波譜分析教學中合理利用網絡資源的思考和實踐

王楠楠　余金山　程海峰　劉東青　湯丹

摘要：近年來網絡資源不斷豐富，將熱點新聞、影視資料、數據庫、商業軟件、網絡教學、科普性資源等合理用于波譜分析教學，有助于吸引學生注意力、提高學習興趣、促進自學能力、開闊科研視野以及提高工程實踐能力。關鍵詞：波譜分析教學；網絡資源；合理利用中圖分類號：G642.0

文獻標志碼：A

文章編號：1674-9324（2018）20-0142-02 波譜分析是基于物質與電磁輻射相互作用時，物質發生能級躍遷而產生的發射、吸收或散射電磁波信號進行分析的一類分析方法[1]，包括紫外可見光譜、近紅外光譜、紅外光譜、拉曼光譜和核磁共振波譜等。課程內容方面，既要講述各種波譜的原理、譜圖解析，又要介紹測試技術，是一門理論與實驗相結合的課程[2]。涉及的學科方面，是一門研究光、電、磁和物質相互作用及應用的課程，體現了物理學基本理論、實驗方法與化學等學科的有機融合，與高新技術如超導、激光、信息處理等領域的研究前沿緊密相關。如何在有限的教學時間內實現較好的教學效果，是課程建設中的重要問題。近年來互聯網技術飛速發展，網絡資源不斷豐富，將相關網絡資源用于波譜分析教學，有助于吸引學生注意力、提高學習興趣、促進自學能力、開闊科研視野以及提高工程實踐能力。一、在課程建設中應用網絡資源的思路和實例1.熱點新聞、影視資料。波譜分析技術在食品安全、軍事探測、醫療檢測、文物鑒定等領域有著廣泛的應用，緒論中通過熱點新聞、影視資料等引出相關的波譜分析方法，以提高學生對課程的學習興趣；課程內容學習完畢后，結合熱點新聞、影視資料等，介紹波譜分析在相關工程技術領域的具體應用，在鞏固課程內容的基礎上開闊學生的科研與工程視野。例如，核磁共振成像是一種重要的醫療檢測手段（獲得了2003年諾貝爾生理和醫學獎），其檢測對象是不同組織中H原子核在強磁場中的共振行為，與核磁共振波譜的原理是一致的。又如，通過“鉆石恒久遠，一顆永流傳”這一膾炙人口的廣告語，引出拉曼光譜是散射光譜，具有無損檢測的優勢，廣泛地用于珠寶、文物等真偽鑒定，加深學生對拉曼分析方法的印象[3]。再如，結合權威學術機構如“Nature”期刊每年評選出的年度科學進展，介紹波譜分析技術在這些科學進展中所起的作用。2.數據庫資源。數據庫為譜圖解析帶來了極大便利。以紅外光譜為例，約20年前，測得未知物的紅外光譜后，學生需根據吸收峰與基團的對應關系進行譜圖解析，推測未知物可能的結構，再到圖書館采用紙版薩特勒（Sadtler）標準譜圖庫進行檢索以確認解析結果，整個過程耗時較長。近些年，賽默飛士爾（Thermo Fisher Scientific）、鉑金埃爾默（Perkin Elmer）、布魯克（Bruke）等紅外光譜儀的主要生產廠家均建立了與軟件配合的紅外光譜數據庫。測得未知物的紅外光譜后，可采用軟件的檢索功能迅速地在數據庫中檢索出匹配的譜圖，得到匹配系數，再參考檢索結果確認未知物結構，極大地提高了譜圖解析效率。一些開放的網絡數據庫，如“SDBS：NIMC有機物譜圖庫”可通過分子式檢索有機物譜圖，包括質譜、核磁共振碳譜、核磁共振氫譜、紅外光譜、拉曼光譜、順磁共振譜等[4]；又如，“NMRShiftDB”數據庫提供根據核磁共振譜圖檢索化合物結構的功能，并可預測有機物的核磁共振譜圖。3.商業軟件。有些公司推出了波譜分析相關的專業軟件，最為著名的是伯樂生命醫學（Bio-Rad）公司推出的KnowItAll軟件，其支持多種譜圖解析，能夠進行紅外、核磁共振、質譜、拉曼、近紅外和紫外可見等譜圖的平滑、基線校正、運算等處理和檢索，還提供混合物分析、譜圖綜合分析等功能。該公司設計有學生免費試用版軟件，學生通過學校的Email地址可以在Bio-Rad公司網站上下載免費試用版軟件，具有繪制化學結構、官能團解析、Sadtler綠皮書電子版、化學結構對稱性分析、部分化合物的波譜數據庫等功能。4.網絡教學資源。隨著互聯網技術飛速發展，部分高校推出了波譜分析相關的網絡教學資源，可對相關資源進行篩選、鑒別，將優秀的網絡教學資源推薦給學生。例如，英國皇家化學學會（Royal Society of Chemistry，RSC）制作了現代儀器技術（Modern Instrumental Techniques for Schools and Colleges）系列視頻，包括紫外可見光譜、紅外光譜、核磁共振波譜等，每個視頻用約5分鐘的時間簡要介紹該技術的原理和測試方法，視頻的形式能夠給學生直觀的印象。又如，威斯康星大學（University of Wisconsin）化學系的Hans J.Reich教授建立了核磁共振波譜課程網頁，系統地介紹了核磁共振波譜的原理、測量技術、解析方法。5.科普性網絡資源。網絡上相關論壇、微信公眾號中有一些波譜分析領域的科普性知識，比如，課堂上介紹波譜儀器時往往缺少儀器內部工作原理的直觀展示，可以借鑒微信公眾號中采用動圖解析紅外光譜、紫外光譜、核磁共振波譜等儀器的測試原理；又如，傅里葉（Fourier）變換是儀器常用的將干涉信號即時域信號轉變為波譜數據即頻率域信息的數學手段，不是課程的重點，卻是學生理解的難點，可借鑒論壇上采用通俗的語言解釋傅里葉變換，將資源網址提供給學生。科普性網絡資源一般采用幽默的語言，深入淺出地對相關知識進行介紹，在課堂上合理引用有利于學生更好地理解相關知識，同時促進自學意識和自學能力。二、對課程建設的意義1.吸引注意力，提高學習興趣。波譜分析課程中涉及到理論深度較深的原理和譜圖解析等知識，當理論深度較深的課程內容持續時間較長時，學生對于課堂內容的注意力開始下降。在課程教學中，適當地引入熱點新聞、影視資料等信息，可迅速吸引學生的注意力，當這些信息和學生的生活、專業領域息息相關時，能夠有效地提高學習興趣。2.促進自學意識和自學能力。知識處于飛速發展中，自學意識和自學能力對于學生接受新知識的能力、創新能力、科研能力至關重要。波譜分析課程涉及化學、物理、光學、儀器等各學科的知識，課堂上的講授難以做到面面俱到，不同學生對知識的接受程度也不同，網絡教學、科普性網絡資源的介紹能夠為學有余力的同學提供進一步獲取知識的方式和渠道，從而促進學生的自學意識和自學能力。3.開闊科研視野。通過介紹波譜分析在年度科學進展中所起的作用，使學生了解科研前沿，并從材料體系、表征手段、實際應用等方面開闊研究生的科研視野；通過介紹網絡數據庫、試用版商業軟件，使學生知道可以通過網絡數據庫、商業軟件進行研究體系譜圖預測、未知物譜圖檢索，從而在鞏固課程內容的基礎上開闊學生的科研視野。4.提高工程實踐能力。通過熱點新聞和影視資料，給學生留下哪些工程技術領域中會用到波譜分析相關知識的初步印象；通過介紹網絡數據庫和KnowItAll等商業軟件，使學生了解在工程實踐中如何進行譜圖檢索、如何通過波譜技術進行產品質量控制等，以期在學生走上工作崗位后能夠更好地將工程實踐與理論知識建立聯系，學以致用，提高工程實踐能力。三、結語波譜分析在科研、工程中有著廣泛的應用，是化學、材料相關學科的學生需要掌握的基本知識，具有理論與實驗相結合、涉及學科門類多的特點。將相關網絡資源用于波譜分析教學，有助于吸引學生注意力、提高學習興趣、促進自學能力、開闊科研視野以及提高工程實踐能力。另一方面，網絡資源極大豐富，需要利用，但不可濫用，引入過多的網絡資源可能使學生的關注點過于分散。例如，我們在教學中發現，數據庫強大的檢索功能能夠快速檢索出譜圖對應的物質，甚至分析出各譜帶所對應的基團，帶來的問題是學生過于依賴數據庫，對譜圖的敏感度不夠，基礎知識不扎實。如何合理利用網絡資源，需要在教學準備過程中認真思考、去偽存真。參考文獻：[1]鄧芹英，劉嵐，鄧慧敏.波譜分析教程[M].科學出版社，2007.[2]張漢輝.波譜學原理及應用[M].化學工業出版社，2011.[3]王昶.波譜分析技術在寶石鑒定中的應用評述[J].光譜實驗室，2001，18（3）：301-303.[4]馮薇，李菁，牛麗穎.信息技術在儀器分析——波譜解析部分教學中的應用[J].教育教學論壇，2016，（3）：211-212.