面向應用的有機波譜分析教學探索與實踐

程文萍 王文洋

摘要：基于應用型人才的培養目標，結合筆者的科研工作經驗，優化和更新教學內容，采用多樣化的教學方法，以及強化實驗內容，對有機波譜分析課程的教學進行了探索與實踐。實踐表明，這些舉措不僅可以激發學生學習的積極性和主動性，而且提高了學生的綜合解析譜圖能力和實踐能力，實現了深度學習，達到了良好的教學效果。

關鍵詞：有機波譜分析；教學內容；教學方法；實驗內容；應用人才

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）06-0164-03

有機波譜分析的基礎理論和方法應用，已經成為化學、化工、材料和藥學等領域分析和鑒定有機化合物的重要手段，正是基于有機波譜分析在有機化合物鑒定中重要的位置和作用，目前它是我校應用化學系開設的一門專業必修課[1，2]。該課程的教學目的是使學生掌握波譜分析的基本理論、各種波譜技術與有機化合物結構分析間的關系，培養學生掌握和解析有機化合物譜圖的綜合能力，為學生后續課程的學習、畢業論文環節以及從事本專業相關科研工作奠定夯實的理論基礎和實踐能力。

有機波譜分析內容主要包括質譜分析法（MS）、核磁共振波譜法（1H-NMR、13C-NMR）、紅外吸收光譜法（IR）和紫外光譜法（UV）。近年來，波譜分析技術與計算機技術以及各種物理技術的結合發展，使有機波譜分析方法克服了化學分析方法樣品消耗大、費時費力等缺點，具備微量化、簡便快速和準確性等優點，已經成為最常用的分析工具[3，4]。這就要求分析工作者必須掌握其實驗方法，并利用譜圖結果正確解析有機化合物的結構信息，所以有機波譜分析課程的教學效果顯得尤為重要。但是，由于波譜分析課程數據繁多、譜圖復雜，不僅涉及一些相關的物理知識、有機物的立體結構，而且涉及各種儀器的構造及原理等內容，造成這門課程的知識抽象、內容龐雜、復雜難懂[5-7]。學生雖然認識到學習這門課程的重要性，但是缺乏學習的興趣和積極性，存在想學好這門課程但又不知道該如何學習以及如何運用所學知識的問題。為此，在近幾年的教學實踐中，筆者不僅注重教學內容的優化和更新，而且不斷改進和探索多樣化的教學方法，并且結合實驗教學，加強理論聯系實踐，激發學生的學習主動性，使這門理論性和應用性并重的課程有較好的教學效果，為實現應用型人才的培養奠定基礎。

一、優化教學內容

從有機波譜的基礎理論知識入手，構建課程的知識結構。基于應用型人才培養目標，有機波譜分析課程著力于培養學生應用知識的能力，教學內容的設置注重基礎性、實踐性與應用性相結合。結合課程特點，構建的有機波譜分析課程教學包括理論教學、綜合譜圖解析和實驗教學，理論聯系實踐，以提高課程教學質量。

基于我校應用化學系的學生已經學習了有機化學、有機合成化學、大學物理和結構化學等相關課程，具備扎實的基礎知識，因此，我們所選的教材是武漢大學孟令芝等編著的《有機波譜分析》，并參考其他相關教材，對課程內容進行補充和整合，增強課堂教學的豐富性、知識性和系統性，便于學生理解和掌握有機波譜的基本概念和基本原理，激發學生的學習積極性，為波譜綜合解析和實踐能力的提高奠定堅實的理論基礎。

波譜分析課程涉及四譜的基本原理、波譜特征、相關概念和圖譜解析，四種儀器獨立成章、內容繁多，沒有交叉。理論教學時，根據四譜在有機化合物結構鑒定中應用的重要性，將質譜和核磁共振譜作為重點教學內容。同時，為了避免各章節在學習時出現零亂枯燥的現象，結合結構化學的知識，將“波譜”作為貫穿核磁共振波譜、紅外與拉曼光譜和紫外-可見光譜三大譜基礎知識學習的主線。這三種吸收光譜的產生，都是由于有機物分子吸收能量，導致分子能級發生躍遷。根據躍遷的能級差，從小到大將這三種吸收光譜進行系統介紹，由于分子自旋核能級躍遷所產生的吸收光譜被稱為核磁共振光譜，紅外吸收光譜是分子振動能級和轉動能級躍遷所引起的，而紫外-可見光譜是由于電子能級躍遷所產生的。同時，注重教學內容的內在邏輯性，明確電子效應對這三大譜圖的影響，并對其中重要的影響因素進行歸納總結，有助于學生厘清思路，熟練掌握各類有機化合物譜圖的基本規律，并且深入理解和掌握四譜的基礎知識，提高課堂教學效果。

二、更新教學內容

學習這門課的主要目標是提高學生的波譜分析技能，在學生掌握了四譜基本規律的基礎上，應該注重理論聯系實際，引入譜圖實例進行解析，增強學生的直觀認識，并將各類譜圖的分析結果融會貫通，鞏固所學基礎知識，提高課堂教學效果。首先，對于課本上介紹的具有代表性的各類有機化合物的譜圖進行解析，有利于學生掌握譜圖解析的基本方法。然后，在教學中引入與波譜相關的科研實例，學生對實際譜圖進行解析，理論聯系實際，學以致用，積累了圖譜解析經驗，增強了圖譜綜合解析應用能力。

有機波譜分析是分析化學中發展速度快、應用廣泛的領域之一，因此，教師必須跟蹤波譜分析技術的新進展、新方法和新應用，通過查閱四譜表征的最新科研成果，不斷更新教學內容，為學生介紹有機波譜技術的最新發展與應用，以激發學生的學習興趣，顯著提高教學效果。例如，講授質譜時，通過對現代質譜儀的離子化方式和質量分析器的應用范圍、性能指標進行系統介紹和詳細對比，加深學生理解和掌握各種質譜儀的基本原理、儀器構造、圖譜特點以及解析圖譜的注意事項，并且能夠在實際應用中選擇適合的質譜儀來鑒定各類有機化合物，提高學生運用知識的實踐能力。在紅外光譜的教學過程中，結合自己的科研工作，介紹了紅外光譜在多級孔分子篩的表面酸性表征中的應用，利用吡啶吸附的紅外光譜，不僅可以表征固體表面酸性部位的強度和酸量，而且可以表征酸的類型（L酸和B酸），并且可以利用不同大小尺寸的探針分子（2，6-二叔丁基吡啶，三甲基乙腈等[8]）來探測酸性中心的空間分布，明確多級孔分子篩表面酸中心對大分子反應物的可接近性。同時，教師也鼓勵學生自己查閱相關文獻，使學生在較短的時間里掌握有機波譜分析方法的應用，擴大學生的知識面，培養學生的創新意識和探索精神。

三、豐富教學方法

學生系統學習了四譜的基本原理和圖譜解析之后，在綜合譜圖解析這部分內容的教學實踐過程中，教師引入了翻轉課堂的教學理念[9，10]，以學生為中心，激發學生的自主學習能力與合作學習能力，同時提高學生運用各種波譜技術綜合解析譜圖的能力，進而促進學生對波譜分析基本原理的理解。翻轉課堂主要以分組討論學習的方式進行，每個小組自主選擇一個綜合實例進行解析。通過小組自主學習與合作學習之后，以PPT或板書的形式向大家闡述譜圖解析的思路和結果，也可以提出解析譜圖過程中遇到的問題。對于學生的講解，教師首先給予鼓勵和肯定；其次對其解析的正確性給予評價，及時糾正講解中的錯誤；最后根據學生提出的問題，讓其他學生思考回答，最終由教師和學生共同解決這些疑問。開展組與組之間相互討論、相互評價的活動，有利于學生深入理解波譜的基礎知識，提高學生的譜圖解析能力和綜合素質。這種“以學生為主體”的教學模式，不僅可以發揮學生的主觀能動性和創造性，加強生生之間、師生之間的互動交流，增強課堂吸引力，促進學生主動深入掌握和靈活運用所學知識，實現深度學習，提高教學質量和教學效果，而且有利于培養學生的創造性思維、思考問題與解決問題的能力。

由于有機波譜分析課程內容抽象，知識信息量大，涉及面廣，譜圖分析的難度大，因此，我校應用化學系利用網絡平臺建立班級交流群，將教師的多媒體課件、課后作業答案、教師收集的實際譜圖解析以及儀器使用教程等學習內容均上傳至網絡平臺，供學生在課后進行交流和學習。這不僅可以開拓學生視野，擴大知識面，并且有利于完善學生的專業知識體系。同時，學生可以通過網絡平臺隨時提問，任課教師及時進行答疑輔導，增進了師生交流，激發了學生不斷探索知識和積極思考的熱情。

四、結合實驗教學

有機波譜分析是一門理論性與實驗性結合的課程，因此實驗教學是有機波譜分析教學實踐中的一個重要環節，也是對理論教學的重要延伸和應用。實驗教學的效果取決于實驗內容的設置。在實驗教學中，教師向學生詳細講解儀器構造、測試原理、實驗步驟、儀器維護以及操作注意事項，獲得譜圖后要求學生對未知化合物的譜圖進行解析，鞏固理論教學內容，加深對有機波譜儀器應用的認識，培養學生理論聯系實際的能力，提高學生的綜合創新能力。在紫外光譜實驗中，開設了紫外-可見光譜法表征共軛有機化合物的實驗，使學生掌握有機化合物的紫外光譜測定方法，并且能夠對有機化合物進行定性及定量分析，從而加深對紫外光譜基礎知識和應用的認識。此外，根據我系的教學設置，結合其他課程如《有機合成化學》和《配位化學》的知識，設計合成配合物，采用紫外光譜來確定配合物的組成，計算八面體配合物的分裂能。在紅外光譜實驗中，測試含有苯環、羰基、取代基等有機化合物的紅外光譜圖，根據譜圖及分子式來判斷其是何種有機化合物，深刻認識不同的取代基對于羰基特征吸收峰位置的影響。有機波譜實驗的設置與學生的專業密切相關，理論與實踐相結合，不僅可以增強學生參與實驗的積極性，而且提高了學生的譜圖解析能力，培養了學生的動手操作能力和解決實際問題的能力，為以后相關課程的學習和工作奠定了堅實的基礎。

有機波譜分析是應用性很強的一門課程，注重理論性和實踐性的結合。近幾年，我們開展了應用化學專業有機波譜分析教學改革的實踐，通過優化和更新教學內容、改進教學方法以及精選實驗內容，不斷激發學生的學習興趣，提高學習的自主性，增強學生的綜合譜圖解析能力和實踐能力，擴大學生的知識面，培養學生的創新能力和探索精神，使學生逐步成長為高素質的應用型人才。

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