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波谱学技术在实际科研、生产领域具有重要地位。大量的植物化学研究后期、药效物质研究后期、化合物人工合成研究和生产中都需要进行化合物的波谱解析和鉴定。毕业的药学类本科生,甚至硕士研究生,虽然也进行过波谱分析课程的学习,但是能够独立解谱、读谱的却凤毛麟角。学生毕业后进入科研单位或企业,对分离到的化合物无法鉴定和解析,许多波谱图不懂得读,到处求助能解谱者;甚至工作很多年后,波谱解析能力依然停步不前。这种现状固然与波谱学这门课程的艰深难懂有关,但反观我们的波谱教学,经常是侧重经典的波谱理论教学,强调传统的经典解析手段,而忽略将波谱理论应用与实践结合的教学,忽略化学等辅助手段结合波谱教学,忽略人与网络资源对话融入波谱解析的教学。因而建立一种应用型、实用型的波谱学教学模式势在必行。
1 波谱学课程特点及教学现状分析波谱分析是一门集量子化学、量子物理学、物理学、无机化学、有机化学、仪器分析、药物学等于一身的艰深学科。高校药学类专业的本科生、硕士研究生在量子物理、量子化学方面的基础薄弱,在实践药学领域又缺乏实践认识。在教学中,即使教师在波谱学的理论和实践领域都具有精深的研究,但如果不了解药学类学生的背景基础知识现状,不掌握学生的薄弱点,而是硬生生地去要求学生学习波谱学的高深理论,讲授大量的量子化学,量子物理知识,会导致药学专业学生对这门课程感到畏惧,无法取得良好的教学效果。要上好这门课,教师不仅要有精深的专业素质,而且要分清药学类专业波谱教学的侧重点,不是侧重于专深的波谱学理论教学,而是侧重于实践解谱领域用得上的波谱基本理论的教学,懂得如何将这门艰深的课程,按照药学实践领域的需求进行内容取舍而有侧重点地开展教学。波谱学在药学领域的应用,对波谱学的高深理论要求不高,而更多地是需求能将所学波谱知识应用于药物领域的解析和鉴定。而目前波谱学教学另一个重要的弊端,就是停留在纸上谈兵的一种教学模式,教学与实践应用严重脱节。学生学习波谱分析后,理论知识掌握得差不多了,对一些理论问题解释起来似乎也头头是道,但是一到实践中却不知道如何解析化合物。药学实践中遇到的各大类别的化合物的具体波谱特性无法在课堂上一一讲解,需要从大量的解谱实践中积累。从化合物结构解析和鉴定方法的发展历史来看,化学、物理等其它手段用于化合物结构确定远远早于波谱手段的应用,而且在很多场合,化学、物理等其它辅助手段往往能快速、简洁、经济地确定化合物部分结构信息或基团信息,用于辅助解谱大有裨益。而在传统的教学模式中,往往强调单一地用波谱手段进行化合物结构的鉴定和解析,这就给学生造成一种错觉,好像波谱手段是鉴定和解析化合物的唯一手段和方法。这种单调的波谱手段解谱教学模式培养出来的学生思维单一、刻板,不会或不敢综合应用多种结构鉴定手段,综合解谱能力差。随着海量化合物的积累,化合物集成性数据库(美国化学文摘CA)得以建立和日益完善,世界上目前已经被发现的所有化合物几乎都能在CA数据库中进行检索。在化学文摘数据库 CA中,可以检索化合物的物化性质、植物或合成来源、药物药性等信息,该库还提供了最为全面的化合物的分子结构信息以及由相关链接文献所涉及到的化合物的波谱信息。国外的波谱解析工作已经发展到与网络资源库(主要是 CA数据库)检索紧密结合、完全不可分的程度。而我们目前的波谱教为社会培养更多高素质的药物分析人才 学还十分滞后,远远跟不上网络时代和数据库时代的步伐,将数据库检索解谱融入波谱学教学,是培养现代波谱学人才的必然要求。
2 波谱学应用型教学模式改革应把波谱学作为一门实用技术而不是艰深理论传授给学生,并以此为基本出发点,通过四种途径对目前的波谱学教学进行深入地改革,建立应用型、实用型的波谱学教学模式。
2.1 弱化量子理论,教学内容侧重点转向实用波谱理论教学在不影响后续基础理论理解的前提下,弱化艰深的量子化理论部分内容,用简单易懂的核磁共振模型进行这部分内容的教学,化解波谱学中的教学难点,降低学生对波谱学的抵触和畏惧心理。同时将教学侧重点转向于解谱实践领域用得上的波谱学基础理论的讲解:氢谱的偶合与裂分;碳谱的类型及用途;影响碳、氢核化学位移的影响因素(影响氢核位移值的电子诱导、磁各向异性、范德华效应、氢键和溶剂效应等,影响碳核位移值的碳原子杂化态、核外电子云密度、诱导效应、共轭效应、立体效应、键能、氢键等);各类氢核(饱和氢、不饱和氢、芳氢、活泼氢等)和碳核(烷烃、取代烷烃、不饱和烃、羰基类)的化学位移值的大小、范围及其成因;按照《波谱数据表—有机化合物的结构解析(德国)》的计算规则,融合范例重点讲述上述各类碳、氢核的计算方法和规则,使学生系统掌握一种在理论上能对所有化合物碳氢核化学位移值进行人工计算和预测的方法。专深的量子化理论的弱化和压缩,不但可以减轻波谱学课程的难度,而且可以转移更多的课堂时间用于加强实践解谱领域用得上的基本波谱理论的教学,解决波谱学教学难度大、基础理论教学效果差的问题,消除学生学习波谱学的畏难情绪,提高学生学习波谱学的兴趣和教学效果。
2.2 将波谱范例融入理论教学,解决波谱学理论教学与实践应用脱节的问题 摒弃纸上谈兵的教学模式,将代表性的波谱解析范例融入波谱学理论教学中,使波谱学教学始终不离药学领域化合物的解谱实践,将波谱学教学转向应用型、实践型的教学,建立一种近于实践的教学模式。从天然药物(产物)化学中的各论章节各类别化合物(脂肪烃类、糖类、苯丙素类、醌类、黄酮类、萜类、三萜类、甾类、生物碱类等)中,收集、整理具有代表性的各类化合物的波谱数据和波谱图,建立备选的范例库。从备选库中,通过对比,考察各范例的经典性、代表性、简洁性等,遴选结构较为精简(教学课时限制)、代表性强(所学的每个化合物能尽可能地代表实践应用中化合物解析所遇到的常规情况) 的化合物波谱范例融入课件中进行教学,并在后续教学反馈中,从库中不断用更经典和具代表性强范例替换代表性差的范例,使学生在短暂的课堂学习后,潜在地经历了实践中的大部分可能出现的情况。这种波谱理论教学与药物成分实践领域的谱学应用结合的教学模式,使学生所学波谱理论在实践中有所依托,使波谱理论学习与实践应用相互交融,使学生能够将所学理论知识用于实践领域化合物的解析鉴定工作。
2.3 采用多种辅助手段进行综合解谱的教学 在开展经典波谱学方法解析、鉴定化合物结构教学的基础上,开展利用化学实验、色谱手段、物化性质实验等其它辅助手段进行综合解谱的教学。从文献资料、网络资源中收集通过化学等其它手段辅助进行波谱解析的范例,建立备选的范例库;从备选库中,通过不断对比,选择具有代表性、简洁性的范例,融入课件中进行教学,并在后续教学中,根据学生的反馈,不断修正所选范例,培养学生用多种手段联合解谱的能力。用多种手段辅助解谱的教学,要求学生将波谱学知识与植物化学、天然药物化学、分析化学、有机化学的知识联系起来,促进学生在解谱研究工作中综合运用多学科知识的能力,让学生从多途径思考解决实践领域解谱问题,综合应用来辅助解决波谱学上的问题,防止纯粹的理论波谱学教学误区。
2.4 开展解谱与网络数据库检索结合的教学 目前化学类引文数据库中的化学文摘网络版( CA)及所链接的文献,可提供世界上最全、基本无遗漏的化合物与波谱数据库,由波谱图推导出来的大致结构特点,输入CA中查询,可以立即得到几个至十几个相近的结构,有了化合物结构可供参考,经过波谱数据核对,能很快辅助判断化合物的结构或解决结构解析中存在的问题,并且能查询所研究化合物是否为新化合物。结合网络检索的解谱手段,可以大大加快解谱进程,原来停留在猜测阶段的一些预想结构,很快可以在网络上得到应答;同时这种结合网络检索的解谱方式,可以用最少类型的波谱图和数据,通过前人文献对比,以经济的手段解析化合物,无需盲目做大量的各类型图谱。通过遴选具有代表性的天然化合物,制作解谱过程与化学文摘CA等网络数据库检索结合的离线课件(摆脱对网络资源的依赖),进行学生解谱过程中与网络数据资源对话的教学,培养学生解谱过程中与网络资源(前人文献)的对话能力。这种网络资源检索式辅助解谱的教学模式,不仅让学生领会到解谱中文献对比和经济原则的精髓,更为重要的是让学生融入到人与网络对话的互动解谱过程,不仅提高了学生当前的实际解谱能力,而且培养了学生在波谱教学后续学习中如何通过与网络资源交流不断自行扩展和提高的能力。
3 结 语目前波谱学教学改革的研究主要集中在加强波谱学仪器教学、多媒体电教化教学研究、计算机软件模拟仪器实体直观教学、结合科研实例教学、以问题为学习基础(PBL)的教学模式研究、互动式教学[1-9]等几个方面,本文首次提出在波谱学教学中建立应用型、实用型的教学模式。应用型、实用型波谱学教学模式的建立和转变,将化解波谱学教学难点和提高实用性理论的教学效果,提高学生将波谱理论应用于实践解谱的能力,培养学生利用多种辅助手段进行综合解谱的能力,培养具备自我提升能力的网络开放型的波谱学人才,对学生在波谱学领域将来的发展产生深远的影响。