量。學習儀器分析的原理最終仍是為了儀器的操作使用打基礎，因此儀器分析實驗教學顯的格外重要。

錄制成微課介紹的實驗，比起教師單純講解枯燥的實驗內容要生動直觀的多。同時，這種類似“一對一”的演示，也避免了教師在一臺儀器面前講解時只有少數(shù)學生能夠湊在周圍，而多數(shù)學生由于空間局促無法看清聽清的缺點。例如，紫外分光光度計的使用錄制成微課后，儀器的維護、使用、清潔等步驟一一詳細介紹，學生可以清楚地從錄像中看到調零校百的方法、測定前樣品在比色皿中的潤洗、比色皿清潔擦拭的方向、比色皿中液體應該加入多少才可以使入射光成功透射從而得到準確的結果。

現(xiàn)實中還有些困難在學生了解和使用儀器的過程中產(chǎn)生了巨大的障礙，例如，多數(shù)院校中核磁共振波譜儀由于儀器耗材及其維修養(yǎng)護均價格不菲，并未配備，不能夠讓學生參與該項實驗操作。我們可以通過教師在其他院校或科研院所錄制核磁共振波譜儀實驗操作的微課，幫助學生認識、了解核磁共振波譜儀的原理、使用方法和注意事項。通過這樣的微課教學，學生不再對核磁共振波譜儀感到陌生、遙遠。

通過微課介入實驗教學，可以讓學生進一步鞏固課堂上所學的理論知識，并掌握一些分析儀器基本操作和維護技巧，解決實驗內容枯燥、儀器數(shù)量不足、課時有限、不能讓每一個學生操作等問題。

二、現(xiàn)代專業(yè)工具軟件的應用

波譜解析教學中存在很難理解的知識，且具極強的抽象性，往往需要具備較強的專業(yè)知識基礎和創(chuàng)造性思維能力，才能正確理解并加以應用。而專業(yè)工具軟件的出現(xiàn)，可以幫助教師向學生介紹一些直觀、快捷的方法技巧來幫助學生理解和掌握知識點，通常會得到事半功倍的效果。

例如，在學習2D-NMR中的NOE效應時，可以應用CambridgeSoft公司開發(fā)的ChemOffice系列工具包，用其中的ChemDraw模塊先畫出要舉例的化學結構，Chem3D模塊將其轉化為立體結構，不同的核或官能團之間其產(chǎn)生NOE效應的必要條件“空間距離近”就變得生動直觀，容易被學生理解。另外，ChemNMR功能可預測13C和1H的NMR模擬光譜，為結構綜合解析提供了必要的參考依據(jù)。

具有類似繪圖功能及結構解析參考的軟件還有chemaxon公司出品的marvinbeans以及ACD公司出品的ChemSketch。

三、現(xiàn)代數(shù)據(jù)與文獻檢索系統(tǒng)的應用

新世紀，社會信息化已成為不可阻擋的時代潮流，信息已經(jīng)成為最重要的戰(zhàn)略資源之一。隨著現(xiàn)代科學技術尤其是計算機和網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，社會信息量激增，信息呈現(xiàn)出爆炸式的增長趨勢，信息檢索能力已成為能夠成功解析波譜的一項必備技能。

（一）有機化合物圖譜庫

日本的SDBS有機化合物譜圖庫，（http：//sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi）免費提供大量有機化合物的光譜數(shù)據(jù)，不僅可以通過化合物名稱、分子量或CAS號等信息查詢相關化合物的紅外、紫外、質譜及核磁光譜，而且可以輸入實驗所得光譜數(shù)據(jù)查詢相應化合物。

西班牙的Natural Products 13C NMR Database（http：//c13.usal.es/c13/usuario/views/inicio.jsp？lang=en&country=EN）可以免費提供一些天然產(chǎn)物的13C譜數(shù)據(jù)。

弗吉尼亞理工大學有機化合物數(shù)據(jù)庫Organic Compounds Database，Virginia Tech（http：//www.colby.edu/chemistry/cmp/cmp.html）界面類似日本的SDBS，目前可以免費查詢到2483個有機化合物的圖譜數(shù)據(jù)。

有機小分子生物活性數(shù)據(jù)PubChem（http：//pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）被整合進了美國國家生物技術信息中心（NCBI），作為NCBI一個子項存在，數(shù)以萬計的化學組成資料集可經(jīng)由FTP免費下載，部分化合物的光譜數(shù)據(jù)可以從中檢索到。

我國開發(fā)的微碳譜網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫（http：//www.nmrdata.com/）是有機化合物核磁共振碳譜數(shù)據(jù)庫的索引，目前收載有機化合物727167個，并設有化合物名稱、作者、植物名稱、分子式等多種檢索模式。

（二）可檢索到包含相關化合物數(shù)據(jù)文章的搜索引擎

多數(shù)搜索引擎是免費的，但是否可以得到全文取決于高校或科研單位所購買的數(shù)據(jù)庫的權限。中文數(shù)據(jù)檢索查詢網(wǎng)站主要有中國知網(wǎng)（http：//www.cnki.net/）、維普網(wǎng)（http：//www.cqvip.com/）等。本專業(yè)常用的國外知名數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)列舉如下：SciFinder Scholar（https：//scifinder.cas.org）是美國化學學會（ACS）旗下的化學文摘服務社CAS（Chemical Abstract Service）所出版的《Chemical Abstract》化學文摘的在線版數(shù)據(jù)庫學術版，除可查詢每日更新的CA數(shù)據(jù)回溯至1907年外，更提供讀者自行以圖形結構式檢索，它是全世界最大、最全面的化學和科學信息數(shù)據(jù)庫。

Pubmed（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/）是以NCBI開發(fā)的MEDLINE為數(shù)據(jù)庫的生物醫(yī)藥搜索引擎，是目前應用最為廣泛的免費搜索引擎。

另外，谷歌學術搜索引擎（https：//scholar.google.com）也十分方便快捷，更適合已知文章或資料名稱的搜索。

四、結語

現(xiàn)代社會中，無以計數(shù)的信息化新技術層出不窮，使教師運用信息技術的門檻越來越低，教育技術應用能力也越來越強，這都為進一步推進信息技術與課程深度融合提供了便利條件。怎樣充分利用科學的現(xiàn)代信息技術和方法，及時提高學生的專業(yè)能力，跟上學科前沿研究的步伐，是每一個教育工作者必須思考的問題。現(xiàn)代化的教育需要現(xiàn)代化的技術手段和方法，需要與時俱進才能培養(yǎng)出合格人才。

參考文獻：

[1]王峰.淺析中藥學專業(yè)波譜分析教學改革[J].中國實用醫(yī)藥，2011，（6）.

[2]李亞明，張華等.《有機波譜分析》課程改革的探索與實踐[J].化工高等教育，2001，（1）.

[3]焦哲.微課在儀器分析實驗教學中的應用研究[J].廣東化工，2014，（41）.