曹書(shū)霞 廖新成

(鄭州大學(xué)化學(xué)系 河南鄭州 450052)

波譜分析課程教學(xué)的實(shí)踐與思考

曹書(shū)霞 廖新成

(鄭州大學(xué)化學(xué)系 河南鄭州 450052)

介紹作者在長(zhǎng)期波譜分析課程教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上,對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法改革的一些探索。

波譜分析課程是化學(xué)系各專業(yè)的主要選修課,它以若干交叉學(xué)科的知識(shí)為基礎(chǔ),實(shí)踐性和應(yīng)用性均很強(qiáng),主要包括紫外光譜法、紅外光譜法、核磁共振波譜法以及質(zhì)譜分析法 4部分[1]。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí),應(yīng)使學(xué)生了解現(xiàn)代波譜分析技術(shù)及其工作原理,掌握各類(lèi)波譜分析技術(shù)的特點(diǎn)及方法,培養(yǎng)學(xué)生解析化合物波譜圖的基本技能,為將來(lái)從事化學(xué)研究工作打下必要和堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在威廉斯(D.H.W illiams)和弗萊明 (I.Fleming)編著的《有機(jī)化學(xué)中的光譜方法》一書(shū)序言中[2],作者寫(xiě)道:“在 19世紀(jì)后半葉,波譜方法已經(jīng)成為有機(jī)化學(xué)發(fā)展的奠基石”,由此可見(jiàn)波譜方法的重要性?，F(xiàn)今波譜分析技術(shù)已經(jīng)成為探索有機(jī)分子以及生物大分子結(jié)構(gòu)的最有效、最可靠的手段之一,因此現(xiàn)代波譜分析技術(shù)已經(jīng)成為化學(xué)以及相關(guān)學(xué)科工作者所必須掌握的技術(shù)之一。近幾年,一些院校對(duì)于波譜分析課程的教學(xué)方法及考試模式等進(jìn)行了一些改革,并提出了建議[3-5]。作者從事本科生、研究生波譜分析教學(xué)和波譜相關(guān)科研工作已經(jīng)十幾年,積累了較豐富的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)。下面介紹作者在波譜分析課程的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法方面所作的一些有益嘗試和探索。

1 教學(xué)內(nèi)容力求實(shí)用和新穎

(1)注重波譜技術(shù)發(fā)展史的介紹。在介紹每一種波譜技術(shù)方法時(shí),首先介紹其出現(xiàn)的技術(shù)背景及社會(huì)背景,強(qiáng)調(diào)每一個(gè)方法的建立都是和實(shí)際應(yīng)用需求分不開(kāi)的,突出課程的實(shí)用性。例如 20世紀(jì) 30年代末,由于石油工業(yè)的發(fā)展,需要測(cè)定油的成分。當(dāng)時(shí)用蒸餾的方法首先分離烴類(lèi)混合物,然后再用分別測(cè)定折光率的方法進(jìn)行分析,通常要用數(shù)天時(shí)間。在 20世紀(jì) 40年代初,開(kāi)始將質(zhì)譜方法用于石油工業(yè)中烴的分析,從而大大縮短了分析時(shí)間。在 1942年,世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)商品化的質(zhì)譜儀,主要用于石油精煉和橡膠工業(yè)。另外在核磁共振及質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展史中,有一些對(duì)波譜技術(shù)發(fā)展做出了卓越貢獻(xiàn)的學(xué)者獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。在教學(xué)中穿插這些內(nèi)容,可以引發(fā)學(xué)生對(duì)波譜技術(shù)的興趣,有助于激發(fā)他們?cè)谌蘸蟮难芯抗ぷ髦袑?duì)一些現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)的靈感。例如 2002年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)科學(xué)家約翰·芬恩(John B.Fenn)、日本科學(xué)家田中耕一 (Koichi Tanaka)和瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?·維特里希 (Kurt Wüthrich),以表彰他們?cè)谏锎蠓肿咏Y(jié)構(gòu)確定和分析研究領(lǐng)域所發(fā)展的波譜新方法,其中就涉及到兩種新的質(zhì)譜離子源技術(shù)以及一種新的核磁共振技術(shù)[6]。緊接著,2003年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了英國(guó)物理學(xué)家曼斯菲爾德 (P.Mansfield)和美國(guó)科學(xué)家勞特布爾 (P.C. Lauterbur),以表彰他們?cè)诤舜殴舱癯上駪?yīng)用以及在醫(yī)學(xué)診斷和研究領(lǐng)域的重大成果。雖然此項(xiàng)技術(shù)與解析未知化合物結(jié)構(gòu)沒(méi)有直接的關(guān)系,但對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹可以使學(xué)生感知核磁共振技術(shù)從分析分子結(jié)構(gòu)跨越到分析人體組織的發(fā)展歷程。

(2)圍繞縱橫兩條主線,理順課程內(nèi)容的框架結(jié)構(gòu)。波譜分析課程涉及的每種儀器方法都有各自的理論基礎(chǔ)、應(yīng)用范圍和研究?jī)?nèi)容,在教學(xué)時(shí)容易使課程顯得內(nèi)容龐雜、結(jié)構(gòu)松散,導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)容易產(chǎn)生零散、枯燥的感覺(jué)。有些學(xué)過(guò)這門(mén)課的學(xué)生到了高年級(jí)仍不清楚何種情況下利用波譜技術(shù)能更快速、高效地解決實(shí)際工作中的問(wèn)題,甚至有時(shí)不知樣品如何配制。我們?cè)诮虒W(xué)中采取了把握兩條縱橫主線的方法:一條縱穿整個(gè)課程的主線是“波譜”,除去質(zhì)譜法與電磁波沒(méi)有聯(lián)系之外,其他 3大譜學(xué)方法都是電磁波與樣品分子作用的結(jié)果。不同的電磁波作用在分子上,呈現(xiàn)出不同的波譜特征,因此應(yīng)該使學(xué)生能以“波譜”為主線,從譜圖產(chǎn)生的原理上理解 3大譜學(xué)之間的聯(lián)系;而另一條主線橫穿每一章的內(nèi)容,即以儀器原理、波譜特征和實(shí)踐應(yīng)用為主線,講解每一種波譜學(xué)方法。每章的學(xué)習(xí)首先介紹該波譜方法的原理、儀器類(lèi)型、介紹其制樣方法,然后闡述各類(lèi)化合物的波譜特征,最后介紹該種譜學(xué)方法的實(shí)際應(yīng)用。這樣圍繞該課程的兩條主線能使學(xué)生清晰地把握波譜分析課程的框架,掌握課程內(nèi)容的重點(diǎn)。

(3)在波譜的應(yīng)用中引入科研實(shí)例。在課程的內(nèi)容安排上,應(yīng)注重理論與實(shí)際的有效結(jié)合。這門(mén)課的最終目的是提高學(xué)生波譜分析技能,故若沒(méi)有大量的實(shí)際例子進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)講解,往往效果欠佳。我們?cè)趯W(xué)生掌握了各類(lèi)譜圖的基本規(guī)律之后,通過(guò)大量的科研實(shí)例使學(xué)生增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí),掌握解析各類(lèi)化合物譜圖的基本特征,使學(xué)生所學(xué)知識(shí)得以鞏固。學(xué)生往往對(duì)身邊的研究感興趣,故在教學(xué)中引入本系與波譜相關(guān)的科研實(shí)例,往往能激發(fā)起學(xué)生的興趣,這樣可使科研實(shí)例有近有遠(yuǎn),有大有小,從而取得較好的教學(xué)效果。例如科研中一些立體化學(xué)的問(wèn)題常?？梢岳煤舜殴舱窦夹g(shù)來(lái)解決,立體化學(xué)中的手性、構(gòu)型、構(gòu)象等問(wèn)題往往可以和核磁共振譜圖中的峰形、裂分情況聯(lián)系起來(lái),舉一些科研實(shí)例可以引導(dǎo)學(xué)生感受如何將波譜知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工作中去。當(dāng)講到核磁共振的NOE效應(yīng)時(shí),我們舉了一個(gè)本系科研的實(shí)例[7],即利用NOE實(shí)驗(yàn)確定合成分離得到的氨基酸氫膦烷非對(duì)映異構(gòu)體之一的空間構(gòu)型。該例子的講授加深了學(xué)生對(duì)NOE概念的理解,強(qiáng)化了NOE效應(yīng)在科學(xué)研究中的作用。

(4)介紹波譜分析新技術(shù)。波譜分析技術(shù)一直處于快速發(fā)展中,因此有必要在課程中穿插一些相關(guān)的內(nèi)容,使學(xué)生了解波譜分析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。例如近十幾年來(lái)色譜-波譜技術(shù)的聯(lián)用得到了迅速普及,強(qiáng)大的分離技術(shù)和波譜分析鑒定技術(shù)的密切配合,已在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。尤其是在生命科學(xué)領(lǐng)域,給化學(xué)工作者提出了許多具有挑戰(zhàn)性的化學(xué)問(wèn)題,該項(xiàng)技術(shù)也為解決生命科學(xué)過(guò)程中的一些問(wèn)題,如生物活性物質(zhì)的分析等提供了強(qiáng)有力的工具。我們?cè)谡n程中穿插講授了氣相色譜-傅立葉變換紅外光譜、氣相色譜-質(zhì)譜、液相色譜-質(zhì)譜、毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜、液相色譜-核磁共振譜等聯(lián)用技術(shù)的簡(jiǎn)單原理以及應(yīng)用范圍,使學(xué)生對(duì)色譜-波譜聯(lián)用技術(shù)有初步的了解。

(5)網(wǎng)上波譜資源的介紹。目前網(wǎng)上有許多較好的波譜譜庫(kù)資源和波譜知識(shí)網(wǎng)站,介紹網(wǎng)上相關(guān)波譜資源,不但可以豐富和鞏固學(xué)生相關(guān)的波譜知識(shí),而且有利于學(xué)生了解和掌握在網(wǎng)絡(luò)上查詢和獲取化學(xué)資源及信息的方法。例如給學(xué)生介紹的一個(gè)免費(fèi)波譜圖檢索網(wǎng)站(http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi)可以查詢化合物的 IR、1H-NMR、13C-NMR、MS譜圖數(shù)據(jù);另一個(gè)譜庫(kù)資源是美國(guó)的 N IST數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站 (http://webbook.nist.gov/chemistry),可以查詢化合物的 IR、MS、UV圖譜,這些免費(fèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)譜圖特征的感性認(rèn)識(shí),有利于學(xué)生在解題過(guò)程中利用標(biāo)準(zhǔn)圖譜加以比對(duì)。另外網(wǎng)上還有許多介紹波譜知識(shí)的網(wǎng)站,例如美國(guó)加利福尼亞 Scripps質(zhì)譜中心的網(wǎng)站 (http://masspec. scripps.edu/),有許多關(guān)于質(zhì)譜發(fā)展史、質(zhì)譜基礎(chǔ)理論、質(zhì)譜前沿知識(shí)以及最新質(zhì)譜研究的內(nèi)容,可以供感興趣的學(xué)生學(xué)習(xí)和參考;由劍橋同位素實(shí)驗(yàn)室和加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)和生物化學(xué)系共同維護(hù)的環(huán)球譜學(xué)網(wǎng)站 (http://www.chem.ucla.edu/～webspectra/index.html),不但有基礎(chǔ)理論知識(shí),而且提供了許多有關(guān)1H-NMR、13C-NMR、DEPT、COSY和 IR光譜的練習(xí)題,這些練習(xí)題分別設(shè)置為初級(jí)、中級(jí)和高級(jí),可以供不同階段的學(xué)生進(jìn)行練習(xí);美國(guó)羅切斯特技術(shù)學(xué)院化學(xué)系的 Joseph P.Hornak博士創(chuàng)建的核磁共振學(xué)習(xí)網(wǎng)頁(yè) (http://www.cis.rit. edu/htbooks/nmr/inside.htm),詳細(xì)闡述了核磁共振的原理及應(yīng)用,在原理講解中還穿插了許多形象生動(dòng)的 Flash動(dòng)畫(huà),是深入學(xué)習(xí)和理解核磁共振原理的一個(gè)全面而且優(yōu)秀的網(wǎng)站。

2 教學(xué)方式力求生動(dòng)和高效

(1)以往的教學(xué)將波譜分析作為有機(jī)化學(xué)專業(yè)的一門(mén)專業(yè)課對(duì)待,理論講授較多,方法和應(yīng)用內(nèi)容相對(duì)較少,而且與物理有機(jī)、有機(jī)合成及其他相關(guān)課程的界限分得過(guò)于清楚。在講授方式上,我們將波譜分析這門(mén)課和有趣的反應(yīng)機(jī)理、高超的合成技巧以及波譜分析實(shí)驗(yàn)課巧妙地配合進(jìn)行,這樣既不枯燥,又易于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)實(shí)際的合成例子,由圖譜推測(cè)結(jié)構(gòu),由結(jié)構(gòu)推測(cè)機(jī)理,反過(guò)來(lái)又可從機(jī)理驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的正確性。此外,設(shè)計(jì)一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)在波譜分析實(shí)驗(yàn)課上讓學(xué)生動(dòng)手練習(xí),可以有效地提高學(xué)生對(duì)課程的興趣,并鍛煉學(xué)生綜合利用波譜技術(shù)解決實(shí)際科研問(wèn)題的能力。

(2)要達(dá)到波譜分析教學(xué)的目的,必須讓學(xué)生掌握各類(lèi)化合物的結(jié)構(gòu)與其波譜圖特征信息之間的關(guān)系,最終達(dá)到利用各種譜圖信息確定化合物結(jié)構(gòu)的目的。因此,大量的圖譜信息是教學(xué)的必需素材。傳統(tǒng)的教學(xué)方法采用板書(shū)以及幻燈片的方式,這些方式提供的信息量少,而且速度慢,不能滿足提供大量信息的要求。因此在波譜分析教學(xué)中應(yīng)利用多媒體技術(shù),在課堂上根據(jù)需要靈活播放所需的文字以及圖片信息。另外,多媒體技術(shù)還可以集文字、圖片、聲音于一體,形象生動(dòng)地展示各類(lèi)儀器的原理以及譜圖的特征。例如在講授質(zhì)譜儀器的工作原理時(shí),由于質(zhì)譜技術(shù)的快速發(fā)展,不同類(lèi)型的離子源和不同類(lèi)型的質(zhì)量分析器組成了不同類(lèi)型的儀器,若只是利用文字和圖片,學(xué)生對(duì)各類(lèi)質(zhì)譜儀的工作原理不易理解透徹。我們從網(wǎng)上下載了一些質(zhì)譜儀器工作原理的 Flash動(dòng)畫(huà),通過(guò)演示動(dòng)畫(huà)及視頻資料,使課堂更加生動(dòng)活潑,使學(xué)生能輕松地理解各類(lèi)質(zhì)譜儀的工作原理,并留下較深的印象。又如一些紅外光譜應(yīng)用軟件可以形象地演示譜圖中吸收峰所對(duì)應(yīng)的化學(xué)鍵振動(dòng)類(lèi)型,生動(dòng)地演示吸收峰與分子結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此,多媒體技術(shù)的應(yīng)用,可以大幅度增加波譜分析教學(xué)的信息量,同時(shí)能加深學(xué)生對(duì)各類(lèi)儀器原理的理解以及對(duì)各類(lèi)化合物波譜特征的掌握,從而提高學(xué)生解析譜圖的能力。

(3)在課堂上逐步引入專業(yè)英語(yǔ)詞匯,使學(xué)生能盡快、盡早地熟悉相關(guān)專業(yè)詞匯,提高學(xué)生閱讀英文文獻(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)資源的能力,這樣有利于學(xué)生盡快了解波譜前沿知識(shí)以及最新進(jìn)展。另外,在課堂上演示從國(guó)外網(wǎng)站選擇的一些優(yōu)秀的波譜學(xué)動(dòng)畫(huà),由于有英語(yǔ)字幕和配音,既能提高學(xué)生的專業(yè)英語(yǔ)閱讀能力,又能鍛煉學(xué)生的聽(tīng)說(shuō)能力。

波譜分析是一門(mén)理論與實(shí)用性都較強(qiáng)的課程,我們希望通過(guò)對(duì)波譜分析課程教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法的一些適當(dāng)調(diào)整,使學(xué)生更好地掌握波譜分析的理論知識(shí),提高解析譜圖的能力。

[1] 劉宏民.實(shí)用有機(jī)光譜解析.鄭州:鄭州大學(xué)出版社,2008

[2] W illiamsD H,Fleming I.SpectroscopicMethods in Organic Chemistry.5th ed.London:McGraw-HillBook Co,1995

[3] 許招會(huì),王生,廖維林,等.光譜實(shí)驗(yàn)室,2007,24(3):400

[4] 許招會(huì),王生,彭云.化學(xué)教育,2006,27(6):35

[5] 陸小蘭,唐洪杰,張桂玲,等.化工高等教育,2006,91(5):104

[6] 何美玉.大學(xué)化學(xué),2003,18(1):18

[7] 曹書(shū)霞,劉金明,郭艷春,等.波譜學(xué)雜志,2007,24(2):147