新模式下的核磁共振實驗教學探索和提升

丁飛，張翠，邱曉航,*

1南開大學化學學院，化學國家級實驗教學示范中心(南開大學)，天津 300071

2南開大學材料科學與工程學院，天津 300071

核磁共振波譜儀是化學、生物學、藥學、材料學等諸多學科必備的分析測試工具，在化合物結構鑒定、動力學研究等方面往往具有不可替代的作用。核磁共振波譜技術是高等院校化學實驗教學的重要內容，在各種層次的實驗項目中扮演了重要角色[1–7]，但由于儀器昂貴、技術更新等原因，實驗教學中多采取做樣品、取數據的模式，學生不能真正掌握波譜技術，對儀器也很難有深入的了解。隨著互聯網技術的進步，現代教學手段為實驗教學注入了新的活力，為改善實驗教學效果提供了技術保障。南開大學化學學院自2002年起使用超導脈沖傅里葉變換核磁(Varian Mercury Vx-300)在本科生儀器分析實驗中開設核磁共振波譜實驗項目，讓本科階段的學生有機會接觸到最先進的核磁共振技術，近年來又通過更新實驗內容、引入信息技術手段、增加多元化學習等有效教學方法對實驗項目進行了優化，提高了教學要求，教學效果得到提升。

1 傳統教學中存在的問題

1.1 實驗教學模式造成的問題。

核磁共振波譜是儀器分析課程中的一個實驗項目。在儀器分析課程中，基于大型儀器的特點，采取學生循環分組的形式進行教學，每節課一組共四名學生，教學時長4學時。這種模式造成的直接后果是理論課與實驗課不同步，很多學生在進行實驗時，缺乏基礎知識鋪墊，導致理解困難。所以很多儀器分析課程中，教師在課上進行理論講解，占用了較多課時，大大限制了學生的操作時間。另一方面，學生在短時間內很難完全吸收并掌握實驗教師的指導內容，實驗后又缺乏繼續討論的平臺，實驗過后無法留下深刻印象。長期的結果是學生不重視儀器分析實驗，做實驗走馬觀花，按照指示簡單完成操作，只求實驗數據；對儀器原理掌握不牢，不能建立理論與實際應用的關聯；更談不上用課堂知識解決實際問題。而授課教師面對不同組別的學生，多次重復授課內容，容易產生倦怠感，影響教學效果。

1.2 由儀器造成的問題

核磁共振技術涉及物理、數學、化學等多學科的眾多知識點，自20世紀70年代以來經過多次技術升級，如引入高磁感應強度的磁體，使用計算機技術對數據進行傅里葉變換，探頭技術也在不停革新，出現了眾多功能各異的探頭，學習難度和深度遠超一般的分析儀器。另外作為大型儀器，價值昂貴數量少，每組學生只能輪流操作，本不充足的課時更加捉襟見肘；大型儀器非常精密，部分零部件較易損壞，對學生開放的操作較少[8–13]。

2 基于教育信息化技術的課程設計

我國《教育信息化十年發展規劃(2011–2020年)》指出：“教育信息化的發展要以優質的教育資源和信息化學習環境建設為基礎，以教育理念的創新為先導，以教育模式和學習方式的創新為核心”。隨著教育信息化的普及，實驗課程改革迎來新的契機[14–19]。針對傳統課堂產生的問題，重新設計實驗項目，探索網絡時代教學的新模式。

2.1 準確定位教學目標，精心組織教學內容

核磁共振波譜實驗面向化學專業高年級學生開設，通過該項目學習，學生應掌握核磁共振原理，初步掌握核磁共振波譜儀的使用，并能正確解析波譜信息。此外，學生還能通過了解儀器的更新過程體會到科技創新的趨勢，建立創新學習、終身學習的理念。在與理論課任課教師溝通和對學生進行調研的基礎上，發現理論課講解偏重基本理論和應用，學生可以較好地掌握屏蔽常數、化學位移、偶合等基礎知識，但對與超導核磁技術關系緊密的采樣過程、脈沖相關知識、異核耦合、馳豫等概念理解不深，如氘代試劑殘余氫的出峰由于涉及氘-氫的耦合，裂分并不符合n + 1規則，90°脈沖及脈沖序列的概念理論課較少涉及，學生普遍反映不太了解。對核磁共振實驗教學中重要的知識點進行梳理后(圖1)，在實驗知識點設計方面注意與理論課無縫對接，既彌補基本理論的不足，又側重對超導核磁共振技術的理解，同時各個環節相互滲透，前后呼應，使教學各環節形成有機的整體。在原有教學內容的基礎上，補充了科學前沿應用，保證實驗有足夠“營養”。

圖1 核磁共振實驗教學流程圖及主要知識點

2.2 合理規劃教學過程，提高課程挑戰度

實驗教學分為課前預習、課上理論講解、實驗操作、翻轉教學和課后討論反饋五個環節。利用信息技術將預習內容圖文并茂地呈現出來，采取線上課堂的形式布置給學生，要求學生在課前做好實驗前的知識準備。這相當于把學生的學習時間拓展到課前，無疑提高了學生的學習難度，卻可保證課上有足夠多的操作時間，改善學生的操作體驗。課堂教學中，因為學生預習效果好，可采取翻轉課堂的方式激發學生的主動性，課后討論也更有針對性和實效性。

2.3 充分運用信息技術，增強課程創新性

信息技術為實驗預習提供了平臺。°傳統教學模式中，很多學生在預習時，只是機械抄寫實驗講義，達不到預習的效果。我們將預習資料做成圖文并茂的PPT課件，還配有語音講解和錄制的實驗小視頻，這些材料上傳至課程在線平臺，輔助微信群等社交軟件答疑解惑，學生可以充分完成課前準備。

課堂教學也不再是教師灌輸式講解。課堂采取雨課堂等教學工具檢查學生的預習效果，做好查漏補缺。對預習中共性問題給予重點解讀，提高了課堂講解的針對性。

2.4 翻轉課堂教學模式，體現課程高階性

在課堂講解和實驗操作結束后，學生結合充分的預習對儀器有了較為深入的理解，此時利用課堂結束前的時間進行課堂翻轉，進行討論反饋，可以起到更好的作用。此時拋出科研中的實例，讓學生分析討論，一方面檢驗學習效果，同時可以充分調動學生的學習熱情，激發學生持續學習的欲望。

3 互聯網新模式的課程實踐

3.1 考核預習效果，提高預習效率

為保證預習效果，在預習材料中包含習題與測試。課件的預習和習題的完成體現為部分實驗課成績。這種方式可以吸引學生自主學習，提高預習質量；同時督促學生重視實驗預習環節，為課堂教學做好充足準備。學生在預習過程中產生的疑問可以隨時通過社交軟件提出，由任課教師及時進行解答，原本點對點的單線答疑方式變更為點對面的多線方式，一個疑問的解答可以惠及整個課程群中所有的學生，其他同學在提問獲得解答的過程中也能加深對相關知識點的理解，帶動整體預習水平的提高。

3.2 課上講解因材施教，增強教學創造性

有了好的預習效果，有效節省了課堂講解時間。課上教師可以根據不同學生的預習情況，有針對性地進行知識講解，對學生提出的問題進行個性化討論。教師可以有的放矢地把知識點加深擴展，細節講好講透。例如圖1中現代核磁理論的傅里葉變換、脈沖及脈沖序列、弛豫時間及其應用等內容，這些知識有一定的深度和難度，在原來的講解過程中基本不會涉及，或者只是簡單介紹，遠遠不能滿足學生對現代核磁共振技術深層次的學習需求。在學生充分預習，且課堂時間充裕的情況下，授課教師需要根據學生的個性化反饋，列舉合適的例子加以說明，做到因材施教，發揮的空間較大。由于避免了重復性講解，教師的創造性也得到激發，保持了授課熱情。

3.3 操作訓練以人為本，激發學習主動性

作為一門實驗類課程，一個重要環節是學生動手實操，這也是學生最為感興趣的部分。尤其是對核磁共振這種大型儀器，價格昂貴，大部分本科生日常很難有機會接觸。在新模式下，學生獲得了更多的實驗操作時間，因此實驗操作部分可以進一步充實。

傳統模式的核磁共振波譜實驗中，由于時間限制，由學生進行的操作只有使用“自動勻場”和“自動鎖場”功能將磁場調節均勻，隨后進行數據的采集和處理。這樣操作簡單乏味，對學生毫無吸引力，也無法體現獲得核磁共振波譜的全過程。新模式下，我們將調諧、90°脈寬測定等超導核磁日常維護的基本操作納入學生操作范圍，每組四名學生輪流進行實驗操作，均包括進樣、自動勻場鎖場、90°脈寬測定、數據采集、譜圖處理打印等部分。自動調諧過程較短，且過多的調諧次數可能損壞探頭中的電機，經與工程師溝通后確認可以承受每次實驗課有一次調諧操作，因此該環節只由第一名同學操作并演示。90°脈寬測定雖對實驗結果沒有直接影響，但對理解磁化矢量和脈沖序列有非常好的作用。學生通過實際操作，全面了解做好一個核磁共振譜圖所必須的一些基本流程，同時對其中蘊含的共振頻率、磁化矢量、脈沖序列等概念有更加深入的了解，理清“實驗操作”與“儀器原理”之間的關系，充分發揮出實驗教學的作用。

經過調整后，4個學時的實驗課堂時間分配發生了積極的變化，講授部分由90分鐘縮減到了一個小時以內，學生實驗操作部分由不到一小時擴展為90分鐘左右，操作的同時授課教師對采樣時間、累加次數、脈沖間隔、譜寬設置、中心頻率、增益調整、勻場算法等參數進行講解，同時引導學生修改部分參數進行體驗，更加貼近實戰。剩余約40分鐘的時間供師生交流。

3.4 課堂翻轉即時評測，教學效果有效延伸

學生實際操作之后，對于相關知識已經有了具體感性的認識。在此基礎上，采取課堂翻轉的形式讓學生走上講臺，學生講解核磁共振信號產生的基本過程，畫出磁化矢量翻轉角度和出峰的對應關系，或針對一些關鍵知識點提出問題，學生互相討論并進行解答，如分析氘代丙酮在氫譜和碳譜中溶劑峰的裂分；討論弛豫時間測定實驗中磁化矢量的變化；實際測試中一維實驗普遍采用30°或45°脈寬激發樣品，而實驗中增加了90°脈寬測定內容，分析討論90°脈寬對不同實驗的影響，為何引入該部分操作；選擇不同脈寬時考慮脈沖間隔時間的修改以保證定量準確性；討論各類核磁共振實驗需要關注的重要參數等，進一步調動學生的情緒，鍛煉學生的團結協作和表達能力，對所學知識進行總結和梳理，深化課堂教學效果，即時進行鞏固。

3.5 實驗報告總結反思，結合科研深度學習

實驗課程的最后一個環節是整理完成實驗報告。為了提高學習的高階性，除了根據實驗所得的樣品氫譜進行化合物含量的計算，同時把樣品的碳譜數據交給學生，要求學生結合碳譜數據對化合物進行完全的歸屬，并練習用規范的科研寫作方式對實驗結果進行表述。通過對化合物氫譜和碳譜的比較，學生對耗時長、操作更復雜的碳譜也有了初步的了解。為了進一步加深學生對核磁共振波譜儀的認識，在課程平臺上提供核磁共振在實際科研工作中的運用實例，供學生課后深度學習，達到鍛煉科學思維、理論聯系實際、學以致用的目的。

4 結語

互聯網改變著人們的生活，也改變著高等教育的模式。在信息技術的支持下，實驗教學的過程可以更加合理，課程內容更加充實，課堂氛圍更加活躍。學生的學習不再局限于規定課時內，學生必須付出更多的精力，學到的知識也更加牢固。新模式提高了課程的挑戰度，卻滿足了學生對新技術、大儀器的好奇心，帶給他們深度學習的獲得感和成就感，學習效果有了明顯提升。