新模式下的核磁共振實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索和提升

丁飛，張翠，邱曉航,*

1南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院，化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(南開(kāi)大學(xué))，天津 300071

2南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071

核磁共振波譜儀是化學(xué)、生物學(xué)、藥學(xué)、材料學(xué)等諸多學(xué)科必備的分析測(cè)試工具，在化合物結(jié)構(gòu)鑒定、動(dòng)力學(xué)研究等方面往往具有不可替代的作用。核磁共振波譜技術(shù)是高等院?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要內(nèi)容，在各種層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中扮演了重要角色[1–7]，但由于儀器昂貴、技術(shù)更新等原因，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中多采取做樣品、取數(shù)據(jù)的模式，學(xué)生不能真正掌握波譜技術(shù)，對(duì)儀器也很難有深入的了解。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代教學(xué)手段為實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了新的活力，為改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果提供了技術(shù)保障。南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院自2002年起使用超導(dǎo)脈沖傅里葉變換核磁(Varian Mercury Vx-300)在本科生儀器分析實(shí)驗(yàn)中開(kāi)設(shè)核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓本科階段的學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸到最先進(jìn)的核磁共振技術(shù)，近年來(lái)又通過(guò)更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、引入信息技術(shù)手段、增加多元化學(xué)習(xí)等有效教學(xué)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了優(yōu)化，提高了教學(xué)要求，教學(xué)效果得到提升。

1 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式造成的問(wèn)題。

核磁共振波譜是儀器分析課程中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在儀器分析課程中，基于大型儀器的特點(diǎn)，采取學(xué)生循環(huán)分組的形式進(jìn)行教學(xué)，每節(jié)課一組共四名學(xué)生，教學(xué)時(shí)長(zhǎng)4學(xué)時(shí)。這種模式造成的直接后果是理論課與實(shí)驗(yàn)課不同步，很多學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，缺乏基礎(chǔ)知識(shí)鋪墊，導(dǎo)致理解困難。所以很多儀器分析課程中，教師在課上進(jìn)行理論講解，占用了較多課時(shí)，大大限制了學(xué)生的操作時(shí)間。另一方面，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)很難完全吸收并掌握實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)后又缺乏繼續(xù)討論的平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)過(guò)后無(wú)法留下深刻印象。長(zhǎng)期的結(jié)果是學(xué)生不重視儀器分析實(shí)驗(yàn)，做實(shí)驗(yàn)走馬觀花，按照指示簡(jiǎn)單完成操作，只求實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；對(duì)儀器原理掌握不牢，不能建立理論與實(shí)際應(yīng)用的關(guān)聯(lián)；更談不上用課堂知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。而授課教師面對(duì)不同組別的學(xué)生，多次重復(fù)授課內(nèi)容，容易產(chǎn)生倦怠感，影響教學(xué)效果。

1.2 由儀器造成的問(wèn)題

核磁共振技術(shù)涉及物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科的眾多知識(shí)點(diǎn)，自20世紀(jì)70年代以來(lái)經(jīng)過(guò)多次技術(shù)升級(jí)，如引入高磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁體，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，探頭技術(shù)也在不停革新，出現(xiàn)了眾多功能各異的探頭，學(xué)習(xí)難度和深度遠(yuǎn)超一般的分析儀器。另外作為大型儀器，價(jià)值昂貴數(shù)量少，每組學(xué)生只能輪流操作，本不充足的課時(shí)更加捉襟見(jiàn)肘；大型儀器非常精密，部分零部件較易損壞，對(duì)學(xué)生開(kāi)放的操作較少[8–13]。

2 基于教育信息化技術(shù)的課程設(shè)計(jì)

我國(guó)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011–2020年)》指出：“教育信息化的發(fā)展要以優(yōu)質(zhì)的教育資源和信息化學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)為基礎(chǔ)，以教育理念的創(chuàng)新為先導(dǎo)，以教育模式和學(xué)習(xí)方式的創(chuàng)新為核心”。隨著教育信息化的普及，實(shí)驗(yàn)課程改革迎來(lái)新的契機(jī)[14–19]。針對(duì)傳統(tǒng)課堂產(chǎn)生的問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，探索網(wǎng)絡(luò)時(shí)代教學(xué)的新模式。

2.1 準(zhǔn)確定位教學(xué)目標(biāo)，精心組織教學(xué)內(nèi)容

核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)面向化學(xué)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)，通過(guò)該項(xiàng)目學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)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(xué)生還能通過(guò)了解儀器的更新過(guò)程體會(huì)到科技創(chuàng)新的趨勢(shì)，建立創(chuàng)新學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的理念。在與理論課任課教師溝通和對(duì)學(xué)生進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)理論課講解偏重基本理論和應(yīng)用，學(xué)生可以較好地掌握屏蔽常數(shù)、化學(xué)位移、偶合等基礎(chǔ)知識(shí)，但對(duì)與超導(dǎo)核磁技術(shù)關(guān)系緊密的采樣過(guò)程、脈沖相關(guān)知識(shí)、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(guī)則，90°脈沖及脈沖序列的概念理論課較少涉及，學(xué)生普遍反映不太了解。對(duì)核磁共振實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重要的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理后(圖1)，在實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面注意與理論課無(wú)縫對(duì)接，既彌補(bǔ)基本理論的不足，又側(cè)重對(duì)超導(dǎo)核磁共振技術(shù)的理解，同時(shí)各個(gè)環(huán)節(jié)相互滲透，前后呼應(yīng)，使教學(xué)各環(huán)節(jié)形成有機(jī)的整體。在原有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了科學(xué)前沿應(yīng)用，保證實(shí)驗(yàn)有足夠“營(yíng)養(yǎng)”。

圖1 核磁共振實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程圖及主要知識(shí)點(diǎn)

2.2 合理規(guī)劃教學(xué)過(guò)程，提高課程挑戰(zhàn)度

實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為課前預(yù)習(xí)、課上理論講解、實(shí)驗(yàn)操作、翻轉(zhuǎn)教學(xué)和課后討論反饋五個(gè)環(huán)節(jié)。利用信息技術(shù)將預(yù)習(xí)內(nèi)容圖文并茂地呈現(xiàn)出來(lái)，采取線上課堂的形式布置給學(xué)生，要求學(xué)生在課前做好實(shí)驗(yàn)前的知識(shí)準(zhǔn)備。這相當(dāng)于把學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間拓展到課前，無(wú)疑提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，卻可保證課上有足夠多的操作時(shí)間，改善學(xué)生的操作體驗(yàn)。課堂教學(xué)中，因?yàn)閷W(xué)生預(yù)習(xí)效果好，可采取翻轉(zhuǎn)課堂的方式激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性，課后討論也更有針對(duì)性和實(shí)效性。

2.3 充分運(yùn)用信息技術(shù)，增強(qiáng)課程創(chuàng)新性

信息技術(shù)為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)提供了平臺(tái)?！銈鹘y(tǒng)教學(xué)模式中，很多學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)，只是機(jī)械抄寫(xiě)實(shí)驗(yàn)講義，達(dá)不到預(yù)習(xí)的效果。我們將預(yù)習(xí)資料做成圖文并茂的PPT課件，還配有語(yǔ)音講解和錄制的實(shí)驗(yàn)小視頻，這些材料上傳至課程在線平臺(tái)，輔助微信群等社交軟件答疑解惑，學(xué)生可以充分完成課前準(zhǔn)備。

課堂教學(xué)也不再是教師灌輸式講解。課堂采取雨課堂等教學(xué)工具檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，做好查漏補(bǔ)缺。對(duì)預(yù)習(xí)中共性問(wèn)題給予重點(diǎn)解讀，提高了課堂講解的針對(duì)性。

2.4 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，體現(xiàn)課程高階性

在課堂講解和實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，學(xué)生結(jié)合充分的預(yù)習(xí)對(duì)儀器有了較為深入的理解，此時(shí)利用課堂結(jié)束前的時(shí)間進(jìn)行課堂翻轉(zhuǎn)，進(jìn)行討論反饋，可以起到更好的作用。此時(shí)拋出科研中的實(shí)例，讓學(xué)生分析討論，一方面檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，同時(shí)可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的欲望。

3 互聯(lián)網(wǎng)新模式的課程實(shí)踐

3.1 考核預(yù)習(xí)效果，提高預(yù)習(xí)效率

為保證預(yù)習(xí)效果，在預(yù)習(xí)材料中包含習(xí)題與測(cè)試。課件的預(yù)習(xí)和習(xí)題的完成體現(xiàn)為部分實(shí)驗(yàn)課成績(jī)。這種方式可以吸引學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高預(yù)習(xí)質(zhì)量；同時(shí)督促學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，為課堂教學(xué)做好充足準(zhǔn)備。學(xué)生在預(yù)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的疑問(wèn)可以隨時(shí)通過(guò)社交軟件提出，由任課教師及時(shí)進(jìn)行解答，原本點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單線答疑方式變更為點(diǎn)對(duì)面的多線方式，一個(gè)疑問(wèn)的解答可以惠及整個(gè)課程群中所有的學(xué)生，其他同學(xué)在提問(wèn)獲得解答的過(guò)程中也能加深對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，帶動(dòng)整體預(yù)習(xí)水平的提高。

3.2 課上講解因材施教，增強(qiáng)教學(xué)創(chuàng)造性

有了好的預(yù)習(xí)效果，有效節(jié)省了課堂講解時(shí)間。課上教師可以根據(jù)不同學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，有針對(duì)性地進(jìn)行知識(shí)講解，對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題進(jìn)行個(gè)性化討論。教師可以有的放矢地把知識(shí)點(diǎn)加深擴(kuò)展，細(xì)節(jié)講好講透。例如圖1中現(xiàn)代核磁理論的傅里葉變換、脈沖及脈沖序列、弛豫時(shí)間及其應(yīng)用等內(nèi)容，這些知識(shí)有一定的深度和難度，在原來(lái)的講解過(guò)程中基本不會(huì)涉及，或者只是簡(jiǎn)單介紹，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生對(duì)現(xiàn)代核磁共振技術(shù)深層次的學(xué)習(xí)需求。在學(xué)生充分預(yù)習(xí)，且課堂時(shí)間充裕的情況下，授課教師需要根據(jù)學(xué)生的個(gè)性化反饋，列舉合適的例子加以說(shuō)明，做到因材施教，發(fā)揮的空間較大。由于避免了重復(fù)性講解，教師的創(chuàng)造性也得到激發(fā)，保持了授課熱情。

3.3 操作訓(xùn)練以人為本，激發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性

作為一門(mén)實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程，一個(gè)重要環(huán)節(jié)是學(xué)生動(dòng)手實(shí)操，這也是學(xué)生最為感興趣的部分。尤其是對(duì)核磁共振這種大型儀器，價(jià)格昂貴，大部分本科生日常很難有機(jī)會(huì)接觸。在新模式下，學(xué)生獲得了更多的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，因此實(shí)驗(yàn)操作部分可以進(jìn)一步充實(shí)。

傳統(tǒng)模式的核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)中，由于時(shí)間限制，由學(xué)生進(jìn)行的操作只有使用“自動(dòng)勻場(chǎng)”和“自動(dòng)鎖場(chǎng)”功能將磁場(chǎng)調(diào)節(jié)均勻，隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理。這樣操作簡(jiǎn)單乏味，對(duì)學(xué)生毫無(wú)吸引力，也無(wú)法體現(xiàn)獲得核磁共振波譜的全過(guò)程。新模式下，我們將調(diào)諧、90°脈寬測(cè)定等超導(dǎo)核磁日常維護(hù)的基本操作納入學(xué)生操作范圍，每組四名學(xué)生輪流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，均包括進(jìn)樣、自動(dòng)勻場(chǎng)鎖場(chǎng)、90°脈寬測(cè)定、數(shù)據(jù)采集、譜圖處理打印等部分。自動(dòng)調(diào)諧過(guò)程較短，且過(guò)多的調(diào)諧次數(shù)可能損壞探頭中的電機(jī)，經(jīng)與工程師溝通后確認(rèn)可以承受每次實(shí)驗(yàn)課有一次調(diào)諧操作，因此該環(huán)節(jié)只由第一名同學(xué)操作并演示。90°脈寬測(cè)定雖對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有直接影響，但對(duì)理解磁化矢量和脈沖序列有非常好的作用。學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作，全面了解做好一個(gè)核磁共振譜圖所必須的一些基本流程，同時(shí)對(duì)其中蘊(yùn)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(shí)驗(yàn)操作”與“儀器原理”之間的關(guān)系，充分發(fā)揮出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用。

經(jīng)過(guò)調(diào)整后，4個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課堂時(shí)間分配發(fā)生了積極的變化，講授部分由90分鐘縮減到了一個(gè)小時(shí)以內(nèi)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作部分由不到一小時(shí)擴(kuò)展為90分鐘左右，操作的同時(shí)授課教師對(duì)采樣時(shí)間、累加次數(shù)、脈沖間隔、譜寬設(shè)置、中心頻率、增益調(diào)整、勻場(chǎng)算法等參數(shù)進(jìn)行講解，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生修改部分參數(shù)進(jìn)行體驗(yàn)，更加貼近實(shí)戰(zhàn)。剩余約40分鐘的時(shí)間供師生交流。

3.4 課堂翻轉(zhuǎn)即時(shí)評(píng)測(cè)，教學(xué)效果有效延伸

學(xué)生實(shí)際操作之后，對(duì)于相關(guān)知識(shí)已經(jīng)有了具體感性的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，采取課堂翻轉(zhuǎn)的形式讓學(xué)生走上講臺(tái)，學(xué)生講解核磁共振信號(hào)產(chǎn)生的基本過(guò)程，畫(huà)出磁化矢量翻轉(zhuǎn)角度和出峰的對(duì)應(yīng)關(guān)系，或針對(duì)一些關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)提出問(wèn)題，學(xué)生互相討論并進(jìn)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(shí)間測(cè)定實(shí)驗(yàn)中磁化矢量的變化；實(shí)際測(cè)試中一維實(shí)驗(yàn)普遍采用30°或45°脈寬激發(fā)樣品，而實(shí)驗(yàn)中增加了90°脈寬測(cè)定內(nèi)容，分析討論90°脈寬對(duì)不同實(shí)驗(yàn)的影響，為何引入該部分操作；選擇不同脈寬時(shí)考慮脈沖間隔時(shí)間的修改以保證定量準(zhǔn)確性；討論各類(lèi)核磁共振實(shí)驗(yàn)需要關(guān)注的重要參數(shù)等，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生的情緒，鍛煉學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作和表達(dá)能力，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)和梳理，深化課堂教學(xué)效果，即時(shí)進(jìn)行鞏固。

3.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告總結(jié)反思，結(jié)合科研深度學(xué)習(xí)

實(shí)驗(yàn)課程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)是整理完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。為了提高學(xué)習(xí)的高階性，除了根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的樣品氫譜進(jìn)行化合物含量的計(jì)算，同時(shí)把樣品的碳譜數(shù)據(jù)交給學(xué)生，要求學(xué)生結(jié)合碳譜數(shù)據(jù)對(duì)化合物進(jìn)行完全的歸屬，并練習(xí)用規(guī)范的科研寫(xiě)作方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行表述。通過(guò)對(duì)化合物氫譜和碳譜的比較，學(xué)生對(duì)耗時(shí)長(zhǎng)、操作更復(fù)雜的碳譜也有了初步的了解。為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)核磁共振波譜儀的認(rèn)識(shí)，在課程平臺(tái)上提供核磁共振在實(shí)際科研工作中的運(yùn)用實(shí)例，供學(xué)生課后深度學(xué)習(xí)，達(dá)到鍛煉科學(xué)思維、理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

互聯(lián)網(wǎng)改變著人們的生活，也改變著高等教育的模式。在信息技術(shù)的支持下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程可以更加合理，課程內(nèi)容更加充實(shí)，課堂氛圍更加活躍。學(xué)生的學(xué)習(xí)不再局限于規(guī)定課時(shí)內(nèi)，學(xué)生必須付出更多的精力，學(xué)到的知識(shí)也更加牢固。新模式提高了課程的挑戰(zhàn)度，卻滿足了學(xué)生對(duì)新技術(shù)、大儀器的好奇心，帶給他們深度學(xué)習(xí)的獲得感和成就感，學(xué)習(xí)效果有了明顯提升。