波谱解析课程的本科教学改革探索
时间：2023-06-30 19:35:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
汤新景，师晓萌，王超
北京大学药学院，北京 100191
波谱解析课程讲授的四大光谱包括紫外-可见光谱、红外光谱、核磁谱和质谱。它们是对未知化合物特别是含有机功能基团化合物的鉴定和结构表征的最基本也是最重要的手段。同时其也是药物发现、药物合成，甚至药物评审等方面不可忽缺的基本知识需求，是未来的医药相关领域的技术人员必须掌握的一门课程。因此，药学专业的本科生和研究生学好波谱解析是未来继续从事相关领域研究的重要基础。
然而波谱解析是一门融合有机化学、物理学、仪器分析、光学、电子学以及数学等多个学科交叉融合的跨学科的课程，需要学生具备相关学科最基本的基础知识[1]。同时，本课程内容具有波谱的概念/原理的抽象性和图谱结构解析的实践性，对学生特别是本科生来说，波谱解析课涉及知识面广、理论抽象、影响因素多、部分内容甚至难以理解和掌握[2-5]。此外，波谱解析课也被药学生认为是一门工具课程，相对于有机化学和药物化学等课程来说重要性低，并且其常作为本科生选修课，甚至相当多的学校并未将其列入本科生课程。因此，波谱解析课程的教学改革需要多方面协同推动波谱解析成为药学领域的重要方向之一，改革波谱解析的教学内容和教学方式，激发学生对波谱解析的理解以及学习的兴趣和内在动力，强化波谱解析在未来科学研究和药物开发等各个领域的重要性。为此，近年来我们对波谱解析课程教学进行了一系列教学内容和教学方式的改革，有望重塑其在药学本科课程体系中的重要性以及提高波谱解析的教学质量和效果。
波谱解析被大多数学生认为必须记忆各种有机功能基团的红外、核磁以及质谱等具体规律和谱图，只是有机分子和药物鉴定和表征的工具而已。对波谱的发展历史以及其对现代科学技术领域的贡献不甚了解，导致学生对学习波谱解析的动力不足。因此，在波谱解析教学过程中，我们特别引入了各种波谱的发展史和科学贡献。例如，在核磁谱部分的教学中，我们讲授了二战后美国学者斯坦福大学的Felix Bloch在示波器上监测到由射频引起水分子“核感应”信号的发现过程。与此同时，哈佛大学的Edward Purcell对850立方厘米石腊的共振吸收进行测定并成功地测得了其弛豫时间。Bloch和Purcell的方法殊途同归，同时发现了核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance)现象，为现代的核磁共振技术建立了理论基础。两位科学家因此获得了1952年的诺贝尔物理学奖。在核磁共振理论的发现基础上，20世纪70年代Paul Lauterbur教授发表了两个充水试管的第一幅核磁共振图像，以及活鼠的核磁图像。而Peter Mansfield发展了一种数学方法实现了MRI快速核磁成像技术，奠定了现代医用核磁成像的基础。两位科学家因对核磁成像技术的贡献而获得了2003年诺贝尔生理或医学奖[6]。在质谱发展史中，我们用小电影的形式展示质谱技术的进步。质谱由简单的元素质量测定到生物医学领域的广泛应用，直接推动了人类蛋白质组和代谢组计划，以及应用到人类生命科学前沿领域。通过讲故事、小插曲、动态视频和小电影的方式激发学生对各种谱学技术的学习兴趣和动力，同时阐明我国在相关领域的瓶颈，激发学生学习和研发相关技术的责任感和使命感。
波谱解析课程涉及到抽象理论以及单调的数据和谱图，学生往往觉得数据信息太多，内在规律性不强，而且总有不符合规律的经验性特例，学习起来也比较难以理解。因此，在讲授这些抽象化的谱学知识时，我们将具体的谱学知识具体化和形象化，引导学生深入理解谱学知识背后的内在特性。如在讲授乙烷、乙烯和乙炔这三种不同杂化轨道碳原子上氢核的核磁共振信号时，如果按照碳原子化学键的杂化特性规律来分析，化学位移应该为乙烷＜乙烯＜乙炔。但实际上因为电子云的屏蔽效应，他们的化学位移顺序是乙烷＜乙炔＜乙烯。尽管课堂上多次强调乙烯和乙炔上的氢核分别处在去屏蔽区和屏蔽区，但仍有相当一部分学生难以理解。因此，通过搭建乙烯和乙炔的分子模型，具体阐明电子云的分布和电子环流方向，从而非常形象地展示出乙烯和乙炔上氢核所处的电子去屏蔽和屏蔽区。同样，对于卤代烷烃氢核核磁信号的重原子效应，我们也可以通过这种分子模型，显示出碘原子核外的电子云足够大，可以屏蔽同一碳原子上的氢核。利用这种具体而形象的模型和实例教学，学生能够更牢固地掌握谱学的核心知识内容，更深入地理解谱学的规律和经验的内在本质。
波谱解析作为一门集抽象理论和应用实践于一身的课程，单纯的灌输性教学一定难以取得好的课堂教学效果。为促进本科生在课堂学习过程中的主动或被动投入，课堂授课中的良性互动是必要的。而且在互动过程中需要将课堂教学内容前后融会贯通，既达到对前期谱学知识的复习和强化，也实现对新的核心知识的学习和理解。例如我们在学习乙烯和乙炔的碳谱时，它们的碳原子核也受到其双键和三键形成的电子环流的影响。在讲授这部分内容时，会在课堂上引导学生回顾我们在这两个化合物氢谱学习时学过的电子屏蔽和去屏蔽效应，阐明两种化合物在碳谱上表现出与氢谱非常类似的化学位移效应。
为提高和督促学生课后对波谱课程的复习和深入理解，除了正常作业外，学生需要自己回顾本次课程的学习要点(take-home message)。在下一次课堂上，将预留时间专门随机抽查提问学生对前期课程中掌握的核心知识点，直到每一个重要的知识点再次温习一遍，进一步增强学生对波谱解析课的深入理解。同时，为了增加课堂教学中的轻松和趣味性，在提问过程中允许学生邀请好友接力回答问题，直到问题被完全解决。学生在这种轻松活跃的气氛中回答问题，明显没有太大的压力。不论现场回答的正确与否，都对谱学的关键核心内容有了更牢固的掌握。
波谱解析的最直接应用是对未知化合物的结构鉴定和已知化合物的确证，具有非常强的实践性。除了在课堂上采用共同讨论式教学方式对各种有机化合物或药物分子进行谱图的解析外，结合我院大学生的科研训练项目，对参与课程学习的本科生开展采谱解谱小组的课外实践。采谱解谱小组通常有5人左右，通过自由组合组建大概15-20个左右的采谱解谱小组并随机选择待鉴定的未知化合物。采谱解谱小组所有成员必须参与化合物的紫外-可见光谱、红外光谱、核磁谱和质谱的谱图采集和谱图解析，并最终提交未知化合物的鉴定报告，以此作为考查学生在波谱课程学习的效果，并将考核结果计入本课程的最终成绩。近两年的实验实践显示，大部分本科学生对这种谱图解析的学习方式表现出强烈的兴趣和高昂的学习动力。有个别小组不仅测定了上述基本的谱图，还采集了我们本科课程中还没有涉及的内容(如碳氢耦合谱图、二级质谱等等)，并自学了相关解谱知识和技能。这种课外实践可以让学生亲自动手体验各种谱学仪器以及采谱解谱的过程，大大增强了学生解析出化合物结构的成就感，降低了学生学习谱图解析的倦怠感和疲劳感，同时强化了学生在采谱解谱过程中团结协作的团队精神。
波谱解析课程是融合谱学理论知识和谱图解析实践技能且综合性强的一门课程。教师如何真正教好本课程和学生如何学好本课程都需要系统和深入的探索。结合北京大学药学院课程改革建设，波谱解析课进行了教学团队、教学内容和教学方式的改革。考虑到波谱解析在药学专业本科生未来的学习、深造和就业等方面的重要性，我们注重培养学生自主学习本课程的兴趣和主动性，以及解决实际谱学问题的能力。通过在课程内容中设置谱学相关的发现史和科学技术成就，增强学生对学习波谱解析的内在动力和责任感。而在教学方式方面，改变枯燥乏味的叙述式教学，增强课堂学习的互动和趣味性，明显提高了学生课堂上的注意力和学习气氛。更多实例模型的现场教学可将抽象的原理和概念具体化和形象化而变得更易理解。本科生亲自采谱和解谱的体验是本课程学习的升华，不仅极大地提高了学生学习波谱解析的强大好奇心，而且让学生在采谱解谱的过程体验波谱解析课程学习的成就感和团结协作精神。
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