药学专业有机波谱分析教学改革方法的实践

宋见喜，管 楠

(1.北华大学 分析测试中心,吉林 吉林 132013；2.北华大学 外国语学院，吉林 吉林 132013)

有机波谱分析课程是高等学校药学专业重要的专业课程，讲授的内容主要包括紫外光谱(UV)、 红外光谱(IR)、 核磁共振波谱(1H-NMR、13C-NMR)和 质谱(MS)，及其在有机化合物结构解析中的应用。近年来，波谱分析法克服了传统化学分析方法中耗费大量时间和劳力的缺点，具有微型化、简单、牢固和准确的优点。它已成为确定有机化合物结构的最常用方法[1-2]。但是，这门课程涉及的知识面广、综合性强，基础理论知识抽象，而且还涉及大量的波谱数据[3-5]，对于我校药学专业本科生来讲在40课时内完全掌握本课程内容难度较大[6]。

为此，在近几年的教学实践中，笔者首先让学生充分认识到有机波谱分析课程的重要性，并对整个知识体系做全面介绍，注重教学内容的优化，不断改进教学方法，改善实践教学，引入计算机辅助软件，改变期末考试模式，激发学生的学习兴趣，从而产生较好的教学效果，也为同类学科教学改革提供参考。通过该课程的学习，为学生将来撰写毕业论文，进一步学习或从事相关工作打下良好基础。

一、激发学生学习兴趣

该门课程对学生学好本专业有重要意义，可以激发学生的学习兴趣。在有机化学领域，无论研究哪种有机化合物，分析或合成过程中都会遇到结构确定的问题。如果不需要复杂的经典化学方法，就可以获得结构信息，可以很好地满足有机化学不断发展的新要求。20世纪50年代之前，解析有机化合物的化学结构主要依靠经典的化学分析方法。例如，吗啡的分离纯化及化学结构的确认。1806年，德国药剂师泽尔蒂纳首次从鸦片中分离得到含氮植物碱(即吗啡)开始[7]；吗啡的分子式C17H19O3N在1847年Laurent经元素分析才确定下来；其化学结构直到1925年才基本被确定[8]。从获得吗啡纯品到全面确定吗啡的化学结构经历了将近120年。因此，经典化学分析方法实验操作繁琐、周期长、需要的样品量大、有些化合物的精细结构无法测定等缺点。20世纪50年代后，有机化合物的结构主要依靠现代分析仪器，利用波谱技术对其结构进行鉴定。20世纪20年代、40年代、50年代依次有了紫外光谱仪、红外光谱仪、核磁共振波谱仪和质谱仪器。例如，从蛇根草中提取出的利血平，其化学结构比吗啡更为复杂。自1952年获得利血平的纯品开始，通过当时现有分析仪器检测，1955年就确定了化学结构，1956年完成了利血平的全合成[9]。另外，波谱分析法需要的样品量极少，通常质谱需要的样品量是微克级、红外是1 mg左右、核磁氢谱需要几毫克样品就能产生足够信噪比的谱图。因此，波谱分析具有快速、准确、微量等优点。

在波谱分析、尤其是核磁共振及质谱技术发展进程中，多位科学家获得了诺贝尔奖。例如：德国科学家O.Stem施泰恩因用分子束测定质子所释放的核磁函数获得1943年的诺贝尔物理奖；美国科学家Rabi发现分子束磁共振获得1944年的诺贝尔物理奖；美国科学家Purcell和Bloch因发现宏观物质NMR现象获得1952年的诺贝尔物理奖；瑞士科学家Ernst因对NMR波谱学实现和发展傅里叶变换、多维技术的贡献获得1992年诺贝尔化学奖[10]；瑞士科学家Wüthrich用多维NMR在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性贡献获得2002年诺贝尔化学奖的一半，另一半由美国科学家Fenn和日本科学家Tanaka发明生物大分子的质谱分析法获得[11]；美国科学家Lauterbur和英国科学家Mansfield在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)技术领域的突破性成就获得2003年的诺贝尔生理和医学奖[12]。在学习了这部分内容之后，学生将更多地了解有机波谱分析的重要作用，为培养学生的科学精神和科学素养、获得强大的学习动力和提高学习能动性开启一个好的开端。

二、优化教学内容

有机波谱分析课程的主要内容是讲授UV、IR、NMR和MS的基本原理、仪器组成、影响波谱吸收峰变化的因素以及如何识谱、解谱。基于我校药学专业的学生只学习了基础有机化学、大学物理这两门相关课程，基础知识比较薄弱，因此，我们所选的教材是人民卫生出版社出版，孔令义等编著的《波谱解析》，并参考其他相关教材，对课程内容进行补充和整合。在绪论部分除了向学生讲授这门课程的重要性和核心内容外，也要让学生从基础上理解几大波谱的相关性和差异性。(1)结合电磁波谱相关知识，UV、 IR、NMR分别利用的是电磁波谱中的紫外光、红外光和射频。这些特定范围的电磁波与分子在一定条件下相互作用就会得到特定规律的谱图(峰强、峰形和峰位)，利用这些规律确定分子的结构和含量。而质谱原理不同，不属于波谱学的范畴。(2)不同频率的电磁波对应的光谱跃迁类型不同，如UV是分子吸收紫外光引起核外层电子(价电子或非键电子)的跃迁；IR是分子吸收红外光后引起分子的振动-转动跃迁；NMR是分子在磁场中吸收射频引起原子核自旋能级的跃迁。(3)不同频率的电磁波是从不同角度来探究化学结构。UV研究的是分子的价电子跃迁，主要针对的是具有共轭体系的化合物；IR在鉴定化学官能团方面具有独特的优势；NMR不但可以鉴定出化学官能团的类型还可以鉴定出各官能团之间的连接方式。而质谱在检测化合物分子量时是最有效的手段。

向学生讲授完各类仪器的基本原理、仪器组成和影响波谱吸收峰变化的因素后，引入经典谱图实例进行解析，巩固所学基础知识，提高课堂教学效果。首先，对课本上介绍的具有代表性的各类有机化合物的谱图进行解析，有利于学生掌握谱图解析的基本方法。然后，在教学中引入与波谱分析相关的科研实例，特别是引入谱分析技术的新进展、新方法和新应用，激发学生的学习兴趣，也增强了图谱综合解析应用能力。例如，讲授核磁共振波谱时，结合我校药学院的科研工作，除了详细介绍1H-NMR和13C-NMR等相关基础知识外，还要介绍COSY、TOCSY、HSQC、HMBC等常用二维谱图的功能。另外，药学院有多位老师从事多糖的研究，而HSQC-TOCSY谱图在归属多糖中单个糖残基时有独特的优势，因此，该谱图也是我校药学院学生必须掌握的谱图。同时，我们也鼓励学生自己查阅相关文献，扩大波谱分析在有机化合物结构鉴定方面的应用，拓展学生的知识面，从而培养学生的创新意识和探索精神。

三、改善教学方法

由于有机波谱分析课程及的知识面广、综合性强，基础理论知识抽象，谱图分析的难度大。因此，传统的教师教、学生学的教学模式已经不能满足授课的需求，需要改善教学方法。学生在学习完四大谱的基本原理和图谱解析之后，讲解综合谱图解析时主要以分组讨论的方式进行，班级的全部同学分成若干小组，每个小组选择一个综合实例进行解析，解析后选派一个代表到前面进行展示。学生在前面讲解时，教师给予及时的反馈，纠正讲解中的错误，给予一定的评价。讨论的过程中，教师在各组间进行巡视，解决同学们在解析谱图过程中遇到的问题。这种“以学生为中心”的教学模式，增强了师生之间的互动，有利于学生更深入地理解相关基础知识，更快速地解析谱图，从而培养了学生分析问题与解决问题的能力。

四、实践教学

利用波谱分析确定有机化合物的结构之所以快捷、方便、准确，是因为波谱分析的谱图来自于大型贵重仪器。例如，核磁共振波谱仪和质谱仪，价格都非常昂贵、全校才各一台，而且是专人管理操作，因此无法满足人人亲自操作的要求。另外，想了解仪器的结构，观察实物有时没有结构示意图清晰。例如：核磁共振波谱仪中的超导磁体，实物只是一个“大罐子”，看不到内部结构。基于此，我们通过播放仪器的实物结构和操作方法，部分结构再用示意图进一步解释，使学生对这些仪器有直观、感性的认识。这样有益于他们理解、掌握有关理论和原理。

五、运用计算机辅助软件

在谱图解析时，可以借助一些化学软件。因此，我们会向学生介绍Chemoffice[13]和Mest Re Nova[14]这两种软件模拟核磁谱图的功能，它们都可以预测化合物1H NMR 和13C NMR 的化学位移，在没有实际测试核磁谱图的情况下，通过谱图模拟便可以得到化合物的仿真谱图信息。相对于通过经验公式计算化学位移值来解析谱图，借助于计算机辅助软件更加快捷、方便。

六、调整考核模式

考试是教学过程中的重要环节，也是评价教学效果的手段。通过考试可以了解学生掌握课堂内容的情况，根据学生考核的结果适当调整教学内容和教学方法。

为了综合反应学生对知识的学习能力和解决实际问题的能力，我们采用阶段考试和综合考试相结合的考试模式。阶段性考试分四次进行，在每一大谱内容结束后采用闭卷考试形式考核学生对基础知识的掌握程度。题型以名词解释、选择、填空、判断为主，以简单有机化合物的结构推导为辅，主要考核波谱分析的基本概念和基础理论，但要求内容涵盖面要广。该部分占总成绩的40%。综合考试在期末以开卷考试形式进行，要求学生在规定的时间内，可以借助教材、笔记和参考书独立完成答题，试卷内容为四大谱的综合谱图解析题，考察学生对知识综合应用的能力。该部分占总成绩的60%。

七、结 语

药学专业有机波谱分析教学改革方法的实践使学生明显提高了对有机波谱分析这门课程的学习兴趣和满意度，增强了学生综合解析谱图的能力，从而取得了良好的教学效果。随着社会的进步和科技的发展，波谱分析新技术、新方法必将不断地出现，这就要求我们在教学过程中不断地优化教学内容、改善教学方法、丰富教学手段，才能更好地提高教学质量，实现教学的最终目的。