OBE教学理念下波谱分析课程教学改革的思考与实践

来源：论文查重 时间：2020-01-05 21:07:29

摘要： 波谱分析作为应用化学专业的一门专业基础课，在学生毕业论文环节中起着重要的作用。基于成果导向教育 (OBE)的教育理念，以我院应用化学专业学生在毕业论文环节的实际解谱需要为出发点，通过合理安排教学内容、 改进课堂教学方式和建立有效的评价体系，对波谱分析课程进行初步改革探索，注重培养学生解析谱图的能力，提 高课程的实用性。
关键词： 波谱分析；成果导向教育(OBE)；教学改革
波谱分析法具有样品用量少、分析速度快、结果准确、可提供丰富结构信息等特点，已成为化 合物结构测定和成分分析的可靠手段，尤其在复杂有机化合物结构分析方面具有传统方法不可比拟 的优势[1]。目前，波谱分析法被广泛应用到化学、生物、医药等科学研究领域，也迅速渗透到工业、 农业、商业等各个部门，在国民经济发展中起到了非常重要的作用。因此，波谱分析法是化学及相 关领域工作人员必须掌握的基本知识和基本技能[2]。
内蒙古工业大学化工学院为应用化学专业本科学生开设了波谱分析课程，培养学生综合运用多 种谱图解析未知有机化合物结构的能力，在毕业论文环节发挥着重要作用。我们在近年来的教学实 践中发现，现有的波谱分析教学已经不能完全满足学生在毕业论文环节的需要，应该整合现有的教 学资源对该课程进行改革。
OBE 是成果导向教育(outcome-based education)的简称，亦称能力导向教育、目标导向教育或需求导向教育，是目前全球公认的一种先进的教育理念[3]。 OBE 教育理念关注最终的学习产出，即学 生通过某一阶段学习后所能得到的知识和能力[4]。波谱分析课程教学应该使学生获得以下三个方面 的学习成果： (1) 掌握波谱法的基础知识； (2) 知悉样品测试方法和要求，能正确使用相关仪器测试 样品并得到合格数据； (3) 学会识谱和解谱，即能够通过分析谱图获得化合物结构信息并最终推测 出正确的分子结构。以取得上述学习成果为目标，针对本科毕业论文环节出现的问题和实际解谱需 要，我们对该课程进行了初步改革实践，以期提高学生使用波谱法分析问题、解决问题的综合能力， 赋予课程更高的实用性。
1 毕业论文环节出现的问题
内蒙古工业大学化工学院本科生的毕业论文题目大多来自教师的研究课题或者工厂的实际问 题，分析检测都是其中必不可少的重要环节，产物结构确定、性能研究、混合物成分及含量分析等 都要使用波谱分析方法。近年来，毕业论文环节出现了以下几个比较突出的问题：
(1) 对于已经学过的波谱法，还是不会解谱。例如，红外光谱中找不到特征官能团；不认识拉曼 光谱；不能给核磁谱中的峰正确归属；质谱(EI 源)没有分子离子峰时，不识分子碎片。这一方面可 能是因为学生对基础知识掌握的还不够牢固，另一方面是因为实际谱图比书本上的典型谱图更加复 杂多变，学生实际谱图见得少，解谱练习还做的不够。
(2) 课题所用的波谱法没学过，使用时需要指导教师从零教起。目前的波谱分析课程内容包括 紫外光谱、红外光谱(包括拉曼光谱)、核磁共振谱和质谱，而实际中还会用到 X 射线单晶衍射光谱、 电化学分析仪、 X 射线光电子能谱(XPS)和 X 射线衍射(XRD)等，这些方法在课程中都没有涉及。
(3) 不会使用相关化学软件。最常用的 Chemdraw 软件都没有学过，学生连最基本的化学式都不 会画；而 Origin 和 MestReNova 等软件更是不会，不能对紫外、红外和核磁等数据进行分析处理。
2 改革内容与实践
2.1 合理安排教学内容
应用化学专业学生在毕业论文中经常使用的波谱分析方法有红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱 和色谱-质谱联用(气质联用和液质联用)、荧光光谱、 X 射线光电子能谱(XPS)、 X 射线衍射(XRD)和 扫描电镜等，其中最常用的还是红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱和色谱-质谱联用。
(1) 考虑到学习本课程本科生的知识水平和后期毕业论文环节的需要，波谱分析课程主要内容 仍然是紫外光谱、红外光谱、核磁共振光谱和质谱，并将培养四大光谱的解析能力作为课程的最终 目标。本课程采用邓芹英等编著的《波谱分析教程》 (第 2 版)作为教材(21 世纪高等院校教材)，同时 将《有机化合物波谱解析》 (Robert M. Silverstein 等编)和《有机化合物结构鉴定与有机波谱学》 (宁 永成编)等实用性强的经典书籍作为参考书目，辅助图谱解析。在毕业论文环节中，红外光谱和紫外 光谱已经成为实验室的常规检测手段，但它们能够提供的结构信息有限，在化合物的结构鉴定中只 是起到辅助作用，应用最多的是核磁共振谱和质谱，因此我们适当加大了核磁共振谱和质谱在本课 程中的学时数。
(2) 针对学生普遍反映的波谱分析基本原理抽象且难理解的问题，在章节内容中尽量简化理论 和公式推导部分，重点学习图谱与化合物结构的关系，学会识谱和解谱[5]。利用表格的方式总结结 构与波谱的关系，方便学生记忆和查找。例如官能团–红外光谱波数关系表、化学位移–质子类型–耦 合常数关系表、质荷比–分子碎片关系表和常见溶剂化学位移表等[6]。
(3) 在学习不同谱图时加入常用化学软件的相关内容，使学生会对相应的红外光谱、紫外光谱 和核磁共振谱等数据进行处理。例如，学习红外和紫外光谱时，介绍 Origin 软件的使用，教会学生 如何用原始数据作图并读出峰的位置和强度；学习核磁共振谱时介绍 MestReNova 和 ChemOffice 软 件，使学生能用 MestReNova 进行 TMS 校准、峰位标注、峰面积积分；同时会使用 Chemdraw 的核磁预测功能来辅助解谱[7]。
(4) 教学内容尽量与时俱进和联系实际。详细讲授经典四大波谱方法的同时也介绍现代波谱技 术发展的新成果。谱图的解析除了学习书上的经典谱图之外，更重要的是解析来自较新文献和学院 教师自己科研成果中的谱图。由于波谱分析课程通常开设在大学四年级的上学期，学生已经选定了 毕业论文的导师，所以也可以用自己导师的谱图来进行分析，这样就可以提前练习，为毕业论文工 作做准备。安排现代仪器分析讲座(包含参观大型仪器分析测试中心)，让学生了解除这四大光谱法 之外的其他常用波谱分析方法。
(5) 增加样品测试和仪器使用的相关内容和实验。设置红外光谱和紫外光谱实验，由学生亲自 完成样品的制备–测试–作图–解谱全过程，增加其动手能力。核磁共振谱和质谱通常有专人负责，学 生不能自己操作，可由专门负责仪器的教师对样品测试过程进行讲解和演示，学生对所得谱图进行 解析。在实际的核磁共振和质谱测试中，学生主要的工作是制样，核磁实验重点学习样品要求、用 量、溶剂选择等；质谱实验主要学习气质和液质样品的制备方法及测试条件选择等。
2.2 改进课堂教学方式
传统的讲授式教学难以满足现代学生对上课的期望和要求。现在我们所面对的大学生都是 95 后 和 00 后，他们生活在一个信息丰富而又获取方便的时代，简单的教师+板书+PPT 的灌输式教学已 经引不起他们的兴趣。在实际教学中，对于不同的教学内容可综合运用讲授式、讨论式、研究式、 翻转式等多种教学模式来激发学生的学习兴趣。
(1) 基本原理方面。紫外和红外光谱章节中有部分知识是学生之前在仪器分析和有机化学课中 学习过的，因此可以安排翻转课堂，由学生备课讲课，促使他们更深入地学习相关内容，课后由教 师总结，针对不足之处进行补充。核磁和质谱的基本原理比较抽象复杂，主要由教师讲授。将比较 枯燥的概念和原理，如红外振动方式、拉莫尔进动、屏蔽和去屏蔽效应、弛豫过程等，用 Flash 动画 的形式展现，便于学生理解。
(2) 仪器结构方面。由于仪器结构复杂，传统的图片缺乏立体感，学生很难对仪器构造有直观的 认识。利用网络上制作精良的动画和模型，多角度、立体式地展示仪器的工作原理和过程，生动又 直观，对学生很有吸引力。
(3) 谱图解析方面。识谱和解谱是本课程最重要的内容，练习是学好谱图解析最有效的方法。首 先，教师利用 PPT 将结构–谱图的关系进行梳理，传授解谱技巧，安排专门的习题课练习解谱。针对 实际谱图不会解的问题，向本科毕业论文导师收集相关谱图，例如，二茂铁咪唑衍生物的红外光谱 和核磁共振谱、催化环己烯氧化产物的气相色谱-质谱联用谱图、卟啉及其金属配合物紫外光谱等等， 安排学生分组讨论并将解谱结果做成 PPT 在班级讲解，通过解决实际问题，让学生找到学以致用的 成就感，提高学习兴趣的同时也为将来的毕业论文做准备。
(4) 现代大型分析仪器方面。内蒙古工业大学化工学院大型仪器分析测试中心拥有众多先进的 大型仪器设备，例如：红外光谱仪(Nicolet Nexus 670)、紫外光谱仪(Shimadzu UV-310PC)，核磁共振 波谱仪(Agilent 500 MHz)、质谱仪(液质联用 Shimadzu LCMS-2020、气质联用 ThermoFisher Polaris Q)、 X 射线单晶衍射仪(Bruker D8 Venture)、元素分析仪(Elementar Varioel III)、电化学综合测定仪 (CHI-760C)、激光拉曼光谱仪(RENISHAW inVia Microscope Raman)、 X 射线光电子能谱仪(XPS， ESCALAB 250Xi)、 X 射线衍射仪(XRD， SmartLab 9kW)等。带领学生参观测试中心，邀请相关负责 教师进行仪器讲座，介绍毕业论文中常会用到的 XPS、 XRD 及电化学等分析测试方法和谱图，扩展 学生的知识面。让学生就自己感兴趣的仪器方法查阅文献，写成“小论文”，培养学生查阅资料和 归纳总结的能力，使学生不再局限于一本教材的知识，了解专业前沿，具有一定的研究能力，为后 续的毕业论文环节打下基础[6]。
(5) 课外学习，拓展知识，引导学生充分利用网络资源。介绍免费波谱查询和习题网站，方便学 生进行谱图检索和解谱练习[1,5]。互联网上丰富的云课堂、慕课也为学生提供了更多的学习机会和更灵活的学习时间。介绍给学生一些分析测试的微信公众号，它们会推送现代仪器最新发展情况和分 析测试中的常见问题及解决方案，在公众号中也可以方便地与他人进行交流和学习。
2.3 建立有效的评价体系
合理有效的评价体系可以对教学成果进行检验，促进教学过程的实施。要建立分阶段、多形式 的考核体系[8]。 (1) 针对每章的基础知识进行分章测试，主要考查基本概念、结构与谱图关系、识谱。 考试形式为闭卷，可以更好地督促学生掌握基础知识，教师可以根据考试结果及时查漏补缺。 (2) 小 论文。学生自由选题，自己查阅文献，写出2000字左右的综述性论文，要求包含一定的波谱学科前 沿内容，复制比小于30%。 (3) 设置紫外光谱和红外光谱的实验考试。取学生有机化学实验中的产品 做鉴定，考查学生的测样能力，样品抽签，以正确操作仪器得到合格谱图为标准并上交完整的实验 报告。 (4) 期末考试考查综合解谱能力。期末考试为开卷考试，由4–5道有一定难度的综合解谱大题 组成，以能充分分析谱图得到化合物结构信息并正确推出分子结构为评判标准。期末考试选用多套 试题，以抽签或 AB 卷的方式分发考题，以避免出现抄袭现象。最后的总成绩，以期末成绩50%，平 时测验成绩20%，小论文10%，实验报告20%来进行计算。在这样的考核模式下，学生只靠期末考试 成绩是很难合格的，可有效避免平时不学，期末突击应付考试的情况。
3 效果与思考
本教学改革从 13 级应用化学专业学生开始进行探索性实践，在 14 级学生中初步成型。虽然只 有两届的实践经验，但是已经取得了良好的教学效果。课堂上，学生学习积极，考试成绩有所提高。 在毕业论文环节中，学生表示课堂上学过谱图，可以独立解谱；指导教师反馈学生动手能力和解谱 能力有所提高，对四大光谱之外的其他谱学方法接受和学习也比以往更容易。接下来，我们计划针 对已经毕业的学生和用人单位进行问卷调查，收集毕业之后波谱分析的应用情况和课程改进意见， 持续改革，提高课程实用性，更好地为学生将来的学习和工作服务。
4 结语
在 OBE 教育理念指导下，波谱分析教学改革针对毕业论文环节的解谱需要，通过调整教学内 容、丰富教学方式和改变考核方式来激发学生的积极性和创造性，使学生在实践中掌握和提高波谱 分析技能。能够利用波谱分析法对未知化合物进行结构测定和分析，在导师指导下独立完成毕业论 文环节所涉及的解谱工作。

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