理实结合的药物波谱解析教学模式

李新，应华洲，陈文腾，陈建忠

浙江大学药学院 (杭州 310058)

药物波谱解析是药学、中药学专业的一门基础课，主要讲述紫外光谱、红外光谱、核磁共振波谱及质谱等四大光谱的基本原理、特征、规律及图谱解析技术等内容。药物波谱解析授课内容是许多药学专业课程的基础，如药物化学、天然药物化学、药物分析学、药剂学等，是学生从事本专业科研、生产工作必备的专业技术知识[1]。

1 波谱解析课程内容特点

波谱解析课程是利用现代物理谱学手段表征有机化合物结构的学科。课程要求学生了解四大光谱的基本原理，掌握并能熟练运用谱学数据进行简单化合物结构解析。波谱解析的基本原理在于化合物的光谱数据反映了其分子结构中各官能团的电性特征[2]，其内容较为抽象难懂。该原理的掌握要求学生具备较好的有机化学基础，对现代电磁学理论亦要有一定的理解与掌握。除原理方面的知识有难度之外，学生短时间内需要熟练记忆各类特征谱学数据(包括红外吸收、质子化学位移、质子耦合常数、碳化学位移、离子裂解规律等)也是一大挑战。即便学生掌握了各类波谱的基本原理并熟练记忆各类特征谱学数据，要想进行化合物的结构解析，学生还需具有较好的有机化学基础，熟悉各种常见官能团结构，对各类化学键的电性特征有基本的认识。因此，理论性强、数据记忆量大、逻辑推理性强是波谱解析课程的主要特点，这也是导致学生学习难度大的主要因素。

2 影响波谱解析课程教学效果的主要因素

笔者多年从事药物波谱解析课程授课工作。在教学过程中，仅有少数学生感觉课程“有趣”，大部分学生反馈“难学”。总结多年的教学经验，笔者认为影响波谱解析课程教学效果的因素主要有以下三点：一是学生不理解各类波谱产生的基本原理；二是学习兴趣低；三是教学时数短。这三个因素恰好对应上述波谱解析课程的三个主要特点：因为课程理论性强，所以学生不容易理解；大量的数据记忆降低了学生的学习兴趣；教学时数少则限制了“谱学数据-结构”逻辑推理强化训练。当然，作为一门与有机化学密不可分的课程，学生对有机化学的学习兴趣会在很大程度上影响其对药物波谱解析课程的学习兴趣。因此，个别学生甚至存在对该课程的“天然免疫”性，这种特殊情况不在本文考察范围内。

在上述三个影响教学效果的主要因素中，教学时数短是客观因素，不容改变。药学专业多学科交叉融合的特性，使得学生在有限的本科学习阶段不仅要学习药物化学相关专业知识，还需学习生化、药理、药物设计、药剂学等方面的知识，因此，分配在药物波谱解析课程中的教学时数自然有限。在此背景下，教师如何针对前两个因素，提高学生对基本原理的理解，启发其在理解基础上的数据记忆；如何充分利用该课程“逻辑推理性强”的特点，激发学生学习兴趣，从而提升课堂教学效果，增强学生在药物分子结构解析方面的实践能力，这些都是教学中需特别关注的问题。

3 理论结合实验的教学模式探索

目前药物波谱解析课程教学方法的新型尝试，主要包括教学内容的优选、谱图虚拟预测软件的应用、仿真实验室的构建、与药物化学实验课的融合等[3-10]。我国古代先贤早已总结出“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”的学习规律，强调学习过程中知行合一，结合实践进行学习的重要性。笔者认为，在波谱解析课程中融入实验内容，有以下三方面的益处(图1)：一，学生在独立收集谱图数据过程中，有机会近距离甚至独立操作各种波谱测试仪器，让理论知识“跃然纸上”，从而提升学生对波谱原理、仪器、谱图表征方式等方面知识的理解与掌握；二，学生通过接触甚至独立操作各类波谱相关科学仪器，可激发其好奇心，增强其学习兴趣；三，独立的结构解析训练，可增强学生对谱学数据与结构、电性间的逻辑相关性的理解与掌握。在知行合一学习方法的指导下，笔者以增强学生对波谱解析相关理论知识的理解能力及应用实践能力为教学重点，在理论授课过程中融合实验教学手段，探索结合实验教学的波谱解析授课模式。

图1 药物波谱解析课程教学模式

3.1 有限教学时数中合理融入实验内容

药学专业学科交叉的特性，使得学生需学习大量基础课程和专业课程，药物波谱解析作为专业基础课，课时数相对偏少，仅为32学时。而紫外、红外、核磁及质谱相关的理论知识相辅相成，并在结构确证中互为佐证，缺一不可。在紧张的理论授课过程中，教师若要融入实验内容，需对课时安排进行合理规划。笔者根据四大波谱知识特点及其在实践应用中的重要性，分配紫外2学时，红外2学时，核磁共振12学时，质谱8学时，综合解析8学时，综合解析部分仍以核磁共振谱解析为主。鉴于教学时数的限制以及该课程作为理论课程的界定，配样、采集数据、图谱处理及解析等实验操作环节，学生需以课外作业的形式完成，课堂时间仅用于解析结果的讨论。值得一提的是，由于学生收集的谱图数据包括紫外、红外、核磁及质谱，四部分数据完整且谱图分辨率高，因此，解析结果的讨论适合作为综合解析的素材在综合解析授课部分完成。

3.2 化合物结构中的共轭、诱导等效应对谱图数据的影响

在波谱解析理论授课中融入实验内容的目的在于使学生通过动手操作，对理论知识有更为直观、感性的理解与掌握。而理论知识的难点除却各类光谱的基本原理外，更为重要的是“影响谱学数据的各类结构因素”。共轭效用、诱导效应贯穿紫外、红外、核磁共振谱三个章节，是影响化合物紫外、红外、核磁共振谱数据的核心结构因素。因此，教师选取代表性化合物，充分展示共轭及诱导效应对化合物谱学数据的影响，是关乎实验效果的核心问题。

笔者选择二取代苯环为实验对象，其中一个取代基选择烷氧基等供电性基团，另一个取代基选择三氟甲基、醛基、酯基、α,β-不饱和酯基等吸电性基团，两个取代基的位置包括邻位、间位、对位三类(图2)。笔者选取该类结构类型的依据在于：①芳香环是药物结构中常见官能团；②邻、间、对三类不同取代类型对质子化学位移、峰型的影响，有助于学生理解化学等价及磁等价的概念；③不同吸电性取代基的对比，可帮助学生理解诱导效应对化合物紫外、红外及核磁共振谱的影响；④烷氧基与醛酮基对化合物核磁数据的不同影响，可帮助学生了解共轭效应对光谱数据的影响；⑤芳香α,β-不饱和酯基化合物的对比，可帮助学生理解-共轭效应对三类光谱数据的影响；⑥烷基、烯烃基与芳香环质子化学位移的对比，可帮助学生理解因不同杂化造成的各向异性对质子化学位移的影响；⑦最重要的一点：该系列化合物易于购买，纯度可靠。

图2 波谱解析实验中部分化合物结构

3.3 合理安排实验流程

波谱解析实验课相较于其他药学专业实验课，难点在于结构解析，即逻辑推理部分。课程要求学生动手操作的部分，包括测试样品的制备、仪器操作及数据收集等，其难度较小，耗时不多，且易激发学生的好奇心及积极性，教师可引导学生充分利用课余时间完成。授课教师需对班级学生进行分组(一般4～5人/组)在实验伊始即选定代表性化合物，每组选定一个化合物，组内学生按照授课进度，逐步完成紫外、红外、氢碳谱及质谱的收集、解析工作。在“综合解析”授课过程中，学生以作业方式提交教师评阅。教师应鼓励学生在完成本组指定作业后，组间进行数据对比，并就组间数据及结构的差异性进行思考讨论。授课教师在评阅作业后，选取两组学生进行课堂展示，同时就作业评阅中发现的共性问题涉及知识点做进一步深入讲解。课堂上教师可引导学生就相似结构进行数据对比，进一步解释强调共轭、诱导等因素对四大光谱的影响规律。

这一授课模式，实验内容既不占用课堂学时，又为综合解析提供了丰富、高分辨率的谱图实例。需要说明的是，上述实验涉及各类仪器在高等院校普及度高，而紫外及红外等较为简单的仪器多由学生经培训后独立操作。随着自动匀场技术的发展，部分院校甚至能实现核磁共振谱的学生独立采集。仪器配套方面的快速发展为波谱解析实验的开展提供了保障。

3.4 教学效果分析

通过上述实验内容的训练，学生在波谱解析相关理论与实践方面的能力都得到了显著提升。课程伊始，笔者对学生进行了随机调查，约一半学生认为药物波谱解析主要解决实践性问题，另一半学生认为该课程主要解决理论性问题；接受问询的学生中，1/2学生表示暂时不清楚学习该门课程的意义。但在课程结束后，被随机调查的学生普遍认为药物波谱解析是理论学习指导实践应用的学科，并深刻认识到相关知识对今后从事药学相关科研、生产活动的重要性。这反映出，这种理论结合实验的教学方法，可使学生认识到课堂理论在实践应用中的重要性，为其今后通过自主学习提升实践能力奠定了良好的基础。

结合实验的教学方法，也提升了学生对波谱解析相关理论知识的掌握程度及综合利用各类谱学数据对未知化合物进行结构解析的能力。以期末考试成绩为例，笔者选取实验内容开展班级前后各一学年的试卷卷面成绩进行对比分析，首先通过班级平均成绩的归一化处理，以排除各年度因考试题目难易程度不同引起的系统误差，然后对归一化后成绩进行对比分析。笔者发现，引入实验内容后，成绩优良人数显著提升。卷面成绩优秀(90～100分)学生比例从引入实验内容前的1%提升至5%；成绩良好(80～89分)学生比例从引入实验内容前的12%提升至23%。上述数据充分说明，实验内容的引入激发了学生的学习积极性，提高了学生对相关理论知识的理解、掌握和灵活应用。

3.5 结合波谱解析实验巩固学生谱学基础

药物化学实验课程一般被安排在药物波谱解析课程后一学期，该课程内容涉及几种常见药物的合成及结构解析，其既是对波谱解析实验教学效果的考验，又能巩固波谱解析实验教学效果，可进一步增强学生的谱图解析能力。作为药物波谱解析课程的主讲教师，笔者同时参与药物化学实验课程的授课工作，因而能利用该实验课程中的结构解析机会，指导学生针对化合物结构解析进行实战演练。该药化实验课程内容涉及的化合物有阿司匹林、磺胺醋酰、尼莫地平等(图3)，均含有多取代苯环结构，其与波谱实验课内容相互呼应，有助于波谱实验效果的升华。

图3 药化合成实验课中部分化合物结构

4 总结

针对药物波谱解析课程内容抽象且理论性强、需记忆数据量大、逻辑推理能力要求高的特点，还有学生不易理解、学习兴趣低、教学时数短等影响教学效果的因素，笔者在理论授课中融入实验内容，辅助学生对抽象概念及原理的理解，促进学生在理解的基础上记忆各类特征谱学数据。教师课前选定拟测化合物，课下指导学生分组、配合理论授课进度完成四大光谱数据采集，学生课下独立完成解析作业，教师课上统一讲解(图4)。这种理论与实验相结合的教学尝试，提高了学生学习积极性及学习效率，学生对波谱解析的基本原理有了更为深刻的理解，学生综合利用四大光谱进行简单未知结构化合物结构解析的能力得以提升，这为他们今后的学习及应用研究打下一定基础。

图4 “药物波谱解析”实验流程