丁飛，張翠，邱曉航,*

1南開大學化學學院，化學國家級實驗教學示范中心(南開大學)，天津 300071

2南開大學材料科學與工程學院，天津 300071

核磁共振波譜儀是化學、生物學、藥學、材料學等諸多學科必備的分析測試工具，在化合物結構鑒定、動力學研究等方面往往具有不可替代的作用。核磁共振波譜技術是高等院?；瘜W實驗教學的重要內容，在各種層次的實驗項目中扮演了重要角色[1–7]，但由于儀器昂貴、技術更新等原因，實驗教學中多采取做樣品、取數(shù)據的模式，學生不能真正掌握波譜技術，對儀器也很難有深入的了解。隨著互聯(lián)網技術的進步，現(xiàn)代教學手段為實驗教學注入了新的活力，為改善實驗教學效果提供了技術保障。南開大學化學學院自2002年起使用超導脈沖傅里葉變換核磁(Varian Mercury Vx-300)在本科生儀器分析實驗中開設核磁共振波譜實驗項目，讓本科階段的學生有機會接觸到最先進的核磁共振技術，近年來又通過更新實驗內容、引入信息技術手段、增加多元化學習等有效教學方法對實驗項目進行了優(yōu)化，提高了教學要求，教學效果得到提升。

1 傳統(tǒng)教學中存在的問題

1.1 實驗教學模式造成的問題。

核磁共振波譜是儀器分析課程中的一個實驗項目。在儀器分析課程中，基于大型儀器的特點，采取學生循環(huán)分組的形式進行教學，每節(jié)課一組共四名學生，教學時長4學時。這種模式造成的直接后果是理論課與實驗課不同步，很多學生在進行實驗時，缺乏基礎知識鋪墊，導致理解困難。所以很多儀器分析課程中，教師在課上進行理論講解，占用了較多課時，大大限制了學生的操作時間。另一方面，學生在短時間內很難完全吸收并掌握實驗教師的指導內容，實驗后又缺乏繼續(xù)討論的平臺，實驗過后無法留下深刻印象。長期的結果是學生不重視儀器分析實驗，做實驗走馬觀花，按照指示簡單完成操作，只求實驗數(shù)據；對儀器原理掌握不牢，不能建立理論與實際應用的關聯(lián)；更談不上用課堂知識解決實際問題。而授課教師面對不同組別的學生，多次重復授課內容，容易產生倦怠感，影響教學效果。

1.2 由儀器造成的問題

核磁共振技術涉及物理、數(shù)學、化學等多學科的眾多知識點，自20世紀70年代以來經過多次技術升級，如引入高磁感應強度的磁體，使用計算機技術對數(shù)據進行傅里葉變換，探頭技術也在不停革新，出現(xiàn)了眾多功能各異的探頭，學習難度和深度遠超一般的分析儀器。另外作為大型儀器，價值昂貴數(shù)量少，每組學生只能輪流操作，本不充足的課時更加捉襟見肘；大型儀器非常精密，部分零部件較易損壞，對學生開放的操作較少[8–13]。

2 基于教育信息化技術的課程設計

我國《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011–2020年)》指出：“教育信息化的發(fā)展要以優(yōu)質的教育資源和信息化學習環(huán)境建設為基礎，以教育理念的創(chuàng)新為先導，以教育模式和學習方式的創(chuàng)新為核心”。隨著教育信息化的普及，實驗課程改革迎來新的契機[14–19]。針對傳統(tǒng)課堂產生的問題，重新設計實驗項目，探索網絡時代教學的新模式。

2.1 準確定位教學目標，精心組織教學內容

核磁共振波譜實驗面向化學專業(yè)高年級學生開設，通過該項目學習，學生應掌握核磁共振原理，初步掌握核磁共振波譜儀的使用，并能正確解析波譜信息。此外，學生還能通過了解儀器的更新過程體會到科技創(chuàng)新的趨勢，建立創(chuàng)新學習、終身學習的理念。在與理論課任課教師溝通和對學生進行調研的基礎上，發(fā)現(xiàn)理論課講解偏重基本理論和應用，學生可以較好地掌握屏蔽常數(shù)、化學位移、偶合等基礎知識，但對與超導核磁技術關系緊密的采樣過程、脈沖相關知識、異核耦合、馳豫等概念理解不深，如氘代試劑殘余氫的出峰由于涉及氘-氫的耦合，裂分并不符合n + 1規(guī)則，90°脈沖及脈沖序列的概念理論課較少涉及，學生普遍反映不太了解。對核磁共振實驗教學中重要的知識點進行梳理后(圖1)，在實驗知識點設計方面注意與理論課無縫對接，既彌補基本理論的不足，又側重對超導核磁共振技術的理解，同時各個環(huán)節(jié)相互滲透，前后呼應，使教學各環(huán)節(jié)形成有機的整體。在原有教學內容的基礎上，補充了科學前沿應用，保證實驗有足夠“營養(yǎng)”。

圖1 核磁共振實驗教學流程圖及主要知識點

2.2 合理規(guī)劃教學過程，提高課程挑戰(zhàn)度

實驗教學分為課前預習、課上理論講解、實驗操作、翻轉教學和課后討論反饋五個環(huán)節(jié)。利用信息技術將預習內容圖文并茂地呈現(xiàn)出來，采取線上課堂的形式布置給學生，要求學生在課前做好實驗前的知識準備。這相當于把學生的學習時間拓展到課前，無疑提高了學生的學習難度，卻可保證課上有足夠多的操作時間，改善學生的操作體驗。課堂教學中，因為學生預習效果好，可采取翻轉課堂的方式激發(fā)學生的主動性，課后討論也更有針對性和實效性。

2.3 充分運用信息技術，增強課程創(chuàng)新性

信息技術為實驗預習提供了平臺?！銈鹘y(tǒng)教學模式中，很多學生在預習時，只是機械抄寫實驗講義，達不到預習的效果。我們將預習資料做成圖文并茂的PPT課件，還配有語音講解和錄制的實驗小視頻，這些材料上傳至課程在線平臺，輔助微信群等社交軟件答疑解惑，學生可以充分完成課前準備。

課堂教學也不再是教師灌輸式講解。課堂采取雨課堂等教學工具檢查學生的預習效果，做好查漏補缺。對預習中共性問題給予重點解讀，提高了課堂講解的針對性。

2.4 翻轉課堂教學模式，體現(xiàn)課程高階性

在課堂講解和實驗操作結束后，學生結合充分的預習對儀器有了較為深入的理解，此時利用課堂結束前的時間進行課堂翻轉，進行討論反饋，可以起到更好的作用。此時拋出科研中的實例，讓學生分析討論，一方面檢驗學習效果，同時可以充分調動學生的學習熱情，激發(fā)學生持續(xù)學習的欲望。

3 互聯(lián)網新模式的課程實踐

3.1 考核預習效果，提高預習效率

為保證預習效果，在預習材料中包含習題與測試。課件的預習和習題的完成體現(xiàn)為部分實驗課成績。這種方式可以吸引學生自主學習，提高預習質量；同時督促學生重視實驗預習環(huán)節(jié)，為課堂教學做好充足準備。學生在預習過程中產生的疑問可以隨時通過社交軟件提出，由任課教師及時進行解答，原本點對點的單線答疑方式變更為點對面的多線方式，一個疑問的解答可以惠及整個課程群中所有的學生，其他同學在提問獲得解答的過程中也能加深對相關知識點的理解，帶動整體預習水平的提高。

3.2 課上講解因材施教，增強教學創(chuàng)造性

有了好的預習效果，有效節(jié)省了課堂講解時間。課上教師可以根據不同學生的預習情況，有針對性地進行知識講解，對學生提出的問題進行個性化討論。教師可以有的放矢地把知識點加深擴展，細節(jié)講好講透。例如圖1中現(xiàn)代核磁理論的傅里葉變換、脈沖及脈沖序列、弛豫時間及其應用等內容，這些知識有一定的深度和難度，在原來的講解過程中基本不會涉及，或者只是簡單介紹，遠遠不能滿足學生對現(xiàn)代核磁共振技術深層次的學習需求。在學生充分預習，且課堂時間充裕的情況下，授課教師需要根據學生的個性化反饋，列舉合適的例子加以說明，做到因材施教，發(fā)揮的空間較大。由于避免了重復性講解，教師的創(chuàng)造性也得到激發(fā)，保持了授課熱情。

3.3 操作訓練以人為本，激發(fā)學習主動性

作為一門實驗類課程，一個重要環(huán)節(jié)是學生動手實操，這也是學生最為感興趣的部分。尤其是對核磁共振這種大型儀器，價格昂貴，大部分本科生日常很難有機會接觸。在新模式下，學生獲得了更多的實驗操作時間，因此實驗操作部分可以進一步充實。

傳統(tǒng)模式的核磁共振波譜實驗中，由于時間限制，由學生進行的操作只有使用“自動勻場”和“自動鎖場”功能將磁場調節(jié)均勻，隨后進行數(shù)據的采集和處理。這樣操作簡單乏味，對學生毫無吸引力，也無法體現(xiàn)獲得核磁共振波譜的全過程。新模式下，我們將調諧、90°脈寬測定等超導核磁日常維護的基本操作納入學生操作范圍，每組四名學生輪流進行實驗操作，均包括進樣、自動勻場鎖場、90°脈寬測定、數(shù)據采集、譜圖處理打印等部分。自動調諧過程較短，且過多的調諧次數(shù)可能損壞探頭中的電機，經與工程師溝通后確認可以承受每次實驗課有一次調諧操作，因此該環(huán)節(jié)只由第一名同學操作并演示。90°脈寬測定雖對實驗結果沒有直接影響，但對理解磁化矢量和脈沖序列有非常好的作用。學生通過實際操作，全面了解做好一個核磁共振譜圖所必須的一些基本流程，同時對其中蘊含的共振頻率、磁化矢量、脈沖序列等概念有更加深入的了解，理清“實驗操作”與“儀器原理”之間的關系，充分發(fā)揮出實驗教學的作用。

經過調整后，4個學時的實驗課堂時間分配發(fā)生了積極的變化，講授部分由90分鐘縮減到了一個小時以內，學生實驗操作部分由不到一小時擴展為90分鐘左右，操作的同時授課教師對采樣時間、累加次數(shù)、脈沖間隔、譜寬設置、中心頻率、增益調整、勻場算法等參數(shù)進行講解，同時引導學生修改部分參數(shù)進行體驗，更加貼近實戰(zhàn)。剩余約40分鐘的時間供師生交流。

3.4 課堂翻轉即時評測，教學效果有效延伸

學生實際操作之后，對于相關知識已經有了具體感性的認識。在此基礎上，采取課堂翻轉的形式讓學生走上講臺，學生講解核磁共振信號產生的基本過程，畫出磁化矢量翻轉角度和出峰的對應關系，或針對一些關鍵知識點提出問題，學生互相討論并進行解答，如分析氘代丙酮在氫譜和碳譜中溶劑峰的裂分；討論弛豫時間測定實驗中磁化矢量的變化；實際測試中一維實驗普遍采用30°或45°脈寬激發(fā)樣品，而實驗中增加了90°脈寬測定內容，分析討論90°脈寬對不同實驗的影響，為何引入該部分操作；選擇不同脈寬時考慮脈沖間隔時間的修改以保證定量準確性；討論各類核磁共振實驗需要關注的重要參數(shù)等，進一步調動學生的情緒，鍛煉學生的團結協(xié)作和表達能力，對所學知識進行總結和梳理，深化課堂教學效果，即時進行鞏固。

3.5 實驗報告總結反思，結合科研深度學習

實驗課程的最后一個環(huán)節(jié)是整理完成實驗報告。為了提高學習的高階性，除了根據實驗所得的樣品氫譜進行化合物含量的計算，同時把樣品的碳譜數(shù)據交給學生，要求學生結合碳譜數(shù)據對化合物進行完全的歸屬，并練習用規(guī)范的科研寫作方式對實驗結果進行表述。通過對化合物氫譜和碳譜的比較，學生對耗時長、操作更復雜的碳譜也有了初步的了解。為了進一步加深學生對核磁共振波譜儀的認識，在課程平臺上提供核磁共振在實際科研工作中的運用實例，供學生課后深度學習，達到鍛煉科學思維、理論聯(lián)系實際、學以致用的目的。

4 結語

互聯(lián)網改變著人們的生活，也改變著高等教育的模式。在信息技術的支持下，實驗教學的過程可以更加合理，課程內容更加充實，課堂氛圍更加活躍。學生的學習不再局限于規(guī)定課時內，學生必須付出更多的精力，學到的知識也更加牢固。新模式提高了課程的挑戰(zhàn)度，卻滿足了學生對新技術、大儀器的好奇心，帶給他們深度學習的獲得感和成就感，學習效果有了明顯提升。