波谱分析教学中合理利用网络资源的思考和实践

王楠楠　余金山　程海峰　刘东青　汤丹

摘要：近年来网络资源不断丰富，将热点新闻、影视资料、数据库、商业软件、网络教学、科普性资源等合理用于波谱分析教学，有助于吸引学生注意力、提高学习兴趣、促进自学能力、开阔科研视野以及提高工程实践能力。关键词：波谱分析教学；网络资源；合理利用中图分类号：G642.0

文献标志码：A

文章编号：1674-9324（2018）20-0142-02 波谱分析是基于物质与电磁辐射相互作用时，物质发生能级跃迁而产生的发射、吸收或散射电磁波信号进行分析的一类分析方法[1]，包括紫外可见光谱、近红外光谱、红外光谱、拉曼光谱和核磁共振波谱等。课程内容方面，既要讲述各种波谱的原理、谱图解析，又要介绍测试技术，是一门理论与实验相结合的课程[2]。涉及的学科方面，是一门研究光、电、磁和物质相互作用及应用的课程，体现了物理学基本理论、实验方法与化学等学科的有机融合，与高新技术如超导、激光、信息处理等领域的研究前沿紧密相关。如何在有限的教学时间内实现较好的教学效果，是课程建设中的重要问题。近年来互联网技术飞速发展，网络资源不断丰富，将相关网络资源用于波谱分析教学，有助于吸引学生注意力、提高学习兴趣、促进自学能力、开阔科研视野以及提高工程实践能力。一、在课程建设中应用网络资源的思路和实例1.热点新闻、影视资料。波谱分析技术在食品安全、军事探测、医疗检测、文物鉴定等领域有着广泛的应用，绪论中通过热点新闻、影视资料等引出相关的波谱分析方法，以提高学生对课程的学习兴趣；课程内容学习完毕后，结合热点新闻、影视资料等，介绍波谱分析在相关工程技术领域的具体应用，在巩固课程内容的基础上开阔学生的科研与工程视野。例如，核磁共振成像是一种重要的医疗检测手段（获得了2003年诺贝尔生理和医学奖），其检测对象是不同组织中H原子核在强磁场中的共振行为，与核磁共振波谱的原理是一致的。又如，通过“钻石恒久远，一颗永流传”这一脍炙人口的广告语，引出拉曼光谱是散射光谱，具有无损检测的优势，广泛地用于珠宝、文物等真伪鉴定，加深学生对拉曼分析方法的印象[3]。再如，结合权威学术机构如“Nature”期刊每年评选出的年度科学进展，介绍波谱分析技术在这些科学进展中所起的作用。2.数据库资源。数据库为谱图解析带来了极大便利。以红外光谱为例，约20年前，测得未知物的红外光谱后，学生需根据吸收峰与基团的对应关系进行谱图解析，推测未知物可能的结构，再到图书馆采用纸版萨特勒（Sadtler）标准谱图庫进行检索以确认解析结果，整个过程耗时较长。近些年，赛默飞士尔（Thermo Fisher Scientific）、铂金埃尔默（Perkin Elmer）、布鲁克（Bruke）等红外光谱仪的主要生产厂家均建立了与软件配合的红外光谱数据库。测得未知物的红外光谱后，可采用软件的检索功能迅速地在数据库中检索出匹配的谱图，得到匹配系数，再参考检索结果确认未知物结构，极大地提高了谱图解析效率。一些开放的网络数据库，如“SDBS：NIMC有机物谱图库”可通过分子式检索有机物谱图，包括质谱、核磁共振碳谱、核磁共振氢谱、红外光谱、拉曼光谱、顺磁共振谱等[4]；又如，“NMRShiftDB”数据库提供根据核磁共振谱图检索化合物结构的功能，并可预测有机物的核磁共振谱图。3.商业软件。有些公司推出了波谱分析相关的专业软件，最为著名的是伯乐生命医学（Bio-Rad）公司推出的KnowItAll软件，其支持多种谱图解析，能够进行红外、核磁共振、质谱、拉曼、近红外和紫外可见等谱图的平滑、基线校正、运算等处理和检索，还提供混合物分析、谱图综合分析等功能。该公司设计有学生免费试用版软件，学生通过学校的Email地址可以在Bio-Rad公司网站上下载免费试用版软件，具有绘制化学结构、官能团解析、Sadtler绿皮书电子版、化学结构对称性分析、部分化合物的波谱数据库等功能。4.网络教学资源。随着互联网技术飞速发展，部分高校推出了波谱分析相关的网络教学资源，可对相关资源进行筛选、鉴别，将优秀的网络教学资源推荐给学生。例如，英国皇家化学学会（Royal Society of Chemistry，RSC）制作了现代仪器技术（Modern Instrumental Techniques for Schools and Colleges）系列视频，包括紫外可见光谱、红外光谱、核磁共振波谱等，每个视频用约5分钟的时间简要介绍该技术的原理和测试方法，视频的形式能够给学生直观的印象。又如，威斯康星大学（University of Wisconsin）化学系的Hans J.Reich教授建立了核磁共振波谱课程网页，系统地介绍了核磁共振波谱的原理、测量技术、解析方法。5.科普性网络资源。网络上相关论坛、微信公众号中有一些波谱分析领域的科普性知识，比如，课堂上介绍波谱仪器时往往缺少仪器内部工作原理的直观展示，可以借鉴微信公众号中采用动图解析红外光谱、紫外光谱、核磁共振波谱等仪器的测试原理；又如，傅里叶（Fourier）变换是仪器常用的将干涉信号即时域信号转变为波谱数据即频率域信息的数学手段，不是课程的重点，却是学生理解的难点，可借鉴论坛上采用通俗的语言解释傅里叶变换，将资源网址提供给学生。科普性网络资源一般采用幽默的语言，深入浅出地对相关知识进行介绍，在课堂上合理引用有利于学生更好地理解相关知识，同时促进自学意识和自学能力。二、对课程建设的意义1.吸引注意力，提高学习兴趣。波谱分析课程中涉及到理论深度较深的原理和谱图解析等知识，当理论深度较深的课程内容持续时间较长时，学生对于课堂内容的注意力开始下降。在课程教学中，适当地引入热点新闻、影视资料等信息，可迅速吸引学生的注意力，当这些信息和学生的生活、专业领域息息相关时，能够有效地提高学习兴趣。2.促进自学意识和自学能力。知识处于飞速发展中，自学意识和自学能力对于学生接受新知识的能力、创新能力、科研能力至关重要。波谱分析课程涉及化学、物理、光学、仪器等各学科的知识，课堂上的讲授难以做到面面俱到，不同学生对知识的接受程度也不同，网络教学、科普性网络资源的介绍能够为学有余力的同学提供进一步获取知识的方式和渠道，从而促进学生的自学意识和自学能力。3.开阔科研视野。通过介绍波谱分析在年度科学进展中所起的作用，使学生了解科研前沿，并从材料体系、表征手段、实际应用等方面开阔研究生的科研视野；通过介绍网络数据库、试用版商业软件，使学生知道可以通过网络数据库、商业软件进行研究体系谱图预测、未知物谱图检索，从而在巩固课程内容的基础上开阔学生的科研视野。4.提高工程实践能力。通过热点新闻和影视资料，给学生留下哪些工程技术领域中会用到波谱分析相关知识的初步印象；通过介绍网络数据库和KnowItAll等商业软件，使学生了解在工程实践中如何进行谱图检索、如何通过波谱技术进行产品质量控制等，以期在学生走上工作岗位后能够更好地将工程实践与理论知识建立联系，学以致用，提高工程实践能力。三、结语波谱分析在科研、工程中有着广泛的应用，是化学、材料相关学科的学生需要掌握的基本知识，具有理论与实验相结合、涉及学科门类多的特点。将相关网络资源用于波谱分析教学，有助于吸引学生注意力、提高学习兴趣、促进自学能力、开阔科研视野以及提高工程实践能力。另一方面，网络资源极大丰富，需要利用，但不可滥用，引入过多的网络资源可能使学生的关注点过于分散。例如，我们在教学中发现，数据库强大的检索功能能够快速检索出谱图对应的物质，甚至分析出各谱带所对应的基团，带来的问题是学生过于依赖数据库，对谱图的敏感度不够，基础知识不扎实。如何合理利用网络资源，需要在教学准备过程中认真思考、去伪存真。参考文献：[1]邓芹英，刘岚，邓慧敏.波谱分析教程[M].科学出版社，2007.[2]张汉辉.波谱学原理及应用[M].化学工业出版社，2011.[3]王昶.波谱分析技术在宝石鉴定中的应用评述[J].光谱实验室，2001，18（3）：301-303.[4]冯薇，李菁，牛丽颖.信息技术在仪器分析——波谱解析部分教学中的应用[J].教育教学论坛，2016，（3）：211-212.